某汽车4S店钢结构展厅加固设计案例分析

张 涛，王志明，花 雷

(1.华诚博远工程技术集团有限公司,江苏 南京 210009; 2.典筑设计集团有限公司,江苏 南京 210004; 3.南京博环环保有限公司,江苏 南京 210009)

0 引言

近年来,随着新能源技术的推广,作为天然清洁能源的光伏发电得到了更为广泛的应用,将光伏板和闲置的屋面结合起来,逐渐成为一种常见的发展模式。轻钢屋面一般面积较大、四周无遮挡、阳光充足、安装施工方便快捷等优点,成为了安装光伏板的最优选择。然而,轻钢屋面的特点是跨度大,自重较轻,对新增荷载比较敏感。屋面增加光伏板后,通常会引起原有结构承载力或变形不能满足规范要求,需要对原结构进行加固。另外,钢结构的加固尚需要兼顾经济性,仅仅满足设计规范[1-2]的要求不一定具有可行性。

1 工程概况

某汽车4S店,位于南京市江宁区,该建筑为单层轻型钢结构展厅,采用圆钢柱和屋面钢桁架的结构形式,平面外采用钢联系梁作为抗侧力构件,屋面为双层彩钢板,C型钢简支檩条,独立基础。建筑檐口高度4.5 m,柱距6 m,建筑面积为800 m2。自2009年竣工交付以来,一直作为某汽车4S店展厅使用,期间未进行过建筑使用功能的改变及结构构件的拆改。原建筑现状如图1—图3所示。

2 结构安全性及抗震鉴定

某汽车4S店委托了检测单位对该建筑进行了结构安全性及抗震性能的检测鉴定,鉴定报告主要结论如下。

2.1 安全性鉴定

1)根据现场检查,未发现展厅出现因地基承载力不足或地基变形引起的上部结构明显开裂和变形。评定地基基础[3]安全性等级为Bu级。

2)上部结构整体外观未见明显损伤,屋面板锈蚀严重,檩条及檩托轻微锈蚀,主体钢架完好,钢构件表面涂层未见损伤。结构无明显侧向位移,极限承载力满足安全要求。评定上部承重结构安全性等级为Bu级。

3)围护系统为玻璃幕墙,与主体结构连接可靠。评定围护系统承重部分的结构整体性安全性等级为Bu级。

根据GB 50292—2015民用建筑可靠性鉴定标准[4]对该建筑进行安全性鉴定,综合评定该建筑结构安全性等级为Bsu级,在正常使用条件下,可以安全使用。

2.2 抗震鉴定

根据GB 50023—2009建筑抗震鉴定标准[5],后续工作年限为36 a,按B类建筑对该建筑进行抗震鉴定。展厅主体结构抗震构造措施基本满足抗震设防烈度7度,丙类建筑的要求,抗震承载力满足设计要求。

3 建筑屋面改造

现应建设方要求,钢结构[6]屋面改造主要为以下几个方面:1)屋面增加光伏板;2)屋面新增轻质吊顶;3)屋面新增喷淋系统;4)拆除内部隔层,四周围护墙出新。改造以后剖面图如图4所示。

改造后屋面屋面荷载取值如表1所示。

表1 屋面恒荷载标准值取值 kN/m2

4 加固设计参数的确定及计算分析

改造之前,假定檩条作为上弦平面外支撑,下弦平面外计算长度按照实际长度,经建模计算,计算简图如图5所示。

可见,加固前由于未设置屋架纵向支撑,桁架平面外计算长度与原设计不一致,导致下弦稳定承载力及平面外长细比均超出规范要求。检测报告对桁架平面外计算长度的取值未有体现,而报告结论中桁架承载力计算结果满足要求,值得商榷。

按GB 55021—2021既有建筑鉴定与加固通用规范[7]第5.1.3条及《南京市既有建筑维修改造项目施工图设计文件技术性审查工作指南(试行)》[8]的规定,本建筑后续工作年限为40 a,为B类,按01系列抗震规范[9],水平地震影响系数最大值取0.9αmax。原结构剩余工作年限为36 a,本设计后续工作年限为40 a,延长了原结构的工作年限,故按GB 50068—2018建筑结构可靠性设计统一标准[10]的荷载组合系数进行计算分析。

5 结构加固设计

按照改造后的屋面荷载,建模初步试算。根据试算结果,该建筑存在以下问题:1)屋面局部杆件最大应力比为大于1.0,承载力不满足要求;2)标准值作用下屋面桁架最大节点位移60.2 mm,大于允许位移20×1 000/400=50 mm,变形不满足要求(见图6)。

针对以上问题,钢桁架平面外增加系杆以减小平面外计算长度,腹杆采取增大截面方式提高承载力,下弦设置水平拉杆以减小竖向节点位移,计算简图如图7—图10所示。

加固后,基本组合作用下,上弦杆最大应力比为0.81<1.0,下弦杆最大应力比为0.74<1.0;标准组合作用下跨中竖向最大位移为40 mm<50 mm,承载力和节点竖向位移均满足要求。

下弦拉杆采用3φ25普通圆钢,查看应力简图,圆钢轴力标准值为195 kN,每根圆钢分担195/3=65 kN。圆钢在轴力作用下会产生伸长变形,自身轴向伸长变形量为ΔL=N×L/(E×A)=(65×1 000×20×1 000)/(206×1 000×490.9)=12.85 mm。

以桁架与柱连接点为圆心,以10 006 mm长度为半径做圆,交跨中竖向轴线于一点,此点距柱顶水平连线为336 mm。即由于圆钢自身轴向变形的存在,圆钢在承受65 kN力的时候,竖向位移为336 mm,水平向圆钢拉杆并不能阻止钢桁架节点的竖向位移。圆钢轴向变形放样图如图11所示。

为解决圆钢轴向变形及应力松弛的问题,每根圆钢预加75 kN的预拉力,将圆钢自身的轴向变形抵消。对于应力不满足的腹杆,将新增腹杆切割为两个半圆,从两侧包住腹杆,在新增腹杆侧面及两端焊接,如图12所示。

综上所述,本设计加固的基本思路如下:

1)屋面杆件承载力不满足,采用扩大截面的方式加固,可满足承载力要求。

2)增加屋架平面外支撑,以减小桁架平面外计算长度。

3)屋面节点位移不满足。屋面桁架下弦可采用普通拉杆(张紧的圆钢)和预应力钢筋两种方案,在屋面变形超限不大的情况下采用普通拉杆的方式,施工简单、经济,亦能满足变形要求。

6 结论

钢结构常用的加固方式[11]为增大截面、粘贴钢板、改变原结构体系、增加体外预应力等。加固设计时,应先根据安全等级和预设的后续工作年限,确定建筑类别,选用相应的设计规范进行加固设计。钢结构的加固设计应综合考虑原建筑的结构的形式、现场加固施工的条件、加固的经济性及加固施工方法的可行性,采用一种或多种加固方式组合的方法,尽可能使结构的计算模型与加固后的实际受荷工作状态一致。同时,新建钢结构厂房的设计宜做长远考虑,屋面预留安装光伏板的荷载,前期投资有所增加,但与后期再加固的费用相比,仍然是较为经济的方法。