馬尾造船廠綜合倉庫鋼結構加固改造方案探析

任 彧 林禎杉 趙岳洲

(1.福建建工集團有限責任公司 福建福州 350001; 2.福建省建筑設計研究院有限公司現代房屋建筑研究設計分院 福建福州 350001；3.福州三江口建設發展有限責任公司 福建福州 350001)

0 引言

船政學堂是中國第一所新式學校，開我國近代科技教育之先河，培育出眾多優秀的風云人物，活躍在近代中國的軍事、文化、科技、外交、經濟等各個領域。船政文化是近代工業遺產的輝煌代表，它見證了近現代中國社會的巨大變革，留下了豐富而又珍貴的物質與精神遺產[1]。馬尾造船廠興建于1866年，是中國近代第一家機器造船廠，也是同期遠東地區最大的造船廠。民國期間在造船廠內設立的海軍飛機工程處是中國第一家飛機制造廠，開創了中國飛機制造的先河。因此，馬尾造船廠是船政文化的重要載體之一。

基于此，馬尾造船廠片區保護建設工程項目，理所當然要將船政文化遺產以“船政文化城”的形式進行系統的保護與提升，使之成為傳承船政文化和愛國主義教育的重要載體。綜合倉庫是馬尾造船廠片區的最高建筑，其改造必須立足最大化延續原有工業風格的基礎，適度體現當代性，改造后將成為馬尾造船廠的“新燈塔”。

1 工程概況

該項目位于福州市馬尾區，是1998年建造的4層鋼框架-中心支撐結構(局部夾層)，檐口高度為27.6m，建筑面積約為8080m2。綜合倉庫X向總長度87m，共10跨，主要跨度為9m；Y向總長度27m，共2跨，跨度分別為15m、12m；各軸X向均設置兩道支撐，Y向未設置支撐。主體結構梁柱均為焊接H型鋼，材料強度為Q345B，樓、屋面板均為壓型鋼板組合樓板。

該工程建筑抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7度(0.10g),設計地震分組為第三組，場地類別為三類，特征周期0.65s，阻尼比為0.04。50年一遇的基本風壓為0.70kN/m2，地面粗糙度為A類。

綜合倉庫改造后將成為具有商業功能的游客中心，建筑功能改造內容主要有：

(1)使用功能改為游客服務、餐廳，并增設廚房、衛生間及設備用房；

(2)新增1部電梯、2部樓梯，并增設相應的小屋面(圖2)；

(3)新增設備夾層、新增屋面設備區；

(4)四層餐廳的1軸西側及A軸南側均增設外懸挑。

改造前后二層建筑平面圖如圖1～圖2所示。

圖1 改造前二層建筑平面圖

圖2 改造后二層建筑平面圖

2 建筑功能改造帶來的結構設計問題

由于改造項目需按現行國家規范進行安全性復核，而歷史悠久的既有項目往往涉及多代設計規范的更新。因此，新版規范在設計荷載取值、承載能力極限狀態、正常使用極限狀態以及抗震安全性方面均對結構改造設計提出更高的要求。

對該項目來說，影響較顯著的規范修訂內容有：2019年開始實施的《建筑結構可靠性設計統一標準》[2]，該規范要求恒荷載組合系數由1.2提高至1.3，活荷載、風荷載的組合系數均由1.4提高至1.5；此外，根據現行《建筑抗震設計規范》[3]，建設場地的地震分組改為第三組，對應的特征周期由0.55s提高至0.65s，使得設計地震作用明顯增大。

原結構基礎采用鉆孔灌注樁，單樁豎向承載力特征值為3200kN，各柱下均為兩樁或三樁承臺。由于建筑功能的改變，不需再考慮原結構各層吊車荷載，基礎承載力富余量較大，因此本次加固改造主要工作是針對地上結構部分。

按照鑒定報告提供的現狀描述進行對原結構建模，并按照建筑功能性改變進行相應改造，在未對主體抗側力體系進行調整的前提下，主要計算結果如下：

(1)第1振型為Y向平動(1.64s)，第2振型為扭轉(1.34s)，第3振型為X向平動(0.96s)；

(2)層間位移角：X向小震下為1/811，小震Y向為1/536，X向風荷載下為1/2448，Y向風荷載下為1/354；

(3)各層A軸、B軸處的鋼框柱普遍壓彎承載力超限，應力比1.1～1.3，控制荷載組合均為1.3恒載+1.5活載±0.9Y向風荷載；

(4)四層及以上的Y向鋼框梁梁端抗彎承載力大范圍超限或接近極限狀態，主要超限構件應力比在1.0至1.2，控制組合與對應位置鋼框柱一致；

(5)新增樓梯間、衛生間、廚房及屋面設備區，局部鋼梁承載力超限；

(6)部分鋼梁的腹板高厚比不滿足規范要求。

綜上可知，該項目原有結構存在的問題主要有：

(1)原有結構布置在Y向不能滿足現行規范對抗側能力的要求；

(2)振型及層間位移角結果顯示，結構整體抗扭能力不足；

(3)局部使用功能改變造成的荷載增加，使得局部鋼梁承載力不足；

(4)原有結構布置方案類似門式剛架，鋼構件翼緣寬厚比、腹板高厚比不能滿足現行規范的構造要求。

3 主體鋼結構加固改造方案

工業建筑、橋梁的美學精髓在于結構，因此在對這類建筑進行修繕、改造時，都應強調結合自身結構狀況及后期的功能定位進行針對性處理。合理的結構加固方案應顯示出技術之美，其特點在于體系合理、受力簡單、有規律性。工業建筑不需要過多的裝飾，而是直接呈現鋼鐵的冷峻粗獷，給人帶來強烈的視覺沖擊與獨特的空間體驗[4-6]。

傳統的鋼結構加固方法[7-8]，例如：加高鋼梁截面、將鋼柱加固成十字形截面或箱形截面等，均需要大量的現場焊接作業；梁柱節點域、柱腳位置的加固施工尤其困難。此外，對于該項目這種單向抗側能力不足的鋼框架(支撐)體系，將鋼柱加固成箱型截面的方式不僅效率不高，對結構抗扭能力的改善也非常有限，難以達到規范的要求。

通過多輪的試算比選，對該項目采取以下的方案進行加固：

(1)在各樓層增設不同形式的Y向支撐(圖3)，使結構Y向抗側能力顯著增強、同時抗扭剛度也明顯改善。分析結果顯示：結構1階振型為Y向平動(1.02s)，第2振型為X向平動(0.98s)，第3振型為扭轉(0.85s)，T扭/T1=0.83，滿足規范要求。Y向風荷載下層間位移角由1/354減少為1/721。偏心設置的Y向支撐同時可以起到減少相應鋼框梁跨度的作用。

(a)④軸框架 (b)⑤至⑧軸框架

此外，對于加固后增加的恒載及活載，鋼框柱的內力受偏心支撐影響也發生改變(圖4)。偏心設置的Y向支撐使得大部分鋼框梁、柱在無需加固的前提下，承載力均能達到規范要求。需要特別說明的是：在結構電算中應正確設置后加支撐的施工步驟，以正確計算新舊恒載和使用活荷載的相應影響范圍。

(a)軸力N(未設支撐) (b)軸力N(加設Y向支撐)

(c)彎矩M33(未設支撐) (d) 彎矩M33(加設Y向支撐)

(2)對個別仍不滿足規范要求的鋼框柱采用在翼緣焊接鋼板增大截面的辦法，提高其壓彎承載力。需要注意的是，由于該工程的基礎為鋼筋混凝土杯口基礎，如對底層柱進行增大截面加固，則對原有杯口基礎處理存在很大的現場作業難度。因此，該工程通過多輪的調整，使得設置偏心支撐后首層鋼柱承載力均能滿足要求，極大地縮短了工期，降低了基礎處理的成本。

(3)鋼梁加固分為梁底加固與梁側加固兩種類型(圖5)。為解決局部荷載增加引起的跨中抗彎承載力不足問題，采用在梁底焊接倒T型鋼梁與貼焊扁鋼的方法，加固范圍為梁跨中2/3范圍。為解決鋼梁腹板高厚比不滿足的問題，采用在梁側增設橫向加勁肋方法。

圖5 梁底焊倒T梁(扁鋼)與梁側設橫向加勁肋

(4)由于建筑功能的改變，需在原建筑的四層西側及南側新增懸挑區域。其中西側懸挑區域結構外挑跨度約5.4m，采用圖6所示桁架方案，有效解決了懸挑區域變形過大與承載力不足的問題。對于A軸南側僅2m的懸挑跨度，則結合Y向鋼框梁剛接的做法，增設剛接懸挑梁。

圖6 四層大懸挑區域做法

(5)由于原建筑為船廠的生產廠房，首層層高8.5m，其余各層高均為6.3m，新增樓梯均為四跑樓梯，為盡量減少新增樓梯引起的荷載增量，避免不必要的加固，在確保建筑使用功能和防火性能的前提下，鋼梯面層均不設置現澆混凝土面層。此外，基于梯柱尺寸受限，新增梯柱采用吊柱的方案，有效避免了由于受壓穩定性帶來的尺寸過大問題。

(6)底層支撐根部加固。對首層設置落地支撐的位置，采用如圖7～圖9所示做法，先將鋼支撐下端與鋼柱根部焊接，然后對柱根位置使用鋼筋混凝土外包加強，形成整體式外包剛接柱腳，兼顧了結構安全性與施工便利性。

圖7 支撐根部加固大樣

圖8 支撐下端焊接大樣

圖9 柱根外包大樣

4 綜合應用裝配式技術

“船政文化馬尾造船廠片區保護建設工程項目”是福建省首個在加固改造工程中綜合應用裝配式技術的項目。根據《福建省裝配式建筑評價辦法(試行)》[9](以下簡稱《評價辦法》)的規定，擬采用的裝配式方案為：

(1)主體結構采用鋼結構，水平構件采用壓型鋼板組合樓蓋與輕鋼屋面；

(2)圍護墻和內隔墻均采用裝配式外墻和裝配式內墻，符合內墻非砌筑要求；

(3)實施全裝修；

(4)設計及施工階段均采用BIM技術，建模細度達到LOD4.0標準。

該項目的裝配式方案已通過省市有關行業主管部門的工業化認定。根據《評價辦法》，裝配率大于60%，符合A級裝配式建筑標準。改造前后的建筑效果對比如圖10所示。

5 結語

該工程為鋼結構工業建筑的改造，通過設置Y向偏心支撐，顯著提高了建筑的整體性能。加固方法充分考慮了后加支撐的施工步驟影響，節點設計兼顧了結構安全性與施工便利性，具有較好的參考價值和借鑒作用。該項目設計團隊以此加固改造方案拋磚引玉，希望能有更多的設計團隊在相關改造項目中能進一步將船政文化精神遺產在新時代發揚光大。

圖10 改造前后建筑效果對比