外高桥保税区通用厂房改扩建工程位于上海市外高桥自贸区荷丹路240号D13-006地块,属于建筑结构加固改造项目,该项目于1994年按照89系列规范完成设计 ^[1,2,3],于1998年竣工,建筑面积22 440m²,原建筑使用功能主要为车间及办公,设置一道防震缝后,形成两个结构单元,即A单元和B单元,A单元平面呈回字形,主要为3～5层,各主屋面结构高度分别为14.85,19.35,23.85m;B单元平面呈门字形,主要为5层,主屋面结构高度为23.85m;均属多层建筑,两结构单元主要跨度均为6m和9m。

　　 原结构主体采用现浇混凝土框架结构体系,楼(屋)面采用现浇梁板式结构。原基础采用沉降控制复合桩基础(条形基础+预制桩),桩型为截面200mm×200mm的混凝土预制方桩,桩长10m,持力层为黏土层,条形基础埋深-1.60m;根据现有建筑功能的使用要求,改造后的建筑使用功能主要为办公,建筑面积31 303m²,改造前后结构模型见图1。A单元由3～5层改造成6层,1层层高5.4m,2～5层层高4.5m,6层层高3.9m,改造后的结构主屋面高度为27.3m,属高层建筑;B单元局部增加一3.3m开间,结构体系采用屈曲约束钢支撑-现浇钢筋混凝土框架结构,加层楼(屋)面采用现浇梁板式结构,结构平面布置图见图2(BRB1为屈曲约束支撑)。基础形式不变,新增桩型为截面250mm×250mm混凝土静压锚杆桩,桩长20m,持力层为黏土层,条形基础埋深不变,场地在抗震设防烈度7度时无液化。

　　 该项目的结构安全等级为二级,地基基础设计等级为乙级,后续使用年限为40年,室内混凝土潮湿环境为二a类,基础和上部结构露天部分混凝土环境为二b类,室内混凝土干燥环境为一类。该工程抗震设防烈度为7度(0.10g),设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅳ类,特征周期为0.9s。抗震设计按照2010系列规范要求,抗震设防分类为标准设防类(丙类),A单元混凝土框架抗震等级为二级,钢支撑-混凝土框架为一级,钢支撑为三级;B单元混凝土框架抗震等级为三级,钢支撑-混凝土框架为二级,钢支撑为三级。风荷载的重现期取50年,设计基本风压取0.55kN/m²,地面粗糙度类别为B类,基本雪压取0.20kN/m²。

　　 项目原设计基础采用沉降控制复合桩基础(混凝土条形基础+桩基础)。上部结构的楼层增加较多;新旧设计规范差异较大,尤其是抗震结构计算和抗震构造措施等方面;结构采用的新体系(屈曲约束钢支撑-现浇钢筋混凝土框架结构)而导致带钢支撑框架柱和普通框架柱刚度分配出现差异,即带有钢支撑的混凝土框架结构刚度较大,分配的地震力随之增大;上述因素导致既有基础承载力和变形均不满足设计要求,沉降差异较大,且既有条形基础下的桩布置较密,后续增加桩基的可利用空间有限。

　　 针对既有沉降控制复合桩基础的加固,除需满足上部结构的承载力要求外,还需满足整体结构的沉降要求。应用变刚度调平设计理论 ^[4,5],以控制地基的沉降差异为目的,主要通过调整基底群桩的直径、长度和平面布置等,使得基底反力分布模式与上部结构的荷载分布基本一致,基础沉降差异均匀,并通过有限元数值计算分析,结果满足上部结构、基础和地基的共同作用下的平衡方程,见式(1)。由式(1)可以得出,桩土支承刚度[K]_s(p,s)对控制基础沉降及其差异有着重要作用。因此,该项目的有效加固途径主要有调整桩数量和长度、改变基底垫层刚度和基础刚度、新增桩基的合理布置等。

　　 $\left(\left[{\rm K}\right]{}_{\text{s}\text{t}}+\left[{\rm K}\right]{}_{\text{F}}+\left[{\rm K}\right]{}_{\text{s}\left(\text{p},\text{s}\right)}\right)\left\{\mu \right\}=\left\{F{}_{\text{s}\text{t}}\right\}+\left\{F{}_{\text{F}}\right\}(1)$

　　 式中:[K]_st为上部结构凝聚刚度;[K]_F为基础刚度;[K]_s(p,s)为桩土支承刚度;{μ}为基础位移;{F_st}为上部结构荷载;{F_F}为基础荷载。

　　 为满足基础结构承载和变形设计要求,该项目基础加固主要采用以下处理方式:1)采用承载力较高且能满足既有施工条件的基础,即总长20m(每节2.5m,共8节,焊接接头)的静压锚杆桩+条形基础,单桩设计承载力250kN(极限承载力500kN),主要集中于荷载增加较大的框架柱和带钢支撑框架柱基础下,见图3;2)新增的静压锚杆桩布置于原有条形基础外侧,以便于在现场刚性地坪上设置锚杆,即在开挖基础前,完成静压锚杆桩的施工,施工工期减少了3个月,经济效果明显,见图3;3)新增桩基承载力较大,导致传统条形基础难以满足承载力要求。通过在条形基础横断面上每隔2m设置加劲肋短梁,改变既有条形基础的受力途径,减少了条形基础的加固工程量,节约了材料和人力成本,见图4。

　　 该项目既有结构体系为多层混凝土框架结构,采用89系列规范。现因建筑使用功能、国家和上海市建设法律(规)和2010系列结构改造规范(程) ^[6,7,8]等要求,层数增加较多,结构由多层变为高层,荷载变化大幅度增加,结构抗震计算和抗震构造措施要求提高,整体结构和构件的承载能力不能满足要求;根据上海市房屋建筑设计院有限公司提供的抗震鉴定报告,既有结构在多遇地震作用下的最大弹性层间位移角为:A单元X向最大为1/297,Y向最大为1/302;B单元X向最大为1/385,Y向最大为1/312,均不满足现行建筑抗震规范 ^[6]的要求;该项目若保留既有结构体系,采用传统的增大截面和外粘型钢等加固方法 ^[7],则工程加固量和人工需求量较大,混凝土框架柱和梁柱节点区域等加固复杂,施工周期长。鉴于上述因素,该项目采用了屈曲约束钢支撑-现浇钢筋混凝土框架结构体系。

　　 为了确保整体结构加固安全可靠,主要采取如下处理方式:1)屈曲约束支撑均匀布置于平面且上下连续,尽量减少其对建筑空间的影响;2)整体计算中,多遇地震作用下,屈曲约束钢支撑与混凝土框架共同提供抗侧力刚度,以抵抗水平和竖向荷载,满足轴压比、剪重比、刚度比、位移比、周期比、刚重比和层间受剪承载力比等主要结构技术指标要求;罕遇地震作用下,屈曲约束钢支撑先进入弹塑性阶段,混凝土框架结构依然处于弹性阶段,从而实现整体结构的减震耗能 ^[9];3)该项目采用的钢支撑为TJ屈曲约束耗能型支撑,钢支撑制造商应对产品进行力学性能试验并提供相关的检测试验报告。防屈曲支撑部件应能表现出稳定的、可重复的滞回性能,要求依次在1/300,1/200,1/150,1/100的支撑长度的拉伸和压缩往复各三次加载变形下,支撑具有稳定和饱满的滞回曲线。

　　 既有A,B单元混凝土框架结构的基本轴网尺寸主要为6.0m×9.0m,混凝土材料检测强度为30.4～33.1MPa,混凝土框架柱截面尺寸主要为550mm×550mm,混凝土框架梁截面尺寸主要为300mm×850mm和250mm×600mm,混凝土楼板厚度主要为100mm和120mm。

　　 项目在加固改造中,A,B单元与钢支撑相连的混凝土框架柱采用增大截面加固法,其截面尺寸主要为850mm×850mm和750mm×750mm,加层混凝土框架柱截面尺寸主要为550mm×550mm,其余混凝土框架柱截面尺寸基本不变;与钢支撑相连的混凝土框架梁主要采用了增大截面加固,局部截面尺寸主要为400mm×950mm和350mm×700mm,其余主要采用粘贴Q345B钢板加固;楼板局部采用粘贴Q345B钢板加固;所有加大截面部分均采用C35灌浆料;A单元新增屈曲约束支撑主要采用了TJⅡ-E235-1200～3600-3000～7500(屈曲约束支撑型号,E代表耗能型;235代表芯板钢材屈服强度,MPa;1200～3600代表支撑屈服承载力,kN;3000～7500代表支撑长度,mm)型号,B单元主要采用了TJⅡ-E235-1200～3200-5000～7500型号,主要布置于既有混凝土框架结构四周楼梯间,平面两个方向均匀设置,竖向连续设置。

　　 该项目A,B单元的整体结构计算主要采用了PKPM系列软件,选取的主要参数有:地震动参数和抗震等级,见上述工程概况。结构阻尼比按照钢和混凝土两种材料分别考虑(钢0.02,混凝土0.05),应用比例阻尼方法 ^[10]、采用子空间迭代法分析特征值,计算振型个数为12。

　　 整体结构计算结果表明,A,B单元整体结构的第1,2阶振型均为平动,第3阶振型为扭转,扭转周期比小于0.9;结构最大层间位移角均小于1/550,弹塑性层间位角移均小于1/50,偶然偏心作用下的扭转位移比小于1.5;轴压比、剪重比、刚重比、刚度比和层间受剪承载力比(限于篇幅,部分指标未列)均满足建筑抗震规范 ^[6]要求,改造后的结构计算结果均满足国家和上海市现行规范(程)指标要求。与A,B既有结构单元整体计算的周期和地震作用下最大层间位移角进行比较,结果见表1～4。由表1～4可以看出,加固后结构第1自振周期减少,结构振型合理,层间位移角大幅减少,结构刚度增大,加固效果明显。

　　 新增构件与既有结构之间的连接是保证整体结构共同作用的前提,选择良好的节点连接方式则是结构加固中至关重要的设计环节,该项目上部结构的主要关键节点采用了以下处理方式:1)屈曲约束钢支撑与既有混凝土框架的连接。通过扩大混凝土柱和框架梁截面、增设栓钉、混凝土梁柱节点四周外套钢板等一系列工序,确保传力途径明确、可靠和安全,满足“强节点”等抗震构造要求,见图5(图中未注明焊接方式均采用K形坡口全熔透对接焊或T形焊,焊缝等级为一级)。2)加层混凝土框架柱连接节点。该项目A单元混凝土框架柱由3～5层改造至6层,既有屋顶混凝土框架梁柱节点的钢筋密集,植筋的空间有限,若仅采用植筋方式,则施工难以实现,对原有结构损伤较大,难以保证节点的安全可靠性。实际中,采用了两种不同的处理措施 ^[11],见图6。对于接长柱大于下部既有框架柱的情况,采用了植筋和局部扩大截面方式;对于接长柱接近或小于下部既有框架柱的情况,采用了柱底植筋的方式。计算时,参照了地下室底部嵌固端的抗震措施做法,对局部混凝土框架柱端弯矩放大至计算值的1.1倍,以基本实现计算模型和实际做法的一致性。

　　 该项目的结构加固改造是一种基于新旧材料结合和结构体系改变的一种复杂改造,通过对该项目的结构计算分析和设计,主要结论如下:

　　 (1)结构加固应从整体性出发,充分理解建筑功能改变的目的和意图,在尽量减少对既有结构损伤的前提下,综合考虑既有结构现状、后续使用年限和现有规范(程)等,合理选择既有结构改造后的结构体系和适用的加固方法,确保结构加固的有效性和安全性。

　　 (2)沉降控制复合桩基础加固应用变刚度调平理论是合适的,主要通过调整桩数量和长度、改变基底垫层刚度和基础刚度、新增桩基的合理布置等,从而改变桩土支承刚度[K]_s(p,s)的主要影响指标,充分发挥上部结构、基础和地基的共同作用。

　　 (3)多层混凝土框架结构改造成高层结构中,与传统的增大截面等相比,屈曲约束支撑的应用优势明显。不仅仅可以大幅度减少加固工程量和人工成本,降低造价,而且加固效果明显,抗震性能也能得以改良。

　　 (4)结构加固节点是影响结构整体安全可靠性的一个关键因素之一,性能良好和与既有结构相适应的节点是确保新旧构件共同作用的前提。因此,节点的合理设计成为结构加固设计中的一项重要环节。