北京出版社办公楼加固改造结构设计_马建伟

'四川建筑科学研究第40卷第5期100SichuanBuildingScience2014年10月北京出版社办公楼加固改造结构设计1，22马建伟，郝会芬(1．天津大学建筑工程学院，天津300072;2．中国航天建设集团有限公司，北京100071)摘要:北京出版社办公楼建于1982年，因业务发展对其进行改造，改造后建筑立面效果犹如几本错落叠放的图书。结构设计采用拆除局部原有结构，新建型钢混凝土结构构件，大悬挑及屋面加层采用钢桁架等方式，并对原结构进行增加剪力墙、加大截面、粘钢等方法进行加固处理。本文对结构改动较大的加固改造项目有一定的借鉴作用。关键词:加固改造;大悬挑;钢桁架;屋面加层中图分类号:TU746.3文献标志码:B文章编号:1008－1933(2014)05－100－05为满足日益发展的业务需求，故对本楼进行改1工程概况2造，改造后新增建筑面积为1533.8m。结构方案北京出版社办公楼位于北京市北三环中路与什为实现建筑功能，在尽可能少改变原结构的前提下，坊路交汇处，紧邻中轴路，建于1982年，建筑东西长延伸楼板设置了一系列不同尺度的悬挑，在不同高2度上创造出尺度丰富的室外平台。建筑外立面处理46.2m，南北宽16.5m，总建筑面积约9200m，轴网主要为6.6m、5.1m。地下一层为人防，层高上，在尽量保留原有结构的同时，结合功能组织和公共空间系统打破原有封闭平板的立面轮廓，形成通4.55m，地下设备夹层层高1.45m;地上主体建筑透生动而强烈的外部形态，仿佛几本交错放置的图12层，局部14层，首层层高4.2m，标准层3.3m，书(改造后实景见图2)。原结构基础为平板式筏板基础，结构形式为装配整体式框剪结构。地下部分为现浇结构，地上柱及剪力墙体为现浇结构，梁板为装配式结构。结构安全等级为二级，抗震设防分类为丙类，设计地震分组为第一组，抗震设防烈度8度，原结构设计使用年限是［1］50年，场地类别为Ⅱ类(改造前实景见图1)。图2改造后实景由于该楼已经使用将近30年，改造后的功能与建筑立面效果对原结构影响较大，结构已不满足现行结构相关规范，因此该楼需进行全面的加固整修图1改造前实景改造，使其达到现有建筑的使用要求。由于结构改造难度较大，结构设计中灵活运用规范，不拘泥于现有的改造加固方法，采用了原结构局部拆除与加固收稿日期:2013-08-26相结合的手段，然后通过精确的计算并采取必要的作者简介:马建伟(1976－)，男，河北保定人，高级工程师，一级注册结构师，天津大学建筑工程学院在职博士生，主要从事钢结构方面的保证措施，达到建筑及业主相应的要求。工程自研究。2009年开始设计到2011年竣工投入使用，历时将E－mail:mjw2010@163．com 2014No.5马建伟，等:北京出版社办公楼加固改造结构设计101近3年，本工程运营后改为北京出版创意与国民阅构造的可靠性评为b级;地基基础安全性评为Au读中心，成为北三环的新景观，同时获得了业主及使级;结构可靠性评为B级;整体可靠性评为Ⅱ级，略用方的好评。低于标准要求。2技术鉴定3整体计算分析及加固措施2．1改造后建筑后续使用年限确定3．1整体计算分析2009年版《建筑抗震鉴定标准》提出了现有建根据检测鉴定报告及建筑平面及立面效果进行筑鉴定的后续使用年限，并根据现有建筑设计建造结构布置，建立整体模型。采用韩国的MIDASGEN年代及原设计依据规范的不同，后续使用年限划分7．30及中国建筑科学院编制的PMSAP两种软件分为30、40、50年3个档次。在20世纪80年代建造别进行整体计算分析，并进行了时程分析补充计算的现有建筑宜采用40年或更长，且不得少于30(计算模型见图3)，位移角及扭转比均不能满足规［2］年。《建筑抗震鉴定标准》第1．0．5条要求，后续范要求，局部柱轴压比超过规范限值，部分梁配筋不使用年限40年的建筑(简称B类建筑)，应采用该足，剪力墙超筋。对结构方案采用柱加大截面、增加标准各章规定的B类建筑抗震鉴定方法。由于本剪力墙并对梁采用粘钢、大悬挑局部改为型钢混凝项目对原有结构改动较大，经与建设方协商，后续使土梁柱等加固改造措施后进行整体计算。计算结构用年限定为30年。表明多遇地震作用下两种软件计算结果均能满足规《建筑抗震鉴定标准》第3．0．3条规定，B类建范要求，计算中13m大悬挑考虑竖向地震作用，最筑的抗震鉴定应检查其抗震措施和现有抗震承载力大位移为52mm，小于规范的挠度容许值13000×再做出判断。当抗震措施鉴定满足要求时，主要抗2/400=65mm，位移角及扭转比均不能满足规范要侧力构件的抗震承载力不低于规定的95%、次要抗求。计算结果见表1。侧力构件的抗震承载力不低于规定的90%，也可不要求进行加固处理。本工程后续使用年限定为30年，对主梁承载力不足构件进行粘钢加固，楼板仅对裂缝进行处理。2009年版《建筑抗震加固技术规程》第4．0．2条规定，抗震加固时天然地基承载力可计入建筑长期压密的影响，并按《建筑抗震鉴定［3］标准》第4．2．7条规定的方法进行验算。第3．0．6条规定有全地下室、箱基、筏基和桩基的建筑，可降低上部结构的抗震鉴定要求。本工程有全地下室，基础为筏基，经核算基础承载力及变形均满足规范要求。2．2鉴定结果图3PMSAP计算模型鉴定内容主要包括材料实际达到的强度等级，结构构件的尺寸、截面形式，结构构件的连接构造，表1MIDAS及PMSAP振型与周期非结构构件与主体结构的连接构造，地基基础的有振周期/sX平动系数Y平动系数Z转动系数关鉴定等。型MIDPMSMIDPMSMIDPMSMIDPMS检测鉴定结论:原结构混凝土标号为C28，钢筋11．431．350．920．810．080．190．000．0021．261．070．250．190．600．600．150．21梁柱纵筋采用HPB335，箍筋采用HＲB235，楼板为30．940．840．030．000．050．020．920．98预应力空心板，上面为50mm现浇层，采用中国建筑科学研究院编制的PKPM软件按2001年抗震规3．2加固主要措施范对原结构进行整体计算，位移角最大为1/720，位3．2．1框架柱截面加大移比最大为1.42，位移角不满足规范要求。柱轴压整体计算分析结果中显示大部分柱轴压比不能比大部分不满足，局部梁配筋不足，预应力空心板经满足规范要求，包钢加固法不太适用，又考虑到由于鉴定及计算，满足使用要求。原有结构基础为平板增加剪力墙对柱有一定的影响，因此对所有柱均采筏基，地下室为人防，墙体也比较厚，经过计算，基础用加大截面法进行加固。新浇筑混凝土存在应力滞可不用处理。整体结构鉴定结果:结构构件的连接后现象，造成新旧混凝土接触面抗剪能力较差，因此 102四川建筑科学研究第40卷计算中对新加混凝土的承载力进行一定折减，具体发挥其性能，新旧结构采用凿毛及植筋的方法。具可参考规范CECS25∶90第4．1．2条。原结构框架体做法见图6。梁均为花篮梁，加大截面法节点区域设计及施工比较复杂，加大截面部分纵筋锚入原结构基础，采用植筋进行锚固，新增混凝土厚度为100mm，混凝土比原结构提高一个等级，采用C35，并要求具有一定的的微膨胀性。节点做法见图4。图6新建剪力墙做法4加建部分结构设计特点4．1原有结构大悬挑本工程由于建筑造型别致，结构每层需要不同图4框架柱加大截面锚固做法跨度的悬挑，主要悬挑有1.5～3.5m左右、6.85m与13m等。根据悬挑类型，结构处理方式也不同。3．2．2框架梁加固1)3.5m以内处理方法相对较简单，采用原结计算结果显示原有结构梁配筋大部分偏小，梁构植筋方法设置埋件，然后埋件与悬挑钢梁采用刚拟采用粘钢方法及加大截面法进行加固。原结构梁接连接，并在埋件根部设置角钢加强抗剪性能。由主要为花篮梁，加大截面加固工作量较大，而且加大于原结构柱采用增大截面法进行加固，埋件包裹在截面影响建筑净高要求，又加上工期紧、尽量少破坏新增加部分的钢筋混凝土里面，因此增加了悬挑梁原结构等因素，最终确定采用粘钢方法加固。为加的安全储备。悬挑梁为静定结构，植筋方式及结构强钢板本身的耐久性和防火、防腐性能，在钢板表面胶的使用非常重要，本工程悬挑部分均采用进口植挂钢丝网，然后抹20mm左右的环氧砂浆保护［4］筋胶，并对植筋深度提出不小于20d的要求并进行层。梁粘钢做法见图5。拉拔试验，节点做法上也采取了加强措施，见图7。图5梁粘钢做法图7悬挑不大于3．5m结构做法3．2．3新建剪力墙2)6.85m悬挑在原有结构上实现难度较大，根由于整体计算位移不满足规范要求，而且剪力据建筑造型，可采用3层通高设置钢桁架，钢桁架布墙超筋，需要局部增加新建剪力墙。增加剪力墙后置方式根据建筑要求及结构受力确定，上下弦采用对整体框架计算有影响，对原结构框柱及梁进行核H400×200×16×20，腹杆采用H200×200×6×9，［5］算，框柱应满足《建筑抗震设计规范》第6．2．13材料均采用Q345B钢。考虑竖向地震作用进行整条规定，侧向刚度沿竖向分布基本均匀的框-剪结体计算，并对节点进行分析，钢桁架整体稳定及变形构，任一层框架部分承担的地震剪力，不应小于结构均满足规范，但是与原有结构连接节点结构做法比底部总地震剪力的20%和按框-剪结构分析的框架较复杂。6.85m的悬挑使原有结构局部承受较大部分各楼层地震剪力中最大值1.5倍二者的较小拉力、压力、剪力，本工程与悬挑桁架连接位置埋件值。为使新建剪力墙与原有结构更好的结合，更好采用环柱设置，采用湿法外粘钢板方法及植筋固定， 2014No.5马建伟，等:北京出版社办公楼加固改造结构设计103然后对框柱加大截面，使节点增加安全冗余度。原有结构与之相连位置内侧的预制楼板进行拆除，改为150mm现浇板并双层双向配筋，对受力较大的框架梁采用加大截面法进行加固，对受拉较大的梁拆除，改为型钢混凝土梁。做法见图8、11。图9悬挑13m结构平面示意图8悬挑6．85m结构立面示意3)13m悬挑相对于6.85m悬挑具有更大的挑战，即使在新建建筑中也不容易实施，由于原结构为装配式结构，使之无法承受局部巨大的拉压力及弯矩，与之相接的框柱即使加固也无法承担由此产生的巨大剪力及弯矩。所以本工程如此大的悬挑在现有结构上实施可能性不大，因此不但需要对整体结图10悬挑13m结构立面示意构进行详尽的分析及计算，还需要对梁柱及墙体的加固方法进行论证，在有限的施工工期内降低施工难度，保证结构安全。通过计算分析与施工难易比较，并邀请结构专家进行多方面论证，最终结构方案采用局部拆除原有结构，对拆除新建型钢混凝土柱及型钢混凝土梁，采用现浇混凝土楼板，板厚180mm，并双层双向配筋，并局部增加混凝土剪力墙。悬挑部分采用3层通高钢桁架，钢桁架与型钢连接采用铰接节点，上下弦采用H600×250×16×20，腹杆采用H200×200×6×9，材料均采用Q345B钢。施工到运营近三年对桁架变形观测结果显示，13m桁架最大变形不大于40mm，而且趋于稳定，桁架位置的楼板没有明显的裂缝，各项指标均能满足规范图11悬挑节点做法示意要求。结构布置及节点做法见图9～11。4．2屋面新建钢结构加层无法满足。原有建筑屋顶增加了一个与原有平面斜交的钢玻璃房子结构部分为一个规则的六面体，除钢结构玻璃盒子，局部悬挑出约3.5m。钢结构盒子柱钢梁外，还有交叉斜撑，整体结构为一个空间桁架立柱若要与原结构锚固，需要原结构屋顶增加大量结构，本身整体性非常好，由于层高4m左右，即使的梁，而且需要对原结构梁进行加大截面方法加固悬挑3.5m也能满足要求，经过计算分析，只需要把处理，施工难度较大，而且使屋面下层建筑净高要求玻璃盒子固定在屋面即可。因此只要钢结构底面钢 104四川建筑科学研究第40卷梁与原结构梁交接处，采用后锚固埋件与原结构铰得以良好实施。由于建筑师超前的设计理念与特殊接，使其稳定的固定在原结构屋面即能满足要求。的建筑造型，该项目得到很好的经济效益与社会效钢结构玻璃房子立面布置及节点做法见图12。益，并且成为北京北三环一道靓丽的风景。办公楼改造后使用已经近一年，沉降观测结果表明，基础累计沉降约2mm，表明建筑物没有明显沉降，且沉降速率不大于0.01mm/d，沉降已经稳定。大悬挑部分变形较小，使用过程中楼板舒适度较好，没有发现裂缝。本项目拆除部分原结构并重建的设计方法对建筑立面造型改动较大的工程提供了相关经验并且有一定借鉴作用。致谢:承蒙陈富生、柯长华、娄宇等专家对此项目的悉心指导，并提出了很多宝贵意见和建议，在此表示衷心的感谢。参考文献:［1］GB50011—2010建筑抗震设计规范［S］．［2］GB50023—2009建筑抗震鉴定标准［S］．图12玻璃房子立面布置及节点做法［3］JGJ116—2009建筑抗震加固技术规程［S］．5结语［4］李国胜．建筑结构裂缝及加层加固疑难问题的处理(附实例)［M］．北京:中国建筑工业出版社，2007:267-295．本项目结构设计突破常规做法，既要考虑结构［5］张家启，李国胜，惠云玲．建筑结构检测鉴定与加固设计［M］．设计的安全性，又要考虑施工难度，使这部建筑作品北京:中国建筑工业出版社，2011．櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏櫏(上接第99页)4)试验值与ANSYS模拟值对比，存在着较大差由图14可知，当荷载为0～4.2kN之间时，未值，导致这种差值原因应在今后的模拟分析时予以加固梁、加固梁以及模拟分析试件的试验荷载-挠度研究。曲线基本重合，相对于未加固梁加固梁的屈服荷载参考文献:和极限荷载都有所增加，分别增加约33.3%和28.57%。试验挠度值与ANSYS模拟挠度值平均相［1］何敏娟．木结构设计［M］．北京:中国建筑工业出版社，2008．［2］GilfillanJ，GilbertS，PatrickG．TheUseofFＲPCompositesinEn-差17.03%，存在着较大的误差。hancingtheBehaviorofTimberBeams［J］．JournalofＲeinforcedPlasticsandComposites，2003，22(4):1373-1388．5结论［3］JohnsK，LecroixS．CompositeＲeinforcementofTimberinBending通过6根新疆杨木梁的抗弯试验与有限元软件［J］．CanadianJournalofCivilEngineering，2000，27(1):899-906．ANSYS模拟分析，观察试验现象和数据分析得到以［4］马建勋，蒋湘闽，胡平，等．碳纤维布加固木梁抗弯性能的试下结论:验研究［J］．工业建筑，2005，35(8):40-44．1)通过在木梁受拉面粘贴CFＲP能够有效提高［5］许清风，朱雷，贡春成．CFＲP加固段木梁的试验研究［J］．施木梁的抗弯极限承载力。本次试验木梁抗弯承载力工技术，2006，36(5):13-15．［6］沙洲，朱晓东，等．FＲP材料增强木结构研究综述［J］．森林平均提高了45.8%。工程，2012，28(3):57-61．2)木梁受拉区粘贴CFＲP后，木梁跨中挠度明［7］淳庆，潘建伍．碳－芳混杂纤维加固木柱轴心抗压性能实验显降低，降低了39.2%。研究［J］．建筑工程学报，2011，14(3):427-431．3)速生木材(新疆杨)粘贴轻质高强的纤维增［8］刘清，张广泰，王克新．新疆某制药车间加层加固改造技术的探讨［J］．混凝土，2008(3):114-117．强复合材料(CFＲP)后，其木梁的力学性能得到了［9］ANSYS使用手册［Ｒ］．美国ANSYS公司．较充分的发挥，具有很好的加固前景。'