既有建筑空间改造与结构技术分析

边胜伟

(中铁二十二局集团第三工程有限公司，福建 厦门 361000)

1 引言

近年来，许多学者将目光转向既有建筑空间改造，力图通过老旧建筑改造和结构加固达到空间再利用的目的。其中，胥刚[1]引入城市建筑整治项目案例，进行加固与节能改造，综合使用喷射钢筋混凝土板墙补强技术、植筋技术、压力灌浆补强技术等，实现老旧建筑结构优化。黄修月[2]论述了空间改造与结构技术的应用价值，对比增大截面积法、混凝土加固法、粘贴钢板法等的异同和优势。本文总结已有研究成果，以福建省厦门市某大跨度厂房改造为例，对其参数计算细节、方案设计细节等进行论述，重点提出新增柱网支撑方案和增设支点加固方案，有效减少工程量，提升建筑改造质量。

2 项目概况

福建省厦门市某地旧厂房占地面积43 652 m2，中间部分为组装车间，南北各设一个开敞通道，四周设置4 个构件加工磨削车间，环绕组装车间布局，两侧为辅助用房，除中部组装车间净空较高外，其余功能区屋盖高度均一致。厂房初建时采用轻钢结构，主车间采用三跨门式刚架设计方案，底部使用铰接方式固定，且中柱为顶部铰接摇摆柱，单层架构，高度为18.3 m，辅助用房为双层架构，檐口高度为11.75 m。改造环节需将组装车间屋面加高至20.3 m，辅助用房预留8.5 m 净高，以满足新型生产设备布局需求。

3 方案设计

对现场情况进行摸排调查后，初步制订两种不同的改造方案：一是直接加固方案。新柱网与旧刚架结构相连接，以节省新增结构柱的步骤，减少成本支出，降低对建筑地基的不利影响，但其局限性明显，新结构载荷沿旧结构传递，易造成垮塌，需进行大量的加固防护。二是新建柱网，使之脱离旧有支撑体系单独存在，虽会带来柱网冲突风险和地基沉降风险，但加固工程量较小，稳固性更有保障。经过可行性论证，最终确定使用方案二。改造工程范围内土层性质较特殊，残积黏性土埋置较深，厂房初建时使用换填法处理，换填材料为砂石，换填标高为-2.000 m，如果直接将新建部分落于老土层上，则开挖深度可能超过原基础，易造成失稳风险。因此，决定引进高压旋喷桩处理方式，对地基进行加固(见图1）。综合考虑后使用双管旋喷桩，设计承载值为200 kPa，管径为500 mm，同时采取优化措施，以防止喷射压力带来扰动。施工采用跳打方案，以旧基础为中心，遵循先近后远的基本原则，注浆压力为20 MPa，水泥材料中掺入早强剂[3]。施工前进行了系统的配比试验，最终确定水灰比为0.8～1.2。在确定喷浆压力、水灰比的基础上，精准制备水泥浆液，并在现场打设数根试验桩进行试桩试验，将搅拌机提升速度确定在15 cm/min。新建结构区域范围内存在1 根体积较大的中跨钢梁，建设方希望拆除以扩大开敞空间，但结构分析后认为钢梁拆除后，旧有门式刚架结构无法从摇摆柱上获取充分的载荷支撑，必须通过铰接节点改造，使之成为刚接结构才能确保稳定性，且梁柱、基础等均需要改造加固，因此，最终确定了保留中跨结构，设置隅撑檩条的方式。

4 结构分析

改造结构应区分新建、旧有结构，新建结构屋面需高出旧有结构屋面原有水平，底部跨度为34.2 m，采用钢桁架结构形成独立支撑体系。屋面恒载设计值为0.25 kN/m2。综合分析后使用Q345 高强度钢材，将相关参数输入PKPM-STS 平台计算，结构示意如图2所示。由于原厂房建设年代久远，门式刚架的设计规范和行业标准经过多次调整，初时依据CECS 102—1998《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》，与现行GB 51022—2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》存在一定差异，因此，相关参数需重新计算。按现行规范分析，结构中使用的构件基本满足刚度要求，但构件1 和构件2 在部分指标上出现偏差，强度和稳定性不符合要求。其中现行规范要求梁最大应力不超过305 MPa，但边跨梁应力计算结果超载，已达384 MPa，原因在于中跨部分采用新建结构方案，旧刚架中跨被废弃，故两侧边跨受力结构变更，跨中弯矩增大。而旧有厂房结构设计过程中，为提升设计简洁性，在很多区域使用了满应力方案，钢材强度消耗严重，结构整体的安全储备不足，当载荷发生变更时，易出现应力超载、失稳等问题，后续可能需通过加固改造的方式提升承载上限。

5 空间改造与结构技术要点

5.1 支撑布置

考虑到既有建筑空间、结构改造环节，采用新建钢结构方案，屋面体系高出原有结构水平，因此，水平支撑的可靠性对结构产生较大影响。现场评估论证认为改造结束后，新屋面体系与旧体系之间存在两个显著区别。

1）中跨风载荷作用差异。由于中跨部分拆除屋面板，所以风载荷减小，可适当简化结构构造。操作时仅保留部分檩条，使其继续发挥隅撑作用，同时保留水平撑杆和交叉杆，以提升稳固性。针对边跨受力结构变更问题，改变原有隅撑间隔设置，采用逐一设置的新方案，每根檩条对应一个隅撑，有效缩短了侧向支撑间距，优化屋面整体的受力结构。

2）建筑南北保留开敞通道，可能带来较大的风载荷隐患，导致屋面结构挪移、失稳等问题，因此，在关键轴部位设置水平支撑，与原有结构保持相同柱距，有效提升了屋面结构应对风载荷的能力。考察原有支撑杆状态，更换锈蚀、磨损杆件，确保其刚度强度指标符合使用要求，优化后的屋面支撑体系如图3所示。

5.2 门式刚架加固

5.2.1 加固方案

本次工程中，综合现场调查情况和技术可行性论证，选择增大截面积法进行优化。对于H 形钢梁来说，改造对象主要为钢梁上下翼缘板。这种加固方式应用效率较高，采用型钢结构材料，通过焊接方式使内外部材料形成整体，共同承受新建结构的载荷应力，可较好地解决构件抗弯承载力不足的困境。由于结构跨度较大，部分梁段可能出现外稳定不足情况，应搭配隅撑进行防护，通过缩小隅撑间距改善受力结构。辅助用房加固时同样沿用增大截面法，新结构净空要求使得助用房的组合楼板被拆除，组装车间结构改变，因此，构件载荷传递也发生一定变化，现场需加固钢梁、钢柱以应对应力变化问题，钢柱原本采用H 形结构，通过改造加固为箱形结构，以改善柱体弱轴刚接部分的受力特性。

5.2.2 加固计算

钢结构加固施工前需进行细致、严谨的参数计算，遵照CECS 77—1996《钢结构加固技术规范》对增大面积加固数据进行优化。CECS 77 中指出，补强加固环节需综合考虑强度及稳定性，负载条件下计算的应力比不大于0.55。计算发现，负载条件下二者应力比大于0.55。因此，只能开展卸载加固操作。由于钢结构增大面积加固环节，使用焊接稳固方法，故焊接技术的应用也会间接影响结构稳定性。焊缝大小是其中的关键性因素，要结合截面剪力、焊缝强度设计值等计算得出。增加截面后，构件几何特性变更，连接焊缝厚度、强度等均需重新计算。

5.3 节点设计

增大截面法加固会涉及构件连接节点问题，若单一采用钻孔焊接方式，可能会造成残余变形应力，且节点位置选择不当，过于贴近高强螺栓，还可能造成热影响变形的情况。因此，如何选择节点、设置节点就成了加固环节要考虑的重点问题。对于钢梁翼缘加固施工项目来说，需要在上下缘板部分增设钢板，此时可能带来焊缝收缩、钢板拱曲风险，实践中可以采用搭配焊接的方式，在中部使用开孔塞焊手法，端部则改用正面角焊方法，试验后发现该种方法表现良好，后续还可以增设劲板进行补强防护，防止出现补强不到位的情况(见图4）。工程部分区域采用ALC 轻质隔墙体系进行功能区分割，立柱设置环节采用连接板固定在钢梁之上，连接板一侧连接主体封口板，另一侧与梁体下翼缘焊接，以达到稳固的目的。注意连接节点设置时要避开梁体端板，这是因为端板部分设置高强度螺栓，焊接可能造成螺栓松动，导致结构失稳等后果。此外，钢梁自体加固处理主要采用加焊T 形钢的处理方式，可较好地降低应力比，上下翼缘最好采用梯形贴板以提升整体强度，保证两端弯矩传递的顺畅性。钢柱柱脚节点设计时要合理布置抗剪键位置，旧有抗剪键位于柱体中央，加固难度较大，设计时可在两侧新增抗剪键以提升抗剪性能。

6 结语

既有建筑空间改造与结构技术应用可提升空间利用率，缓和城区土地资源紧张压力，保障经济与社会效益的双重提升。实践中务必要正视其功能价值，结合现场调查结果，选用适用的加固改造方案。使用增大面积加固法时需充分考虑结构应力、构件几何特性等因素，根据现行设计规范重新验算结构强度刚度指标。同时，考虑新结构造成的空间影响、载荷影响，做好支撑设置工作。节点选择应尽量远离高强度螺栓，减少钻孔焊接方法的使用频率，以降低焊接热影响，为工程整体质量的提升奠定基础。