某超市鋼結構加層設計實例分析

劉衛輝，戚明軍,鄭永強

（1. 陜西省建筑設計研究院，陜西 西安，710018；

2.西北建筑設計研究院，陜西 西安，710018）

     1、工程概況

某超市位于楊凌火車站南廣場附近，地理位置優越，2007年開始設計施工，2009年投入使用。該工程為三層鋼筋混凝土框架結構，局部五層，其中局部夾層用于超市內部人員辦公及管理，底層層高5.6m，二、三層層高4.8m，總建筑面積為19937m2，建筑高度15.35m。工程采用鋼筋混凝土框架結構，樓層及屋面板均為現澆，基礎采用獨立基礎，地基處理采用灰土擠密樁，設計地基承載力要求不小于220kPa。由于該超市地理位置優越，經營狀況大大超出預期，本工程2012年提出加層改造設計，要求在原有的結構上增加二層鋼結構，增加二層鋼結構的主要功能為電影院、臺球廳、咖啡館等，其中電影院有6個影廳，空間上要求二層通高，增加高度8.0m，增加使用面積7900m2。該工程的改造成功能帶來較大的社會和經濟效益。甲方提出加層設計及施工的原則是既要符合現行規范要求，又要不破壞原有結構和目前正常運營情況。圖1為加層鋼結構局部平面。該工程地震設防類別為重點設防類，地震設防烈度為7度（0.15g），地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，特征周期值為0.40s，基本風壓0.35，周期折減系數采用0.7，混凝土強度等級均為C30，混凝土框架的抗震等級為二級，鋼結構抗震等級為三級。 

圖1 加層鋼結構局部平面

     2、計算分析

下部混凝土框架結構上部為鋼結構加層，對于此類豎向混合結構，規范沒有明確的規定。此結構計算的難點在于上下結構的阻尼比不同，下部混凝土結構的阻尼比為0.05，上部鋼結構的阻尼比為0.04，常用設計軟件satwe地震參數只能填一個阻尼比；其次此類結構下剛上柔，存在剛度突變問題，由于高振型的影響，上部鋼結構應存在動力放大效應，該放大效應系數如何確定。本工程計算分析時，復核下部結構承載力及配筋時阻尼比采用0.05，設計上部鋼結構部分時阻尼比采用0.04。確定上部結構放大系數時采用彈性時程分析法確定。

     2.1 加層方案確定

    《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）第3.7.2條規定，對既有結構進行改建、擴建、或加固改造而重新設計時，承載能力極限狀態的計算應符合本規范和相關標準的規定；既有結構的正常使用狀態驗算及構造要求宜符合本規范的規定。加層設計時采取以下措施減少荷載：①將屋面找坡層、防水層、找平層去除，新加房屋地面采用地毯或塑膠地面替代，可減少恒載3.5KN/m2；②加層部分采用鋼結構承重體系，盡量減少結構自重；③隔墻采用輕質隔墻或雙層隔音輕質墻；④加層樓面厚度控制在80mm，屋面采用輕型屋面；⑤影院座位下部全部架空。另外充分考慮下部結構的承載歷史和施工狀態的影響，使加層荷載傳力均勻，避免出現某處突變情況。由于原有混凝土框架柱頂層截面均為500x500，且柱頂節點梁柱鋼筋錨固凌亂復雜，新加鋼結構柱底只能處理成鉸接形式，為了保證加層結構的穩定性，在柱間設置鋼支撐，最終確定加層結構形式為柱底鉸接鋼框架+支撐結構。

     2.2 計算結果控制指標

本工程采用2010版PKPM系列軟件STS三維建模及荷載輸入，采用空間有限元軟件SATWE計算。模型建立完全按照原結構的竣工圖，荷載按施工圖總說明中的要求并符合實際使用情況輸入。加層鋼結構支撐采用程序中的斜桿單元模擬，支撐采用“人”字撐形式，在特殊構件定義中將支撐兩端指定為鉸接，框架柱底指定為鉸接。支撐布置主要考慮不影響建筑功能并滿足結構的規則性。由于加層部分建筑平面較復雜，存在局部開洞，樓板不連續，僅按整體分析不能反映加層部分的規則性，因此結構的規則性分別按整體模型和僅有兩層鋼結構模型分別進行判別。

經反復試算和改變支撐布置情況，整體分析時結構的鋼結構加層X向扭轉位移比最大值為1.19，最大層間位移角為1/1229，支撐承擔的傾覆彎矩百分比為63%、承擔的剪力百分比為65%；Y向扭轉位移比最大值為1.17，最大層間位移角為1/1551，支撐承擔的傾覆彎矩百分比為68%、承擔的剪力百分比為66%。僅有兩層鋼結構的局部模型分析時X向扭轉位移比最大值為1.15，最大層間位移角為1/1111，支撐承擔的傾覆力矩百分比為64%；Y向扭轉位移比最大值為1.07，最大層間位移角為1/1221，支撐承擔的傾覆力矩百分比為67%。

結構構件強度和穩定按以下要求控制：框架柱、框架梁應力比按0.9，有混凝土樓板的簡支次梁按1.0、無混凝土的簡支次梁和懸挑次梁按0.9、支撐應力比按0.7。

     2.3 確定加層剪力放大系數

開始試算時加層樓層動力放大系數按1.0，經試算，結構的各項控制參數滿足規范并且梁、柱截面調整基本合適后，再采用彈性時程分析計算。根據《建筑抗震設計規范》GB50011-2010，7度（0.15g）地區時程分析所用地震加速度最大值為55cm/s2，本次計算采用三組加速度時程曲線，其中兩條為實際強震記錄，一條為人工模擬。選時程曲線是否合適的原則為三條時程曲線計算所得結構底部剪力不小于振型分解反應譜法計算結果的65%，三條時程曲線計算所得結構底部剪力的平均值不小于振型分解反應譜法計算結果的80%。程序根據特征周期選波，經試算分別選擇了RH1TG040（人工波）、TH1TG040（天然波）、TH2TG040（天然波）滿足規范選波原則，作為合適的時程曲線使用。表3.1-1、表3.1-2分別給出了振型分解反應譜法與時程分析法X向、Y向樓層剪力對比值。

表3.1-1 反應譜與時程分析X向樓層剪力對比

根據規范當取三組加速度時程曲線輸入時，計算結果易取時程法的包絡值和振型分解反應譜法的較大值。由表2.3-1和表2.3-2數值分析可知，三條時程分析曲線算得的基底剪力平均值是反應譜法的0.96倍，包絡值是反應譜法的1.03倍，差別均在5%以內，因此利用振型分解反應譜分解反應譜法計算和設計時全樓動力系數不放大。三條時程分析曲線算得的加層X向的樓層剪力包絡值是反應譜法的1.18~1.20倍，Y向為1.17~1.18倍。因此利用振型分解反應譜法計算和設計加層鋼結構時，頂部加層應取1.2的樓層動力放大系數。動力系數確定后，部分結構構件不滿足控制指標，重新調整后均滿足前述控制指標。

     3、加層柱腳節點構造

鋼結構加層節點構造除柱腳節點構造較為復雜外，其余節點構造均為常規鋼結構構造。由于鋼結構加層柱底生根先天性不足，鋼結構加層柱底按鉸接處理，柱底主要產生豎向力和水平剪力，豎向力可以直接傳遞至下部原混凝土框架柱；水平剪力卻不能有效傳遞，因為混凝土框架頂層柱節點區鋼筋錨固復雜，不能鑿開孔洞直接放置抗剪鍵，另外由于柱腳錨栓不能傳遞剪力。本工程采取的做法是在混凝土柱頂植筋增加鋼筋混凝土短柱作為過渡，再在混凝土短柱上生根鋼結構加層柱，而對于支撐處混凝土短柱，在混凝土短柱處進行加腋，如圖3.1~3.3。化學植筋所用錨固灌漿的性能，應滿足《鋼筋混凝土結構后錨固技術規程》JGJ145-2004，原有構件上打孔時，先用探測儀測出構件中鋼筋的位置，并標在構件上，檢查孔的位置是否會碰到鋼筋，施工縫處理原則為：①將連接表面鑿毛，露出原有鋼筋，且不得小于1mm；②用鋼刷將表面松動層清理干凈，并用高壓水沖洗表面；③刷1：1水泥漿一道，約3個小時后澆混凝土振搗，2次凝固。 

圖3.1短柱做法                          圖3.2短柱加腋做法

圖3.3 A-A剖面

     4、原結構加固措施

決定本工程加層方案是否可行的重要因素是地基和基礎是否需要加固，原工程在進行設計時地基形式為灰土擠密樁復合地基，要求承載力為220kPa，實際設計時地基承載力僅使用200kPa，根據經驗灰土擠密樁復合地基隨時間增加承載力應有提高，于是在現場進行了四處靜載荷試驗，四處試驗結果最小值為310kPa，平均值為317kPa，試驗結果滿足加層的需要并有所富余。根據現場載荷試驗確定的地基承載力和鋼結構加層的柱底反力，復核獨立基礎的截面及配筋，均滿足設計要求，地基和基礎均不需要加固。

復核下部梁柱配筋時，整體結構計算阻尼比采用0.05，計算結果與原施工圖進行比對，水平構件均滿足要求，不需要加固。框架柱存在部分配筋不足和軸壓比超限，主要分布在上部鋼結構支撐所對應的位置，共計30根框架柱。加固采用外包鋼板及型鋼加固方案，加固時主要采取以下控制措施：①若構件表面有蜂窩、裂縫應先修補嵌平，再打磨露出結構本體,并用丙酮擦凈；②對鋼板及型鋼的粘結面進行平整、除銹處理，粘結面應顯露金屬光澤，并用丙酮擦凈。③膠料配制按稱量比例調制粘結膠,使用前要充分攪拌，把配制好的膠料同時涂抹在已處理好的鋼板和混凝土面上,把鋼板與混凝土粘貼；④鋼板粘貼后用M12膨脹螺栓固定，并立即加壓直至鋼板周邊同時擠出膠液為止，鋼板加壓不得中途局部減壓，經24小時后可卸壓，⑤經固化卸壓后進行防銹防腐處理，外包鋼板及型鋼施工完成后，在加固件鋼板及型鋼表面抹25mm厚M7.5水泥砂漿保護層，并采取相應措施避免保護層空鼓，也可采用其它飾面材料加以保護。

     5、結論

該超市鋼結構加層取得了較好的經濟和社會效益，加層鋼結構竣工后的最終含鋼量僅為39kg/m2；鋼結構加層部分計算時，頂部所加樓層應乘以動力放大系數，該系數可由時程分析法確定，一般取1.2左右；鋼結構加層模型簡化需與實際構造一致，加層柱底傳力路徑須可靠、簡潔、明確，可通過增加過渡短柱的方案解決；加層結構計算完成后必須通過現場載荷試驗確定并復核當下的地基承載力，詳細比對原結構的強度和配筋，對原有結構先加固后進行加層改造。

 (本文來源：陜西省土木建筑學會   文徑網絡設計項目投資中心：劉紅娟 尹維維 編輯  劉真 文徑 審核)