0 引言

　　20世纪60～90年代修建的工业厂房多具有特殊历史条件和背景，遗存建筑的再利用引起社会广泛关注。工业类建筑多具有位置偏僻、布置分散、规模小及单体隐蔽等特点，将旧厂房拆除后重建不仅造成资源浪费，也不利于文化价值和情感价值的传承^[1]。因此，对某些废旧厂房进行改造与功能提升时，保持建筑外立面不变，使其具有延续历史文脉的积极意义^[2,3]。应考虑经济成本、结构安全可靠等，因地制宜地进行厂房改造^[4]。

　　以某单层混凝土旧工业厂房改造为工程背景，综合考虑建筑功能要求、结构安全、施工工艺等因素，采用内部增设轻钢框架结构夹层的方案完成结构加固改造与功能提升。通过有限元软件SAP2000进行抗震性能分析，研究加固改造方案的可行性，并对施工流程进行说明，为实际工程应用提供参考。

　　1 工程概况

　　某厂房位于德阳市，为混凝土排架结构，长48m，宽30m，柱高6.8m，外墙采用水泥砂浆抹灰。建设时抗震设防烈度为6度，梁、柱混凝土强度等级均为C30。大部分柱截面尺寸为400mm×500mm，小部分为500mm×400mm,(1)～(11)轴柱间距包括4.2,4.8m，?～?轴柱间距为5m (见图1)。(5),(6)轴柱间设置角钢斜支撑，沿?，?轴增设连梁。采用钢筋混凝土柱下独立基础，地基承载力为160k Pa，满足改造后承载要求。考虑将厂房改造成医院，调整抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组为第二组，场地类别为II类。

　　2 加固改造方案

　　保留原厂房结构体系不变，应考虑内部排架柱是否需抗震补强。由于加固结构与原厂房结构分离，需重点研究二者间距是否满足要求。原厂房内部柱数量少、跨度大，且排列整齐，有利于重新划分空间布局。

　　在原厂房内部增加1层轻钢框架结构，并在2层采用压型钢板组合楼板，轻钢框架结构内部通过混凝土小型空心砌块填充。基础垫层混凝土强度等级为C20，其余为C30。新增结构1层采用矩形钢管混凝土柱，2层采用H型钢柱，外包钢筋混凝土，框架梁采用H型钢梁，钢材强度等级为Q235B。建筑外墙采用普通页岩砖，内墙采用空心砌块，墙厚200mm。

　　结合工程实际情况，分析以下结构单元受力工况:(1)原厂房计算时将柱底简化为刚接，因采用预制梁，将梁、柱节点简化为铰接，进行有限元模拟分析时，释放顶部构件弯矩;(2)加固结构将原厂房混凝土柱采用外包角钢的方式进行加固(见图2),3.600m标高处加设型钢梁，提高加固后结构整体性，并承担建筑外墙自重，但与新增轻钢框架结构无连接，此时柱为压弯构件，因此须校核受力可靠性;(3)新增轻钢框架结构新增轻钢框架结构柱顶部与梁刚接，柱底部均刚接，且与原厂房无任何连接。

　　

　　图2 加固示意 

　　 

　　3 有限元分析

　　加固改造后需重点考虑抗震可靠性，由于新增结构与加固结构无连接，须保证地震发生时二者不被破坏，且不发生碰撞。因此，新增结构与加固结构间留有100mm防震缝。

　　3.1 参数设置

　　根据场地条件，选取以下地震波进行分析:(1)El-Centro波7度(0.15g)对应加速度峰值为341.7cm/s²，持续时间53.74s;(2) Taft波7度(0.15g)对应加速度峰值为175.9cm/s²，持续时间20s;(3)人工波RGB波7度(0.15g)对应加速度峰值为219.7cm/s²，持续时间20s。结构输入地震烈度为7度(0.15g)罕遇、8度(0.2g)罕遇、9度(0.4g)罕遇，同时施加x,y向地震动。恒荷载和活荷载按结构设计要求选取，以质量源的方式加至楼层。梁、柱均设塑性铰，利用塑性铰描述构件非线性，原厂房、加固结构、新增轻钢框架结构阻尼比分别取0.05,0.05,0.03。

　　弹塑性时程分析时，对输入的地震波加速度进行调整，调整比例系数与一阶振型平动方向有关，通过模态分析可知，结构一阶振型以y向平动为主，以El-Centro波为例，7度罕遇地震作用下x向调整比例系数为0.91,y向为1.48。

　　

　　图1 结构平面布置  

　　 

　　3.2 抗侧移刚度的确定

　　以原厂房为例进行说明，混凝土柱通过粘贴∟100×100×8进行加固，GB 50367—2013《混凝土结构加固设计规范》^[5]中规定:

　　

　　 

　　式中:E_c0,E_a分别为原构件混凝土和加固型钢弹性模量;I_c0为原构件截面惯性矩;A_a为加固构件一侧外粘型钢截面面积;a_n为受拉与受压侧型钢截面形心间距。

　　混凝土柱受力情况如图3所示，根据结构力学位移计算公式及变形协调条件(B点水平位移为0)可得:

　　

　　 

　　

　　图3 混凝土柱计算简图  

　　 

　　将混凝土与型钢抗弯刚度代入式(1)，计算知加固后EI=2.03×10⁵k N·m²，进而得到F₁与F的关系为:

　　

　　 

　　集中荷载F处对应最大水平侧移点，侧向位移为:

　　

　　 

　　混凝土柱抗侧移刚度D=F/ω，计算得加固前D_前=27 594k N/m，加固后D_后=44 812k N/m，可知加固效果明显。

　　原厂房在7度罕遇地震作用下，加载至1.54s时，柱脚一端出现塑性铰;加载至3.98s时，少数塑性铰变形达到极限;加载至6.94s时，大部分塑性铰变形达到极限，柱顶侧移不断增大，结构破坏。

　　3.3 位移分析

　　对加固结构与新增轻钢框架结构进行分析，得到不同地震波作用下的层间位移及层间位移角，如表1所示。由表1可知，加固结构在7,8度罕遇地震作用下，满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》^[6]对弹塑性层间位移角限值1/50的要求，但9度罕遇地震作用下的y向层间位移角大于规范要求;新增轻钢框架结构在7～9度罕遇地震作用下层间位移角均满足规范要求。

　　加固结构与新增轻钢框架结构位移峰值如表2所示。由表2可知，加固改造后整体结构薄弱方向为宽度方向(y向)，故在加固结构y向增设斜向支撑，支撑采用∟100×100×8;以El-Centro波为激励时，9度罕遇地震作用下结构发生轻微碰撞，应提高内部框架抗侧移刚度或增大防震缝宽度;以Taft波为激励时，9度罕遇地震作用下结构同样发生轻微碰撞;以RGB波为激励时，结构未发生碰撞，这说明波形对结构地震响应的影响具有一定差异性。

　　3.4 加速度分析

　　加固结构与新增轻钢框架结构加速度峰值如表3所示，加速度放大系数如表4所示。由表3可知，在相同地震波作用下，新增轻钢框架结构加速度峰值较大，且y向加速度峰值大于x向。由于ElCentro,Taft波周期更接近结构自振周期，故在El-Centro,Taft波激励下，结构响应放大更明显。由表4可知，加固结构与新增轻钢框架结构地震加速度均被放大，且新增轻钢框架结构放大系数较大，表明其刚度较大，与结构平面布局相符。

　　  

　　表1 层间位移及层间位移角 

　　 

　　 

　　

　　表1 层间位移及层间位移角

　　  

　　表2 位移峰值 

　　 

　　 

　　mm

　　

　　表2 位移峰值

　　  

　　表3 加速度峰值 

　　 

　　 

　　m·s^-2

　　

　　表3 加速度峰值

　　  

　　表4 加速度放大系数 

　　 

　　 

　　

　　表4 加速度放大系数

　　3.5 结构损伤分析

　　根据房屋允许损伤指数^[7]评估加固改造后结构在罕遇地震作用下的可靠性，为获得结构进入非线性状态后的损伤情况，针对结构零应力状态，对结构进行模态分析，得到震后结构周期(见表5)。加固结构与新增轻钢框架结构自振周期分别为0.40,0.29s，受3种地震波激励时，7～9度罕遇地震作用下，计算得到新增轻钢框架结构损伤指数为0.04左右，可知该结构发生轻微破坏，损伤较小。受El-Centro,Taft波激励时，7～9度罕遇地震作用下，计算得到加固结构损伤指数>0.4，可知该结构发生中等破坏，但在RGB波激励下的损伤指数较小。随着地震烈度的增加，新增轻钢框架结构损伤指数基本不变，说明轻钢框架具有良好的抗震性能。

　　  

　　表5 震后结构周期 

　　 

　　 

　　s

　　

　　表5 震后结构周期

　　4 施工工艺

　　本加固改造工程施工工艺流程为:(1)拆除原填充外墙，禁止使用大型机械，避免对原结构造成额外损伤;(2)利用包钢法对排架柱进行加固，在柱四角外粘角钢，角钢间通过缀板连接，角钢与混凝土间灌注结构胶;(3)在外框柱间增设连梁，柱间加设角钢斜支撑;(4)开挖新建柱基坑，浇筑柱下独立基础，基础垫层为10mm厚C20细石混凝土，基础混凝土强度等级为C30，柱脚设置钢抗剪件;(5)安装首层轻钢框架，然后铺设楼层压型钢板，钢板与加固结构间预留100mm防震缝，梁上焊接抗剪栓钉，楼板钢筋绑扎完成后浇筑混凝土;(6)安装第2层轻钢框架;(7)砌筑填充墙体;(8)采用C30微膨胀自流性细石混凝土填充柱底板与基础顶面的空隙。通过采用以上施工工艺流程，达到良好施工效果，保证结构安全。

　　5 结语

　　以某旧工业厂房加固改造工程为例，通过改造使厂房功能得到改善，空间得到合理划分，且具有一定安全性、经济性。通过对厂房结构进行有限元分析，得出以下结论。

　　1) 7,8度罕遇地震作用下，加固结构与新增轻钢框架结构层间位移角均满足规范要求，而9度罕遇地震作用下，加固结构层间位移角超过限值。

　　2) 7,8度罕遇地震作用下，加固结构与新增轻钢框架结构位移差满足预留100mm防震缝的要求，而9度罕遇地震作用下，两结构单元发生碰撞，需提高内部框架抗侧移刚度或增大防震缝宽度。

　　3) 7～9度罕遇地震作用下，新增轻钢框架结构加速度峰值大于加固结构。

　　4)受3种地震波激励时，7～9度罕遇地震作用下，新增轻钢框架结构损伤指数较小，发生轻微破坏。受El-Centro,Taft波激励时，7～9度罕遇地震作用下，加固结构发生中等破坏。随着地震烈度的增加，新增轻钢框架结构损伤指数基本不变，说明轻钢框架具有良好的抗震性能。