西昌市某既有建筑上部结构加建改造方案技术经济分析

周礼婷，邱锋，龙贤明，沈琪雯

（中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 400013）

1 工程概况

项目位于四川省西昌市经久工业园区，为炼铁项目部生产辅助用房，主要功能为办公室、炼铁点检室，于2012 年竣工。既有建筑为“L”形地上2 层钢筋混凝土框架结构，分为上下两个独立结构单元，建筑高度10.8 m，建筑面积2 733.66 m2，平面布置详见图1。

图1 既有建筑平面图

为满足改造后作为厂区集控中心的大跨度、大空间使用要求，将建筑平面原本L 形的结构补齐缺口，合并原本两个结构单元为矩形，详见图2；同时在既有建筑顶部增加一层大空间，跨度22.5 m，层高9.5 m；建筑总高度16.7 m，建筑总面积4 280 m2；夹层建筑平面详见图3、剖面图见图4。

图2 改造后建筑平面图

图3 夹层建筑平面图

图4 剖面图

工程场地为抗震不利地段（高填方达到20 m），场地类别为Ⅲ类，抗震设防烈度为8 度；设计基本地震加速度为0.30 g，设计地震分组为第三组，基本风压0.40 kN/m2，地面粗糙度类别B 类，原设计使用年限为50 年，设防类别为丙类，安全等级一级；改造后后续使用年限40 年，设防类别为乙类，安全等级二级。

2 改造加建目的及可能性分析

我国的城市开发建设正处在由以增量建设为主转向存量提质改造和增量结构并重的阶段，加固改造的特点也从“结构安全为主的加固＋局部建筑功能的改造”向“大拆大改为主＋被动性结构加固”模式转变[1]。根据业主要求，该项目改造加建后作为厂区集控中心并满足大跨度、大空间使用要求（如图3、图4）；加之既有建筑现为二层，原设计图纸为三层，极大程度增加了加建的可能性。对既有建筑结构的改造及加固，包括了建筑整体或局部使用功能变化引起的结构承载力不足，未进行抗震设防的既有建筑物及虽进行抗震设防但未能达到现行抗震设防标准的既有建筑物的加固。其设计的顺序应该是先结构体系的加固后结构构件的加固[2]。结构加固方案应技术可靠、经济合理、方便施工。基于此原则，对应该工程加建改造设计，总体要求是：1）加建结构本身满足现行设计规范的要求；2）加建结构对主体结构的影响减到最低，主体结构的加固成本最低。

3 加建方案

根据《建筑抗震设计规范》：GB50011—2010（2016 版）[3]该工程现需考虑近场效应，水平地震影响系数最大值为0.375（0.25×1.5），改造后原节点核心区（95%）抗剪承载力、梁纵筋（95%）严重不足；根据抗震鉴定报告，该工程抗震措施和抗震验算均不满足《建筑抗震鉴定标准》GB 50023—2009[4]的要求；加之由于功能改变，设防类别由丙类提高到乙类，如果不改变原结构体系，结构抗震等级将由二级提高到一级，因此该工程采用改变结构体系的方式对原结构进行改造[5-6]，将底部两层框架结构变为框架—剪力墙结构，保证框架的抗震等级二级不变；或在底部两层设置屈曲约束支撑BRB[7-8]降低地震效应；加建层由于层高较高，竖向构件位置、数量受到限制，故在四种方案中结构主体四周均设置钢支撑[9]以满足位移指标；屋顶增加的大跨则分别采用混凝土、钢结构。最终组合形成4 种方加建案（表1）。

表1 加建方案

设计过程中对四种方案计算指标（YJK）计算如下（表2）：

表2 加建方案计算指标

根据计算指标对比分析得出：四种方案中除方案2 外均满足指标要求；其中方案二由于大跨屋面是轻钢屋面，故结构第一地震周期是屋面钢结构部分的X 向局部振动，屋面加水平支撑后其第一振动周期与第一、第三方案基本保持一致。同样地，最大层间位移角也因为大跨Y 向竖向构件薄弱，不满足规范要求；对比结构自振周期得出，方案1—3 基本持平，方案4 较大，可见结构形式（底部两层框剪）对自振周期起主要作用，加建层为混凝土或钢结构则影响不大；对比底部剪力得出，方案2 因为总体质量最小，地震力也对应最小，方案4 底部剪力最大。

4 方案经济技术对比

根据前文确定的加建方案，依次计算出新建和加固总费用见表3。

表3 加建方案造价对比

对比加固费用得出：方案4 因为结构体系未发生改变，抗震等级提高，导致构件承载力大面积不足，加固费用大幅提高。对比加建费用，因只要加建层局部大跨采用钢结构材料，钢材耗费较大，经济性并未得到体现。反而方案1 加建费用最低。

综合对比经济、技术指标得出：方案一最优，方案四较好，方案三可行但造价最高。原结构抗震等级二级，若采用方案一，改造后框架抗震等级仍为二级、剪力墙抗震等级为一级，根据该工程抗震鉴定报告，梁柱构造措施不满足规范要求的部位，不需要进行处理。若采用方案四，消能部件附加阻尼比最大为25%，此时，消能减震与非消能减震的地震影响系数比值约为0.55 ＞0.5，无法做到降低一度。

综合以上因素，优先采用方案一。

即底部两层框剪+新增大跨层（混凝土柱+钢梁+混凝土屋面）。底部剪力墙250 mm，混凝土强度等级C35，分布位置详图5。

图5 底部两层剪力墙分布位置

根据抗震鉴定报告，原设计未考虑近场效应，且原设计节点核心区抗剪承载力严重不足。柱主要采用增大截面法[10]、梁端加腋法加固：中柱截面大部分由600×600 加大为700×800，边柱及角柱大部分由600×600 加大为1 000×1 000；梁主要采用增大截面法、粘碳纤维加固法；板主要采用粘贴钢板法加固。

加建层层高9.5 m，主要构件截面尺寸如下：边柱截面1 000×1 000 mm，屋面钢梁主要截面为H900×350×25×350×25；由于该层层高较高，构件增大后整体刚度增大、地震作用相应增大，层间位移角超限，故该层在四周增加柱间支撑，型号为：H400×350×20×20；钢材强度等级均为Q355B（除支撑Q235B 外）。屋面采用压型钢板与混凝土组合楼板，压型钢板型号YXB54-185-555(B)，板厚120 mm。计算模型如图6。

图6 夹层柱间支撑平面布置图

图7 YJK 计算模型

5 结论

对于部分“大拆大改为主”的加建建筑，应充分考虑加建方案经济技术指标的对比。西昌某实际工程，加建改造第三层为大跨度集控中心，底部两层为使结构抗震等级不变由框架体系改造为框剪，第三层加建改造则通过混凝土柱、钢梁、混凝土屋面等实现大跨度集控中心功能，同时也满足技术、经济指标的相对优化，可为类似工程提供参考。