采用贴建钢结构的某砌体宿舍楼更新设计

贾媛媛 朱玉佼 李雪 薛荣刚

1.北方工程设计研究院有限公司 石家庄050021

2.河北建研工程技术有限公司 石家庄050021

引言

随着我国经济的高速发展，城市在不断更新，一些既有建筑在建筑面积和功能上已不能满足人们日益增长的需求。而拆除旧建筑、建造新建筑的工程量大、周期长、造价高，因此既有建筑改扩建是一个很好的选择，其有周期短和经济、环保的优势。

改扩建工程中最关键的是结构方案的选择。结构方案合理与否直接关系到既有建筑改扩建工程的成败，不合理的结构方案会造成改造成果不理想，影响正常使用，严重的还会影响结构的安全［1］。本文以某学员宿舍楼为例，对砌体结构改扩建的结构方案选择进行了探讨，对贴建工程如何与原结构脱开及上部结构整体稳定性等技术难点进行了分析研究。

1 工程概况

某学员宿舍为地上五层砌体结构，屋（楼）面板主要采用预制板，墙下条形砖基础，约建于1980年，建筑东西总长约为65m，南北总宽约为13.2m，总建筑面积约为4457m2。为改善学员阳台条件，改扩建设计在原建筑物南、北侧新增开间同原结构、进深为2.15m，作为学员宿舍的卫生间。扩建改造后总建筑面积为5398.3m2，扩建部分与原建筑平面关系见图1。

图1 扩建部分与原建筑平面关系Fig.1 Plan relation between expansion part and original building

根据该建筑物的检测鉴定报告，该建筑物部分墙体存在裂缝，裂缝宽度介于0.22mm～0.56mm之间；原砖砌条形基础截面尺寸偏差不满足规范［2］要求；原混凝土梁多数不满足规范［2］关于强度最低值的要求，其截面尺寸偏差不满足规范［2］要求；个别墙体受压承载力不满足规范［2］要求。

2 方案比选

若扩建部分采用框架结构，砌体结构与框架结构为一个整体结构体系混合、传力不明确［3］。

若扩建部分采用砌体结构与原砌体相连，结构形式不变，需将原结构进行整体抗震加固、抗震构造措施加固及损伤部位修复［4］，原有砖砌条形基础因荷载增大，原承载力不足，尚需对基础进行加固。原建筑基础已沉降稳定，新旧基础相连会出现不均匀沉降，进而引起墙体开裂等不利影响，且新增部分基础持力层落在2层土黄土状粉质黏土，该层土具有Ⅰ级（轻微）非自重湿陷性，承载力较低，工程性质欠稳定。

建设单位要求扩建改造设计的结构方案合理、经济，且改扩建施工时须保证原学员宿舍正常使用。

综合以上分析，最终确定采用扩建部分与原建筑物各成体系的贴建钢结构方案。该方案不改变原砌体结构构件尺寸和受力状态，原砌体结构外墙厚度370mm，与贴建外墙预留变形缝宽度为100mm［4］。为减轻上部结构重量，采用钢框架结构，外墙采用轻质外挂墙板。为增加贴建结构整体性，每隔一跨布置柱间支撑。

3 贴建改造设计的难点

3.1 贴建基础的设计

桩基础设计的问题主要在于贴建部分基础与原砖砌条形基础相互脱离、互不干扰，二者分别受力。该项目通过设置主桩主要承受柱下轴向压力，主副桩共同抵抗柱底弯矩，各桩基承台之间用300mm×600mm现浇混凝土连梁连为整体，承台底标高与原条基底标高相同，避免施工时对原条基的扰动。桩基础与原房屋外墙条形基础的相对位置关系见图2。基础形式采用桩基础，桩基可穿越湿陷土层，持力层落在承载力较高的土层上，竖向变形较小。由于新增桩距离原建筑物较近，大型成孔机械无法施工，且为了避免施工对原砖砌条形基础的扰动，主桩成孔方案采用人工成孔，距离原建筑墙边稍远的副桩可选用机械成孔［5］。

3.2 贴建钢结构的抗倾覆设计

贴建建筑的高度为17.98m，进深较小为2.05m，高宽比为8.77，大于7度地区高宽比限值6.5。用盈建科建筑结构设计计算模块A2.0.3建立的仅有贴建部分的钢结构计算模型，该模型计算结果在Y向风荷载、Y向地震作用工况下零应力区分别为91.73%、100%，不满足《建筑抗震设计规范》［4］4.2.4条高宽比大于4的建筑，基础底面不宜出现零应力区的要求。

图2 桩基与原砖砌条基相对位置关系Fig.2 Relative position of pile foundation and original brick strip foundation

为防止贴建部分发生倾覆，每层均在钢框架节点处与原砌体结构间设置连接件进行拉结。为确保贴建钢结构与原砌体结构在竖向自由变形、互不影响，即贴建部分竖向变形不影响原条基的沉降稳定，将连接件竖向螺栓孔设置为长圆孔；在水平方向协同工作，连接件上设置长圆孔允许有一部分水平位移，超出设置的水平位移限值后，新老建筑在水平方向共同作用，见图3。

图3 抗倾覆连接节点Fig.3 The connection node of anti overturning

4 贴建钢结构抗倾覆整体验算

贴建钢结构与原砌体结构协同工作，不传递竖向力及弯矩，只传递Y向风荷载作用下或地震作用下的水平力，采用盈建科建筑结构设计计算模块A2.0.3建立贴建钢结构与砌体结构的整体计算模型，设置短梁连接新旧建筑，梁端设置为铰接，验算在Y向风荷载及Y向地震工况作用下原砌体结构的抗震计算结果。

图4为整体模型底层抗震计算结果。砌体结构部分抗震计算结果均大于1，满足《建筑抗震设计规范》要求［4］，保证该贴建钢结构方案不对原砌体结构的安全产生影响，并且达到了避免贴建钢结构倾覆的目的。贴建部分钢结构单独建立模型进行常规分析和设计。

图4 整体模型底层抗震计算结果Fig.4 Seismic calculation results of the bottom layer of the whole model

5 结语

1.贴建钢结构的宽度小，基础采用主桩与副桩结合的方式，该种形式桩基础受力稳定，且能与原基础脱离，不影响原条基。

2.贴建钢结构高宽比较大，采取抗倾覆措施。新旧建筑设置只传递水平荷载的连接节点，在竖向自由变形，在水平向协同工作。

3.贴建钢结构与原结构脱离、各成体系，不影响原结构的受力状态，施工过程不影响原建筑的使用，满足使用需求。