上海某酒店木結(jié)構(gòu)遷建古宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

摘 ? ?要：上海某酒店木結(jié)構(gòu)古宅屬遷建工程，原結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的硬山式穿斗木構(gòu)架承重單層結(jié)構(gòu)，按新的建筑使用功能要求，結(jié)構(gòu)體系有了很大的變化。本文對(duì)照木結(jié)構(gòu)的規(guī)范要求，判斷新的結(jié)構(gòu)體系下，木結(jié)構(gòu)布置和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造落實(shí)的可行性。采用3D3S和SAP2000程序?qū)Χ鄠€(gè)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行計(jì)算，分析比較在地震力、風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的位移和基地剪力在木結(jié)構(gòu)和鋼框架之間分配，從中選擇出合理的結(jié)構(gòu)方案，并做了節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和鋼框架與圍護(hù)墻之間關(guān)系的問(wèn)題研究，最后根據(jù)專(zhuān)家意見(jiàn)作了調(diào)整，使得遷建古宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可行。

關(guān)鍵詞：遷建木結(jié)構(gòu);多方案比較計(jì)算;問(wèn)題研究和專(zhuān)家意見(jiàn)

1 ? 工程概況

本項(xiàng)目26個(gè)院落中存在利用傳統(tǒng)舊建筑材料建造的木結(jié)構(gòu)古宅，古宅屬遷建工程，原為江西民居，建于清代末年。原結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的硬山式穿斗木構(gòu)架承重單層結(jié)構(gòu)，外圍有空斗墻體作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。屋架體系基本為雙坡屋面，局部有單坡屋面。根據(jù)原屋架結(jié)構(gòu)的平面布置，可將古宅木構(gòu)架分為上堂、正堂和下堂三個(gè)單體結(jié)構(gòu)，局部有夾層。兩側(cè)有排山架，局部存在硬山擱檁的情況。上堂為單坡屋面，屋架擱置于外圍空斗墻，木柱均直接置于石柱礎(chǔ)上。

2 ?建筑改建需求及結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)

按新的建筑使用功能，在古宅下方增加一層地下室，用于辦公、儲(chǔ)藏及設(shè)備用房。地下室采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，木柱通過(guò)石柱礎(chǔ)立于混凝土梁上，柱腳為鉸接。一層平面在保持屋面形態(tài)不改動(dòng)的前提下，為滿足一定的舒適性和實(shí)用性，在下堂將兩榀屋架整體向兩側(cè)移動(dòng)，布置兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的房間。移動(dòng)后中間檁距過(guò)大，利用內(nèi)隔墻新增一榀木屋架。正堂兩榀屋架拔除三根中柱，以獲得較開(kāi)敞的室內(nèi)空間，遵從原穿斗屋架的形式重新設(shè)計(jì)拔柱后的屋架，對(duì)于內(nèi)力大的構(gòu)件，適當(dāng)增大其截面用新木材替換，或采用鋼構(gòu)件替換。

3 ?規(guī)范要求及本項(xiàng)目中對(duì)應(yīng)落實(shí)可行性

結(jié)構(gòu)布置的要求對(duì)應(yīng)的落實(shí)情況中，滿足《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]的有三項(xiàng)，不滿足的有四項(xiàng)，一項(xiàng)因?qū)υY(jié)構(gòu)布置改動(dòng)較大，需補(bǔ)充抗震驗(yàn)算。節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的要求對(duì)應(yīng)的落實(shí)情況中，滿足木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的有三項(xiàng)，不滿足的有一項(xiàng)。

4 ?多個(gè)結(jié)構(gòu)方案的對(duì)比研究

4.1 ?方案A：穿斗木屋架結(jié)構(gòu)

4.2 ?方案B：穿斗木屋架-鋼支撐結(jié)構(gòu)

4.3 ?方案C：外套鋼框架的穿斗木屋架結(jié)構(gòu)

4.4 ?各方案在地震作用下的水平位移

本工程采用3D3S程序進(jìn)行計(jì)算，并用SAP2000程序進(jìn)行復(fù)核計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示，單純?yōu)槟究蚣艿姆桨窤剛度較弱，在水平地震力作用下的側(cè)向位移不能滿足規(guī)范1/250的限值，增加了交叉支撐或鋼框架后，隨著剛度的提高，方案B、方案C的水平位移均能滿足規(guī)范要求。

4.5 ?方案C在風(fēng)荷載作用下的水平位移

在水平風(fēng)力作用下，結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移與地震作用下相當(dāng)

4.6 ?方案C地震剪力在木構(gòu)架和鋼框架之間的分配

計(jì)算結(jié)果顯示，從基底剪力的分布情況可見(jiàn)，水平地震力在兩個(gè)方向都主要由鋼框架承擔(dān)，木框架在方案C中以承受豎向力為主。

4.7 ?方案比選結(jié)論

方案A 木結(jié)構(gòu)屋架在靜加活重力荷載組合下，柱以軸心受壓為主。在水平地震荷載的作用下，側(cè)向位移遠(yuǎn)大于規(guī)范限值。同時(shí)，水平力導(dǎo)致構(gòu)件出現(xiàn)彎矩，較多構(gòu)件內(nèi)力的強(qiáng)度應(yīng)力和穩(wěn)定應(yīng)力超出了構(gòu)件承載力。需增強(qiáng)結(jié)構(gòu)中抗側(cè)力體系。

方案B 交叉斜撐的布置大大提高了結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，結(jié)構(gòu)側(cè)向位移可控制在規(guī)范限值之內(nèi)。在側(cè)向荷載作用下，柱內(nèi)力以軸力為主。本方案是一個(gè)合適的結(jié)構(gòu)體系，但是對(duì)建筑使用功能有很大的影響。

方案C采用外圍鋼框架加強(qiáng)木結(jié)構(gòu)，能明顯約束木結(jié)構(gòu)的水平位移，使結(jié)構(gòu)位移角明顯減小，故確定選用方案C作為古宅的結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需采取可靠措施增強(qiáng)鋼柱與木柱的連接。

5 ?節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

5.1 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)一：加強(qiáng)梁柱連接，增加結(jié)構(gòu)冗余度

5.2 ?節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)二：加強(qiáng)梁柱連接，增加結(jié)構(gòu)冗余度

5.3 ?節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)三：增強(qiáng)柱腳節(jié)點(diǎn)，傳遞水平剪力

5.4 ?節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)四：外圍鋼框架與內(nèi)部木結(jié)構(gòu)的連接

5.5 ? 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)五：鋼框架柱腳節(jié)點(diǎn)

6 ?問(wèn)題研究—鋼框架與圍護(hù)墻的關(guān)系

6.1 ?鋼框架與圍護(hù)墻體脫開(kāi)或是拉結(jié)兩種設(shè)計(jì)的優(yōu)劣對(duì)比

7 ?專(zhuān)家咨詢(xún)會(huì)意見(jiàn)概要

（1）建議對(duì)每根將利用的木材，均應(yīng)該進(jìn)行檢查，包括對(duì)拆除的原木構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)的材質(zhì)、變形、腐爛、蟲(chóng)蛀、裂縫等。

（1）建議本次仿古房屋主要依據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中的第11章進(jìn)行設(shè)計(jì)，《輕型木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)規(guī)程》[3]可作為參考。

（2）關(guān)于抗震變形驗(yàn)算，建議可控制在1/150左右、建議節(jié)點(diǎn)按照半剛接考慮。

（3）建議本次設(shè)計(jì)在方案A的基礎(chǔ)上，按照7度抗震設(shè)防完善相應(yīng)的抗震措施。

（4）《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]已明確在設(shè)防區(qū)停止采用空斗墻，建議改為實(shí)體墻，在木構(gòu)架立柱處設(shè)構(gòu)造柱與木柱間以鋼構(gòu)件柔性連接。

（5）承載力設(shè)計(jì)可采用50年的基準(zhǔn)期的各參數(shù)，但由于原木構(gòu)件使用早已超過(guò)50年，文件中是否再提50年的使用年限，可再斟酌。

8 ?基于方案A 穿斗木屋架的結(jié)構(gòu)體系調(diào)整和計(jì)算

（1）由于層間位移角限值放松，不需再通過(guò)外圍鋼框架控制木構(gòu)架側(cè)移。因此，將外圍鋼框架與木構(gòu)架脫開(kāi)，外圍鋼框架抵抗風(fēng)荷載，木結(jié)構(gòu)承擔(dān)屋面的重力荷載，承擔(dān)重力荷載代表值下的地震力，計(jì)算外圍墻在水平力作用下的側(cè)向位移，計(jì)算結(jié)果最大層間位移和最大頂點(diǎn)位移在風(fēng)荷載和地震力作用下均滿足規(guī)范要求。

（2）節(jié)點(diǎn)按半剛接考慮，計(jì)算模型中，采用兩種方式實(shí)現(xiàn)榫卯節(jié)點(diǎn)半剛接的模擬。

模型1 ：梁截面按實(shí)際尺寸輸入，梁端設(shè)鉸，選取1/3左右的節(jié)點(diǎn)設(shè)為剛接，以成為幾何不變體系，同時(shí)模擬半剛接的實(shí)際剛度。

模型2 ：梁截面按1/2實(shí)際尺寸輸入（相當(dāng)于榫卯尺寸），所有梁端設(shè)為剛接，模擬半剛接的實(shí)際剛度。

兩種計(jì)算模型在同樣的荷載作用下，側(cè)向位移基本一致，模型1中兩端鉸接的梁內(nèi)力與模型2中的同位梁計(jì)算結(jié)果基本一致。

計(jì)算模型均采用模型2 ，按此內(nèi)力結(jié)果確定所需構(gòu)件截面。

9 ?結(jié)論

本工程屬于結(jié)構(gòu)體系較為特殊的改建建筑。比較分析并論證了多種結(jié)構(gòu)方案的可行性，經(jīng)過(guò)合理地布置，對(duì)重要構(gòu)件及體系中各薄弱部位分別加強(qiáng)，采用3D3S和SAP2000兩種計(jì)算軟件進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)算，使得結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)安全可行。

參考文獻(xiàn)：

[1] GB 50005—2003（2003版）.木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB 50011—2010（2016版）.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] DG/T 08-2059-2009.輕型木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)規(guī)程[S].

作者簡(jiǎn)介：

武蓮霞， 高級(jí)工程師，碩士，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師。