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加固改造工程实例——某纪念堂结构加固改造设计

分类:
工程案例
2019/06/01 11:55
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  1.1该纪念堂

  该纪念堂建成于1982年,位于福建泉州华侨大学内,纪念堂占地面积 12000㎡ ,建筑面积 7436㎡,建筑高度 23.9m,由前楼和礼堂组成。

  1.2改造原因

  由于建成至今已近 40 年,纪念堂内部设施陈旧、配套设施设备不足、使用功能欠缺,已不能满足大学生文艺汇演、大型歌咏比赛等文艺演出的需求,另外,纪念堂消防系统缺失,结构抗震能力不足,需要对礼堂进行建筑、声学、给排水、消防、暖通、电气、灯光、音响、舞台机械、结构抗震等方面的改造设计。

  1.3改造设计要求

  由于本工程具有历史风貌建筑的特点,要求改造设计不得影响建筑外观。

  该纪念堂由前楼和礼堂组成,两部分设结构缝脱开,本次工程仅对礼堂进行改造。礼堂由舞台和带有二层楼座的观众厅组成,礼堂建筑平面图如图1所示。

  图1

  礼堂采用钢筋混凝土框架结构( 以下简称Ⅰ区) ,36 m 大跨度屋架采用梯形钢屋架,观众厅的二层楼座悬挑 7m,结构采用框架-剪力墙结构( 以下简称Ⅱ区) ,该楼座自基础以上与观众厅主体结构设结构缝脱开,形成了独立结构单元,结构平面图如图2所示。

  图2

  该纪念堂地处坡地,基础采用钢筋混凝土独立基础,持力层为残积黏性土,地基承载力特征值为 220kPa。Ⅰ区舞台两侧楼板采用预制板,其余结构采用现浇混凝土板。梯形钢屋架屋面采用 20mm厚企口木板 + 二毡三油防水层 + 镀锌铁皮。

  Ⅰ区结构属于单层大跨度空旷房屋建筑,主要框架柱截面500 × 1000,框架梁截面 240 × 500,混凝土强度等级为 C18,大部分柱的箍筋直径为 6mm,加密区箍筋间距为 200mm 或 250mm; Ⅱ区包含地上2层和半地下室,高度15.96m,楼座悬挑7m,采用三角形梁悬挑,双向布置剪力墙共同承担悬挑楼座的倾覆力矩,形成框架-剪力墙结构。

  2. 结构改造加固问题分析

  礼堂结构改造加固主要存在以下技术问题:

  2.1结构改造加固问题分析

  (1) 框架结构基本未考虑抗震设计,梁、柱箍筋不满足抗震要求。

  (2) 由于Ⅱ区自基础以上与Ⅰ区脱开,Ⅰ区结构在该处的端榀为刚度较差的大跨度排架,与另一端舞台山墙结构有明显的刚度差异,刚度分布明显不均,易造成结构地震下的扭转破坏。

  (3) 部分柱、梁、板配筋不能满足规范要求。

  (4) 建筑维修改造后舞台需增加葡萄架系统,需要确定大跨度葡萄架系统与原结构的加设方式和受力关系。

  (5) 装修改造引起钢屋架吊挂的吊顶、灯光、空调等吊挂重量增加,钢屋架承受荷载相应增大,需对钢屋架进行加固。

  (6) 屋顶女儿墙高 3.5m,仅采用了构造柱及圈梁,地震时鞭梢效应导致墙体掉落,需考虑掉落引起的抗震安全问题。因此,进行加固改造设计时不仅需要考虑鉴定报告中提出的问题,同时需要考虑装修改造引起结构局部改造及完善使用设施所增加的荷载。另外,由于纪念堂在设计时,我国尚未有抗震设计方面的相关规范,因此还应着重在提高结构整体抗震性能和对震害容易损坏的部位进行抗震加固设计,按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施。

  3.结构改造加固设计

  3.1 结构抗震加固设计

  本工程的抗震加固设计主要包括两方面:

  ①对未考虑抗震设防的结构进行抗震加固,在进行加固设计时,按照抗震鉴定标准的要求,高于本地区抗震 设防烈度一度采取抗震措施;

  ②结构平面布置不规则,结构刚度分布不均匀,需要采取措施减小结构平面刚度的差异并提高结构抗扭刚度。

  (一)抗震设防

  采用内加壁式框架进行加固,新加壁式框架厚度250mm,加固后框架柱截面为 500*1250,框架梁截面为 490*500,新加混凝土强度等级采用C30,如图3所示。壁式框架能够形成一个新的较完整的抗震系统,并独立承担一定荷载,显著增加结构延性; 与原框架梁柱连接成一体,提高了大跨度空旷结构的整体性及刚度;

  图3内加壁式框架加固简图

  另外,由于原 36m大跨度钢屋架柱顶支承长度为 350mm,内加壁式框架后钢屋架在柱顶支承长度增加 250mm,结合女儿墙加固时于柱两侧设置的钢斜撑对钢屋架的限位作用,防止钢屋架大震下脱落。

  (二)结构扭转效应限制

  参照《高层建筑混凝土结构技术规程》对结构扭转性能指标进行控制。对加固前结构进行分析,分析结果见表 1。

  可以看出:

  Y 向最大层间位移角超过高规的允许值 1/550,表明 Y 向刚度不足;

  Y向扭转位移比大于1.40,不符合高规的规定;

  同时第 2 阶周期扭转系数已接近0.5,表明结构存在明显扭转效应。

  图4:加固前第2振型

  图4为加固前结构第2阶振型图,可以看出,由于结构敞开端刚度较弱,存在严重扭转。敞开端受楼座布置的限制,无法加设剪力墙或支撑等提高抗侧移刚度。

  在本工程中,可利用刚度较大的Ⅱ区框剪结构( 楼座) 为Ⅰ区结构提供刚度,为避免敞开端刚度提高过大导致新的偏心,加固设计中只将Ⅱ区的 1 层以下的半地下室与Ⅰ区连接成整体,1 层以上仍保留分缝脱开。

  结构加固平面示意图

  按Ⅰ区、II 区的 1 层以下连接成整体,Ⅰ区采用内加壁式框架加固结构加固方案对加固后结构进行分析,

  结果见表1。

  对比加固前后结果可以看出,加固后前 2 阶周期以平动为主,扭转由第 2 阶周期 T2 变成第 3 阶周期 T3,周期比 T3 /T1 = 0. 75,说明抗扭刚度明显提高,并符合高规的要求,Y 向最大层间位移角由 1 /306 减小为 1 /642,位移比也有所减小,结构抗侧移刚度明显增大。但由于 1 层以上是敞开端,仍存在刚度偏心,从加固后位移比 1. 40 也可看出结构仍存在较大扭转,此时应调整结构外围抗侧力构件的刚度,减小结构刚心和质心的偏心距,因此在加固设计中对敞开端两排框架柱进行截面双面加大,按抗震等级提高一级进行配筋和配箍,箍筋全高加密。

  3.2舞台葡萄架结构设计

  由于舞台功能要求,需增设葡萄架用于舞台背景幕、灯光等吊杆升降用。葡萄架位于舞台上空,尺寸为15m × 24m

  采用钢结构梁制作葡萄架,支承在舞台周边梁柱上,其优点是钢屋架不用加固,缺点是由于跨度大,葡萄架结构高度较高。经综合比较,并与舞台机械设备配合,将葡萄架紧靠屋架下弦,解决高度问题,采用此方案。(图5和图6)

  图5

  图6

  3.3钢屋架加固设计

  装修改造引起钢屋架吊挂的吊顶、灯光、空调等吊挂重量增加,钢屋架承受荷载相应增大,经复核验算,在面光桥位置有两榀钢屋架下弦杆承载力略不足,钢屋架下弦杆为双拼角钢,因此采用在下弦杆加设焊接两根钢筋加固,钢筋强度等级为 HRB335,直径为25mmm],加固方法如图所示。

  钢屋架下弦加固大样图

  在进行屋架下弦杆加固时,先架设满堂脚手架进行屋顶千斤顶卸荷,然后进行焊接工作。

  3.4砖砌女儿墙抗震加固设计

  历次地震震害表明,较高的砖砌女儿墙容易掉落,伤害逃生人员及堵塞逃生通道。本工程屋顶女儿墙高 3. 5m,砖墙厚 240mm,构造柱间距 2. 5m,女儿墙中部及墙顶圈梁各一道。由于女儿墙悬臂高度很高,仅靠构造柱及圈梁不足以抵抗地震时鞭梢效应,因此必须进行抗震加固。

  砖砌女儿墙加固方法

  利用新内加的壁式框架柱,在柱顶设预埋件,并避开屋架,在屋架两侧设钢斜撑,钢斜撑下端与柱顶预埋件焊接,上端与女儿墙中部圈梁焊接,大大减小女儿墙悬臂高度,提高了女儿墙安全性,同时屋架两侧设置的钢斜撑还可以起到限制屋架脱落的作用,女儿墙加固图如图所示。

  4.结论

  该纪念堂礼堂结构加固改造设计中,不仅考虑了装修改造中舞台设备、吊顶、灯光、空调等吊挂重量增加引起的结构加固问题,还从结构整体抗震性能出发,对结构重点受力部位和震害容易损坏的部位进行加固,提高其抗震性能。

  ( 1) 内加壁式框架保持结构外形不变,形成新的抗震系统,可提高结构的整体性、刚度及延性,满足结构抗震要求。

  ( 2) 将Ⅱ区的1层以下的半地下室与Ⅰ区连接成整体,1层以上仍保留分缝脱开,I区内加壁式框架加固、敞开端两排框架柱断面双面加大后可以提高结构抗侧移刚度和抗扭刚度,明显减小扭转效应。

  ( 3) 紧靠屋架下弦架设钢结构梁制作舞台葡萄架,在满足礼堂使用功能的同时只需焊接钢筋对钢屋架下弦进行加固。

  ( 4) 在女儿墙中部加设钢斜撑以减小女儿墙的悬臂高 度,提高女儿墙抗震安全性,限制屋架的脱落。

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