航站樓既有混凝土結(jié)構(gòu)上部新建鋼結(jié)構(gòu)的加層改造分析*

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市功能分區(qū)也相應(yīng)發(fā)生變化，使得既有建筑的功能需求發(fā)生改變。進而使得我國建筑業(yè)已從大規(guī)模的新建時期向加固和改造時期邁進。

在既有混凝土結(jié)構(gòu)上層新建鋼結(jié)構(gòu)加層，既能滿足現(xiàn)代新功能的需求，同時又能大大降低建造成本，是目前既有建筑改造加固的主流方式。與此同時，如何處理新舊結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點、如何在施工過程中順利安全地完成連接層的加固置換也成為既有鋼混框架結(jié)構(gòu)改造的關(guān)鍵問題[1-4]。

本文以上海浦東國際機場T1航站樓B、E區(qū)連廊結(jié)構(gòu)改造項目為研究對象，計算模擬了既有鋼混框架結(jié)構(gòu)上部新建鋼結(jié)構(gòu)的施工過程，分析了各施工階段下新舊結(jié)構(gòu)柱間連系的錨固連接的安全性，為最終方案的確定提供了理論計算依據(jù)。

1 工程概況

1.1 項目基本情況

上海浦東國際機場T1航站樓改造工程總建筑面積112 500 m2，其中新建及加建面積67 400 m2（其中地下室9 800 m2），T1航站樓現(xiàn)狀為主樓—連接廊—長廊，改造后T1航站樓總體布局不變，僅利用原有室外庭院（現(xiàn)新建區(qū)），加寬為新的連接廊部分，本文所述內(nèi)容即在原有混凝土結(jié)構(gòu)上新建3層鋼結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 B區(qū)改造結(jié)構(gòu)剖面示意

1.2 改造方案介紹

原連廊3層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)上加建3層鋼框架，改造后為地上6層結(jié)構(gòu)，并需對原有連廊結(jié)構(gòu)進行加固和改造，加固方案為在原混凝土柱外包鋼板，以增大柱受力性能；另外，為增大第3層層高，原連廊屋面需拆除上移。

2 施工方案策劃

改造工程傳統(tǒng)施工方案為，先加固原有結(jié)構(gòu)然后進行新建結(jié)構(gòu)施工，但從安全方面考慮，浦東機場結(jié)構(gòu)改造及新建需在臺風期到來之前完成。為加快施工進度，經(jīng)過分析對比，提出了下述改造施工方案，該方案主要分為2個階段。

階段1：原結(jié)構(gòu)混凝土柱標高（+0.00～+6.00）m包鋼加固完成，新建鋼柱擱置在原樓頂位置并設(shè)置臨時支撐，然后施工上部新建結(jié)構(gòu)，新建結(jié)構(gòu)施工的同時進行原混凝土結(jié)構(gòu)加固。

階段2：上部新建結(jié)構(gòu)完成后，原混凝土柱包鋼加固至原樓頂梁下方，然后按軸線逐段鑿除混凝土結(jié)構(gòu)屋頂樓板，然后進行樓板鑿除區(qū)域包鋼加固，并將包鋼與新建鋼柱連接。上述工作完成后逐段鑿除原混凝土屋頂梁，完成所有混凝土柱包鋼加固，并與鋼柱連接。

為方便原混凝土樓頂?shù)牟鸪夹g(shù)人員提出了暫不施工新建結(jié)構(gòu)首層樓板，待原混凝土樓頂拆除后再澆筑該層樓板的方案。

上述施工方案在改造流程和方便施工上是完全可行的，但是由于加固與新建結(jié)構(gòu)施工同時進行，結(jié)構(gòu)及構(gòu)件是否能夠滿足受力要求，需要理論計算予以驗證。

3 計算模擬

根據(jù)上述方案確定的施工階段，并考慮各階段新建結(jié)構(gòu)首層樓板混凝土澆筑與不澆筑2種情況，對主要施工過程進行模擬計算。對荷載作用下結(jié)構(gòu)整體變形、層間角、構(gòu)件受力、連接肋板應(yīng)力等方面進行評價，驗證方案是否可行。

以2個主要改造階段作為模擬計算的2個分析工況，將新建結(jié)構(gòu)首層樓板是否澆筑作為每工況下的2種情況進行分別驗算，如表1所示。

表1 計算工況表

本文采用Midas gen進行計算分析，利用梁單元和板單元分別模擬梁、柱和樓板，考慮風荷載和施工荷載的作用，如圖2所示。

圖2 計算模型示意

4 分析結(jié)果

4.1 變形對比

通過對比分析可得，各工況下結(jié)構(gòu)整體側(cè)向變形均較小（表2）。其中，新建結(jié)構(gòu)首層樓板澆筑變形小于首層不澆筑變形，原因主要是首層樓板澆筑后結(jié)構(gòu)整體剛度增大。

表2 各工況結(jié)構(gòu)側(cè)向變形表

4.2 層間位移角

依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010），層間位移角限值要求小于1.82×10-3，經(jīng)過計算，各工況下結(jié)構(gòu)層間位移角均能滿足規(guī)范要求。

由分析結(jié)果可知，工況2時新舊結(jié)構(gòu)連接層（3～4層）的層間位移角相對工況1有所增大，而其他樓層層間位移角相對工況1較小。結(jié)果表明，新舊結(jié)構(gòu)連接柱的整體包鋼加固后能有效減小結(jié)構(gòu)的水平變形；新舊結(jié)構(gòu)接合處屬于鋼混與鋼混合框架結(jié)構(gòu)的剛度過渡區(qū)，剛度變化較大，屬于結(jié)構(gòu)的薄弱部位[5,6]。

從工況2層間位移曲線（圖3）可明顯發(fā)現(xiàn)，新建結(jié)構(gòu)首層樓板澆筑方案的位移相對不澆筑方案要小，即新建結(jié)構(gòu)樓板全部完成澆筑能有效增強結(jié)構(gòu)整體性與水平剛度。

圖3 層間位移曲線（“1-A”表示工況1的A方案，余同）

4.3 應(yīng)力對比

工況1時新建結(jié)構(gòu)首層樓板不澆筑的鋼結(jié)構(gòu)最大組合應(yīng)力為-77.3 MPa，發(fā)生于屋頂（+31.48 m樓層鋼梁）；首層結(jié)構(gòu)樓板澆筑方案的最大組合應(yīng)力為-80.0 MPa，發(fā)生于新建結(jié)構(gòu)標高+18.22 m樓層（圖4）。

圖4 工況1框架結(jié)構(gòu)組合應(yīng)力示意

工況2時新建結(jié)構(gòu)首層樓板澆筑與不澆筑框架結(jié)構(gòu)最大組合應(yīng)力均發(fā)生于屋頂（+31.48 m樓層鋼梁）。其中不澆筑方案的最大組合應(yīng)力為-76.9 MPa；澆筑方案為-77.0 MPa（圖5）。

圖5 工況2框架結(jié)構(gòu)組合應(yīng)力示意

由上述可知，原結(jié)構(gòu)混凝土柱經(jīng)過包鋼加固，新舊柱接合處通過連接肋板加固，使得整體結(jié)構(gòu)的組合應(yīng)力有效減小；同時A方案的結(jié)構(gòu)應(yīng)力普遍比B方案的結(jié)構(gòu)應(yīng)力減小0.1%～3.4%（表3）。

表3 最大組合應(yīng)力表

4.4 局部應(yīng)力分析

工況2時需對新舊結(jié)構(gòu)柱的接合處進行連接肋板加固，考慮施工的安全性，針對工況2作用下的新舊結(jié)構(gòu)柱接合處進行連接肋板的局部細化分析。局部應(yīng)力分析利用有限元軟件Midas FEA模擬計算，采用實體單元模擬鋼混與鋼框架柱的結(jié)合部位（圖6）。

圖6 計算模型示意

將Civil梁板模型計算的接合處最大內(nèi)力代入FEA實體模型中進行計算分析。經(jīng)對比，工況2時首層結(jié)構(gòu)樓板澆筑情況下新舊結(jié)構(gòu)連接處受力最大，如表4所示，局部坐標系沿構(gòu)件軸向為X，垂直于構(gòu)件為YZ平面。

表4 接合處最大內(nèi)力表

從工況二接合處的應(yīng)力云圖（圖7）可知，肋板主要在凹槽處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，并達到最大組合應(yīng)力σv=105 MPa（最大壓應(yīng)力為-73.3 MPa）、最大剪應(yīng)力τ=55.8 MPa，滿足規(guī)范的安全要求。

圖7 工況二接合處應(yīng)力云圖

5 結(jié)語

1）新舊結(jié)構(gòu)的接合處是混合框架結(jié)構(gòu)的受力薄弱點，在進行既有結(jié)構(gòu)的改造加固施工中對該部位進行了重點加固處理。

2）在新舊結(jié)構(gòu)柱接合處的體系轉(zhuǎn)換時，原結(jié)構(gòu)柱與新建鋼柱先擱置再通過肋板固結(jié)，結(jié)構(gòu)安全性能夠滿足要求，采用該方案能夠大幅度縮短工期，滿足了施工的方便性。

3）新建結(jié)構(gòu)首層樓板結(jié)構(gòu)澆筑與不澆筑情況下進行原有結(jié)構(gòu)屋頂拆除均能滿足結(jié)構(gòu)安全性需要，為方便施工可選擇新建結(jié)構(gòu)首層樓板后做[7]。