随着经济的快速发展,人们对建筑的功能提出了更多、更高的要求。但是许多既有建筑的现有功能并不能很好地满足社会发展的需要,囿于现阶段土地资源有限、经济发展不平衡不充分等因素,近年来出现了很多对既有建筑的改造设计 ^[1]。目前关于既有建筑改造的相关理论研究和工程设计更多的是针对结构加层改造 ^[2,3],而对于既有混凝土结构扩建钢结构的相关研究和设计并不多,本文以某行政办公楼为例,详述有关既有结构扩建改造内容。

　　 某行政办公楼标准层建筑平面图如图1所示。业主单位需在建筑西侧扩建外挂电梯以提升垂直交通功能并增加立面观光效果。该建筑位于安徽省合肥市,设计于2007年完成,2008年建成投入使用。结构形式为框架-剪力墙结构,基础采用梁板式筏形基础。建筑高度为59.70m,地上15层(不含局部楼电梯间突出屋面部分)。建筑抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.10g,设防类别为标准设防类,设计地震分组为第一组。建筑场地类别为Ⅱ类,场地特征周期为0.35s。基本雪压为0.60kN/m²,基本风压为0.35kN/m²(50年重现期),地面粗糙度类别为B类,结构安全等级为二级。

　　 综合考虑施工便利性、工期合理性以及对原结构的扰动尽可能小的原则,新增外挂电梯采用钢结构是比较合理的。针对钢结构,结构方案的选择有以下两种方案:1)方案一(图2(a)),新增外挂电梯与原结构设防震缝完全脱开,采用钢框架或钢框架-支撑结构体系,此方案可避免新增结构对原结构产生影响; 2)方案二(图2(b)),新增外挂电梯本身不作为独立的结构体系,而是通过钢梁与原结构相连,此方案会对原结构产生影响,需做相关的影响分析及鉴定加固设计。

　　 经试算分析,若采用纯钢框架结构体系,由于钢框架自身高度较高,结构变形难以满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) ^[4](简称抗规)的相关要求; 而采用钢框架-支撑结构体系会影响建筑的立面观光效果,业主单位不同意此方案。但是,方案二中直接将钢梁与原结构相连的做法不能满足电梯厂家提出的竖向标高每隔2.5m需设置一道层间圈梁的要求(层间圈梁两端无法可靠固定),故最终的结构方案在方案二的基础上进行了改进,即在紧贴原结构西侧设一列钢柱,此做法可以满足电梯厂家的要求,同时采取措施保证钢柱与原结构的可靠连接(连接措施见4.1节的节点设计),这使得新增钢结构与原结构成为一个整体,经过整体计算分析,新增钢结构部分以及扩建后整体结构的变形均可满足抗规的相关要求。最终方案结构平面布置如图2(c)所示。

　　 最终选择的结构方案由于新增钢结构与原结构连接成整体,因此新增钢结构必然会对原结构产生影响,但具体影响程度需通过计算分析来判断。

　　 改造设计与常规新建建筑结构设计一样,设计的一个主要前提条件就是设计使用年限 ^[5]。由于原结构设计完成于2007年,至今已超过10年,根据《建筑抗震鉴定标准》(GB 50023—2009) ^[6]的相关规定,可将后续使用年限定为40年,但是业主单位的意见是希望可以延长后续使用年限,且本扩建改造项目规模相对较小,由此增加的工程造价相对较少,在业主单位可以接受的范围内,故最终确定该改造设计的后续使用年限为50年,即《建筑抗震鉴定标准》(GB 50023—2009)中的C类建筑。

　　 原结构为钢筋混凝土框架-剪力墙结构,新增部分为钢结构,因此存在混凝土和钢两种不同的材料,结构的阻尼属非比例阻尼(非正交阻尼)。如何确定整体结构的阻尼比直接关系到结构地震作用计算的准确程度,阻尼比取得过大,则地震作用偏大,从而设计不经济; 阻尼比取得过小,则地震作用偏小,结构又偏不安全 ^[7]。

　　 本工程采用抗规推荐的振型阻尼比法。对于每一阶振型,不同构件单元对于振型阻尼比的贡献与单元变形能有关,变形能大的单元对该振型阻尼比的贡献较大,反之则较小。所以,可根据该阶振型下的单元变形能采用加权平均的方法计算出振型阻尼比:

　　 $\zeta {}_i={\displaystyle \sum _{s=1}^n\zeta }{}_{s}W{}_{si}/{\displaystyle \sum _{s=1}^{n}W}{}_{si}(1)$

　　 式中:ζ_i为结构第i阶振型的阻尼比; ζ_s为第s个单元的阻尼比,钢构件取0.02,混凝土构件取0.05; n为结构的单元总数; W_si为第s个单元对应于第i阶振型的单元变形能。

　　 对扩建后的整体结构进行反应谱分析,提取15阶振型,通过上述的振型阻尼比法可计算得到各阶振型的阻尼比。可以发现,仅在第14,15阶的振型阻尼比为0.049,其余振型阻尼比均为0.05。计算结果表明:1)扩建改造采用的不同材料对结构的阻尼比是有影响的,并且这种影响对高阶振型的影响更为明显; 2)由于新增的钢结构体量较小,其抗侧刚度对整体结构的贡献较小,从而对整体结构而言这种影响可以忽略。但通过进一步研究表明,当新增钢结构达到一定量时,如扩建钢结构部分为五跨,则第1阶振型阻尼比为0.045,且每阶振型的阻尼比相对混凝土构件的0.05均较小,此时新增钢结构对结构整体的阻尼比影响则不可忽略。

　　 采用SATWE软件分别对原结构以及扩建后的整体结构进行多遇地震作用下的计算分析,对比扩建前后结构的各整体指标(包括周期比、位移比、刚度比、层间受剪承载力之比、刚重比、剪重比以及轴压比等)的差异,分析新增外挂电梯对原结构的影响。部分指标(周期比、位移比)的对比情况见表1,2。

　　 对各整体指标进行对比分析后发现,扩建后结构的整体指标均能满足抗规和《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[8](简称高规)的相关规定,并且与原结构整体指标的相对差异均较小(5%以内),可以得出在多遇地震作用下新增外挂电梯对原结构的整体性能影响较小。

　　 虽然通过上述整体分析可以得出在小震下结构整体是安全的,但是新增外挂电梯为钢结构,而原结构为钢筋混凝土框架-剪力墙结构,按照抗规和高规的相关规定,严格来说改造后的结构已属于混合结构,为了确保改造结构的安全性,设计过程中进行了弹塑性分析。

　　 高规第3.11.4条规定高度不超过150m的高层建筑可以采用静力弹塑性分析方法。静力弹塑性分析将非线性静力计算结果与弹性反应谱结合起来,用静力分析的方法预测结构在地震作用下的动力反应和抗震性能,是基于性能抗震设计的重要手段 ^[9],静力弹塑性分析又称Pushover分析。

　　 采用PUSH&EPDA软件进行Pushover分析,检验改造后结构在罕遇地震作用下的薄弱层弹塑性变形,控制弹塑性层间位移角满足不大于1/100的规范要求,并对罕遇地震作用下结构的抗倒塌能力进行判断,以此判断新增外挂电梯对整体结构抗震性能的影响。

　　 选择PUSH&EPDA软件中给出的混凝土本构关系模型,在混凝土受压应力-应变全曲线的上升段采用Saenz曲线,下降段采用直线,忽略混凝土的抗拉能力。钢筋的本构关系采用双折线模型,其中塑流段的切线模量E_p=0.01E(E为钢筋的弹性模量)。混凝土和钢筋的本构关系如图3所示。

　　 先逐步在结构上施加静力荷载,计算的结构内力作为Pushover分析的初始内力; 然后在给定的侧推荷载形式下(本工程采用弹性CQC地震力加载和倒三角形加载两种方式),采用弧长控制增量法进行Pushover分析; 根据本工程多遇地震、设防烈度地震和罕遇地震不同抗震性能水平,给出需求谱与能力谱关系,判断结构是否满足“大震不倒”的要求,并了解结构塑性铰开展的情况。

　　 通过Pushover分析得到罕遇地震作用下各性能点对应的基底剪力,并将其与小震情况下弹性振型分解反应谱法(简称CQC法)分析结果进行对比分析,对比结果见表3。由表3可以看出,两种加载方式下Pushover分析得到的基底剪力相差不大,且与CQC法(小震)基底剪力的比值均在3～8之间,符合Pushover分析的一般规律。

　　 进行Pushover分析时,需先逐步将竖向荷载施加在结构上,待竖向荷载施加完毕时,理论上程序计算的等效切线周期应同CQC法得到的周期接近。Pushover分析的周期结果见表4。由表4可以看出,采用Pushover分析和CQC法两种不同方法计算的结构周期基本一致。

　　 通过基底剪力和结构周期的对比可以得出Pushover分析结果是可信的。

　　 Pushover分析结果表明,在连梁两端首先出现塑性铰,随着变形的发展,剪力墙逐步开裂,形成塑性铰,并最终沿墙体上下均匀分布,原结构框架部分只有少量部位出现了塑性铰,新增部分的钢框架梁柱并未出现塑性铰,这体现了多道设防的抗震设计概念。位移角仍能较好地满足高规的要求,这表明在大震下新增外挂电梯后的整体混合结构可以较好地满足“大震不倒”的性能要求,整体结构可以保持不倒塌状态。图4给出了弹性CQC地震力加载方式下整楼模型Y向Pushover分析后在性能点处(第26加载步)的塑性铰位置。

　　 性能点所对应的结构状态从一定程度上反映了结构在罕遇地震下的工作状态。弹性CQC地震力加载方式下,X向罕遇地震性能点所对应的结构顶点位移为220.0mm,性能点最大层间位移角为1/234; Y向罕遇地震性能点所对应的结构顶点位移为199.7mm,性能点最大层间位移角为1/300。倒三角形加载方式下,X向罕遇地震性能点所对应的结构顶点位移为224.5mm,性能点最大层间位移角为1/226; Y向罕遇地震性能点所对应的结构顶点位移为201.0mm,性能点最大层间位移角为1/286。均小于规范规定的层间位移角限值1/100。

　　 结构能力谱与罕遇地震作用下的需求谱在性能点处正好相交,且能力谱可以顺利穿越需求谱。这表明新增外挂电梯后结构在罕震作用下能满足“大震不倒”的抗震性能目标。图5给出的是弹性CQC地震力加载方式下Y向结构抗倒塌验算图。

　　 通过反应谱分析和Pushover分析对结构整体性能有了较好的把握之后,明确了结构方案的可行性,在此基础上再进行新增钢结构设计与原结构鉴定加固设计。新增钢结构设计除了满足一般钢结构的设计原则之外,还需保证与原结构的节点可靠连接以及新增结构基础与原结构基础的连接,本文主要阐述此特别之处。

　　 节点设计是钢结构设计中的重点之一,本工程中的关键节点之一便是钢柱与原混凝土结构的连接节点。为了保证二者的可靠连接,采用化学锚栓将钢柱约束在原结构上,采用如图6所示的节点构造做法,在楼层位置将钢柱通过此节点与原结构的梁、柱、墙等混凝土构件相连。化学锚栓的数量根据节点的承载力确定; 化学锚栓的构造措施根据《混凝土结构后锚固技术规程》(JGJ 145—2013) ^[10]的相关要求来确定。

　　 新增钢柱在首层通过钢筋混凝土短柱与基础相连,考虑施工便利性及原结构的基础形式,新增结构的基础采用筏板基础。新增结构筏板基础配筋与原结构基础之间采用植筋相连,植筋做法按照《混凝土结构后锚固技术规程》的相关规定。图7给出了新增结构基础与原结构基础间的相关关系与做法示意。

　　 由于原结构设计于2007年,依据的规范为2001年版抗规,而按照C类建筑(后续使用年限50年)的要求需满足现行设计规范,即2010年版抗规的各项要求。依据检测单位出具的检测报告,对扩建后的整体结构进行计算分析得出,结构整体性能可以满足现行规范的要求,仅与新增外挂电梯相邻局部楼层位置处的框架梁抗弯承载力不足,采取粘贴纤维材料的方法进行加固处理。由于本工程为扩建型改造项目,在对原结构进行加固的时候需特别注意施工工序的问题。整体上遵循先加固后扩建的原则,但是考虑到钢构件与原结构连接的施工时不可避免地会对加固材料造成不利影响甚至破坏,所以实际工程中首先进行新增外挂电梯的钢框架施工,在新增结构其余荷载施加前先对原结构进行加固,同时加固前应尽可能卸除原结构的荷载,从而尽可能地降低结构二次受力效应。这样的工序既避免了钢结构焊接时局部升温对加固胶黏剂的不利影响,又避免了化学锚栓钻孔时对加固材料的破坏。最后进行电梯前室楼板施工及其他工序。

　　 (1)采用不同材料进行加固改造时会引起结构阻尼比的变化,阻尼比的确定对于改造后结构地震作用的计算有直接的影响,采用振型阻尼比法可比较准确地得出改造后结构的阻尼比。

　　 (2)通过反应谱分析可以得出新增外挂电梯对原结构在小震作用下结构整体指标影响并不大。由于新增钢结构与原混凝土结构是存在两种不同材料的混合结构,采用Pushover分析扩建后的整体结构在大震作用下的弹塑性变形满足规范的相关规定,能力谱可以顺利穿越需求谱,表明扩建后结构可以满足“大震不倒”的抗震性能目标。

　　 (3)抗震概念设计既要满足计算分析指标,也要通过构造措施来保证。节点设计采取了可靠连接措施保证了传力的可靠性。

　　 (4)改造项目不可避免地要牵涉到原结构的鉴定加固。在检测报告的基础上对原结构进行了鉴定加固,加固施工时需根据施工可操作性、结构安全性来确定施工工序。