某汽車4S店鋼結構展廳加固設計案例分析

張 濤，王志明，花 雷

(1.華誠博遠工程技術集團有限公司,江蘇 南京 210009; 2.典筑設計集團有限公司,江蘇 南京 210004; 3.南京博環環保有限公司,江蘇 南京 210009)

0 引言

近年來,隨著新能源技術的推廣,作為天然清潔能源的光伏發電得到了更為廣泛的應用,將光伏板和閑置的屋面結合起來,逐漸成為一種常見的發展模式。輕鋼屋面一般面積較大、四周無遮擋、陽光充足、安裝施工方便快捷等優點,成為了安裝光伏板的最優選擇。然而,輕鋼屋面的特點是跨度大,自重較輕,對新增荷載比較敏感。屋面增加光伏板后,通常會引起原有結構承載力或變形不能滿足規范要求,需要對原結構進行加固。另外,鋼結構的加固尚需要兼顧經濟性,僅僅滿足設計規范[1-2]的要求不一定具有可行性。

1 工程概況

某汽車4S店,位于南京市江寧區,該建筑為單層輕型鋼結構展廳,采用圓鋼柱和屋面鋼桁架的結構形式,平面外采用鋼聯系梁作為抗側力構件,屋面為雙層彩鋼板,C型鋼簡支檁條,獨立基礎。建筑檐口高度4.5 m,柱距6 m,建筑面積為800 m2。自2009年竣工交付以來,一直作為某汽車4S店展廳使用,期間未進行過建筑使用功能的改變及結構構件的拆改。原建筑現狀如圖1—圖3所示。

2 結構安全性及抗震鑒定

某汽車4S店委托了檢測單位對該建筑進行了結構安全性及抗震性能的檢測鑒定,鑒定報告主要結論如下。

2.1 安全性鑒定

1)根據現場檢查,未發現展廳出現因地基承載力不足或地基變形引起的上部結構明顯開裂和變形。評定地基基礎[3]安全性等級為Bu級。

2)上部結構整體外觀未見明顯損傷,屋面板銹蝕嚴重,檁條及檁托輕微銹蝕,主體鋼架完好,鋼構件表面涂層未見損傷。結構無明顯側向位移,極限承載力滿足安全要求。評定上部承重結構安全性等級為Bu級。

3)圍護系統為玻璃幕墻,與主體結構連接可靠。評定圍護系統承重部分的結構整體性安全性等級為Bu級。

根據GB 50292—2015民用建筑可靠性鑒定標準[4]對該建筑進行安全性鑒定,綜合評定該建筑結構安全性等級為Bsu級,在正常使用條件下,可以安全使用。

2.2 抗震鑒定

根據GB 50023—2009建筑抗震鑒定標準[5],后續工作年限為36 a,按B類建筑對該建筑進行抗震鑒定。展廳主體結構抗震構造措施基本滿足抗震設防烈度7度,丙類建筑的要求,抗震承載力滿足設計要求。

3 建筑屋面改造

現應建設方要求,鋼結構[6]屋面改造主要為以下幾個方面:1)屋面增加光伏板;2)屋面新增輕質吊頂;3)屋面新增噴淋系統;4)拆除內部隔層,四周圍護墻出新。改造以后剖面圖如圖4所示。

改造后屋面屋面荷載取值如表1所示。

表1 屋面恒荷載標準值取值 kN/m2

4 加固設計參數的確定及計算分析

改造之前,假定檁條作為上弦平面外支撐,下弦平面外計算長度按照實際長度,經建模計算,計算簡圖如圖5所示。

可見,加固前由于未設置屋架縱向支撐,桁架平面外計算長度與原設計不一致,導致下弦穩定承載力及平面外長細比均超出規范要求。檢測報告對桁架平面外計算長度的取值未有體現,而報告結論中桁架承載力計算結果滿足要求,值得商榷。

按GB 55021—2021既有建筑鑒定與加固通用規范[7]第5.1.3條及《南京市既有建筑維修改造項目施工圖設計文件技術性審查工作指南(試行)》[8]的規定,本建筑后續工作年限為40 a,為B類,按01系列抗震規范[9],水平地震影響系數最大值取0.9αmax。原結構剩余工作年限為36 a,本設計后續工作年限為40 a,延長了原結構的工作年限,故按GB 50068—2018建筑結構可靠性設計統一標準[10]的荷載組合系數進行計算分析。

5 結構加固設計

按照改造后的屋面荷載,建模初步試算。根據試算結果,該建筑存在以下問題:1)屋面局部桿件最大應力比為大于1.0,承載力不滿足要求;2)標準值作用下屋面桁架最大節點位移60.2 mm,大于允許位移20×1 000/400=50 mm,變形不滿足要求(見圖6)。

針對以上問題,鋼桁架平面外增加系桿以減小平面外計算長度,腹桿采取增大截面方式提高承載力,下弦設置水平拉桿以減小豎向節點位移,計算簡圖如圖7—圖10所示。

加固后,基本組合作用下,上弦桿最大應力比為0.81<1.0,下弦桿最大應力比為0.74<1.0;標準組合作用下跨中豎向最大位移為40 mm<50 mm,承載力和節點豎向位移均滿足要求。

下弦拉桿采用3φ25普通圓鋼,查看應力簡圖,圓鋼軸力標準值為195 kN,每根圓鋼分擔195/3=65 kN。圓鋼在軸力作用下會產生伸長變形,自身軸向伸長變形量為ΔL=N×L/(E×A)=(65×1 000×20×1 000)/(206×1 000×490.9)=12.85 mm。

以桁架與柱連接點為圓心,以10 006 mm長度為半徑做圓,交跨中豎向軸線于一點,此點距柱頂水平連線為336 mm。即由于圓鋼自身軸向變形的存在,圓鋼在承受65 kN力的時候,豎向位移為336 mm,水平向圓鋼拉桿并不能阻止鋼桁架節點的豎向位移。圓鋼軸向變形放樣圖如圖11所示。

為解決圓鋼軸向變形及應力松弛的問題,每根圓鋼預加75 kN的預拉力,將圓鋼自身的軸向變形抵消。對于應力不滿足的腹桿,將新增腹桿切割為兩個半圓,從兩側包住腹桿,在新增腹桿側面及兩端焊接,如圖12所示。

綜上所述,本設計加固的基本思路如下:

1)屋面桿件承載力不滿足,采用擴大截面的方式加固,可滿足承載力要求。

2)增加屋架平面外支撐,以減小桁架平面外計算長度。

3)屋面節點位移不滿足。屋面桁架下弦可采用普通拉桿(張緊的圓鋼)和預應力鋼筋兩種方案,在屋面變形超限不大的情況下采用普通拉桿的方式,施工簡單、經濟,亦能滿足變形要求。

6 結論

鋼結構常用的加固方式[11]為增大截面、粘貼鋼板、改變原結構體系、增加體外預應力等。加固設計時,應先根據安全等級和預設的后續工作年限,確定建筑類別,選用相應的設計規范進行加固設計。鋼結構的加固設計應綜合考慮原建筑的結構的形式、現場加固施工的條件、加固的經濟性及加固施工方法的可行性,采用一種或多種加固方式組合的方法,盡可能使結構的計算模型與加固后的實際受荷工作狀態一致。同時,新建鋼結構廠房的設計宜做長遠考慮,屋面預留安裝光伏板的荷載,前期投資有所增加,但與后期再加固的費用相比,仍然是較為經濟的方法。