安徽大学学生活动中心结构加固改造设计

1　工程概况

位于安徽大学龙河路校区的改造项目建造于20世纪50年代，原建筑功能为学校食堂，整体为单层空旷房屋，前厅为2层砌体结构，两侧耳房为1层，大厅屋盖为拱形木桁架屋盖，屋面采用瓦屋面，承重结构竖向构件为外周的砌体墙和内部的混凝土柱，前厅及两侧耳房屋盖为现浇混凝土楼盖，如图1所示。

图1　既有建筑现状俯瞰

此建筑在20世纪80年代已经过加固改造，改造后建筑功能改为大礼堂，主要承担学校文艺演出和电影放映活动。改造后建筑功能改为学生活动中心，可作为演出、会议、电影放映等功能使用。本次改造前此建筑已不再使用。

因建造年代久远，已无法获得原设计资料，仅有20世纪80年代改造时的图纸扫描件，但图纸质量已严重受损，图面非常模糊，许多关键结构信息缺失，为本次加固改造设计增加了难度。

2　结构检测鉴定

既有建筑依据GB50292—2015《民用建筑可靠性鉴定标准》和GB50023—2009《建筑抗震鉴定标准》进行了结构安全性鉴定和抗震鉴定，鉴定主要结论和建议如下。

（1）该建筑未发现建筑物因地基不均匀沉降而导致的下陷、倾斜等现象。

（2）该建筑无圈梁，整体性较差；墙面粉刷层剥落，墙体砖、砂浆存在风化现象，屋面渗漏严重，混凝土构件存在裂缝以及钢筋外露锈蚀等情况。

（3）该建筑木屋架存在开裂腐蚀现象。

（4）该建筑部分墙体承载力、高厚比不满足计算及现行规范要求，存在安全隐患。

综合评定既有建筑结构安全性等级为Dsu级，严重影响整体承载；既有建筑综合抗震能力不满足A级砌体结构7度乙类设防的抗震要求。

3　结构改造方案

本工程在确定改造方案时综合考虑了以下因素。（1）既有建筑非历史保护建筑。（2）既有建筑原设计资料严重缺失，若要获取所有结构构件尺寸、材料性能、构造等信息，工作量大，费时费力。（3）经结构鉴定和现场踏勘，按现行规范进行验算，较多结构构件承载力不足。（4）业主对工程造价和建设工期控制较严格。

本工程既有外围护墙体具有苏联建筑风格，体现了年代的变迁，承载了学校学子和校友对原食堂和原大礼堂的记忆，经与业主、建筑专业反复沟通，应给予保留。

内部结构承载力严重不足，加固工程量大，且存在砌体结构和钢筋混凝土结构的混合结构体系，不符合现代结构抗震体系，无任何保留价值，因此决定拆除重建。针对重建的内部结构，为了与原屋盖一致，重建结构屋盖仍采用拱形屋盖，同时为了最大限度地利用空间净高，符合既有建筑建造年代的历史记忆，屋盖采用单层木结构交叉网壳，下部结构采用钢筋混凝土框架结构，楼盖采用现浇混凝土楼板。为了提高结构的抗侧力水平，布置了一定数量的剪力墙，形成了钢筋混凝土框架–剪力墙的结构体系，承载木结构网壳的框架柱内置H型钢，提高其承载能力和刚度。

本工程最终形成了保留既有建筑外围护墙体+新建单层木结构交叉网壳屋盖+新建钢筋混凝土框架–剪力墙体系下部结构的改造方案，如图2所示。

图2　总体改造方案示意

4　屋盖设计

本工程采用无拉锁单层木结构交叉网壳结构，跨度为21.3m，矢高2.95m。交叉梁采用TCT32胶合木，含水率不大于15%，材料设计参数取自GB50005—2017《木结构设计标准》，见表1。胶合木梁截面为250mm×700mm。

表1　胶合木强度设计值和弹性模量

结构屋盖整体计算时考虑了支座位移，支座节点位移分为两部分： （1）下部混凝土结构变形； （2）支座节点变形，为考虑螺栓与孔壁单侧间隙的初始位移和顺纹、横纹方向的受力变形。整体分析软件采用SAP2000V20。

木结构屋盖按照GB50005—2017《木结构设计标准》进行了强度验算和变形验算，均满足规范要求。采用考虑炭化层的剩余截面法进行了抗火验算，能够满足耐火极限1.0h的设计要求。对结构进行弹性屈曲分析，分别按照1.0永久荷载+1.0满跨可变荷载和1.0永久荷载+1.0半跨可变荷载两种工况，分析结果均满足JGJ T—2010《空间网格结构技术规程》的要求。

本工程胶合木梁连接节点采用钢插板螺栓节点（图3），该节点制造简单、安全可靠，是现代木结构中被广泛使用的连接形式之一。研究表明，该节点初始刚度较低，其弯矩转角曲线如图4所示，相关试验证明初始转角约为1/100。设计时此节点按铰接 考虑。

图3　木结构钢插板螺栓连接节点示意

图4　钢插板螺栓节点弯矩转角曲线

胶合木构件与下部结构连接节点如图5所示，底 部钢板通过锚栓与混凝土构件连接，并设置抗剪键，上部延伸出钢板插入胶合木构件中，采用螺栓进行 连接。

（a）

（b）

图5　木构件与下部结构连接节点示意

（a）俯视图；（b）2–2剖面图

5　下部结构设计

本工程改造后报告厅设计座位数为810座，小于1200座，根据GB50223—2008《建筑工程抗震设防分类标准》，本工程抗震设防类别为标准设防类（丙类），抗震设防烈度7度。下部结构采用钢筋混凝土框架–剪力墙结构，剪力墙抗震等级三级，框架抗震等级四级，承接木结构屋盖框架抗震等级提高至三级。承接木结构屋盖混凝土梁截面为800mm×800mm，框架柱采用圆柱、直径为1300mm、内置截面为H600×400×30×30的型钢。

下部结构分析设计时采用3种模型包络设计，分别为拼接木结构屋盖的整体模型、梁柱顶输入木杆件端部荷载的三维模型、提取承载木结构屋盖的单榀框架模型。

为了更准确地了解支撑木结构屋盖钢骨柱内应力应变发展情况，在大型商业有限元分析软件ABAQUS内建立了钢骨柱实体有限元分析模型。

模型柱底刚接，通过在柱间设置轴向弹簧支座和转动弹簧支座，考虑耳房屋面框架梁的约束作用，按 照GB50010—2010《混凝土结构设计规范》（2015年版）附录C输入钢筋、钢材和混凝土的材料弹塑性本构，模型如图6所示。

图6　钢骨柱有限元分析模型示意

分析结果表明，钢骨柱应力最大处发生在悬臂端根部，钢筋笼和钢骨Mises应力明显低于相应屈服强度，均未发生屈服，处于弹性受力状态。从混凝土塑性应变情况可以看出，混凝土受拉区塑性应变发展至钢骨翼缘表面后停止，受压区未发生塑性应变。

6　围护砌体墙加固

根据检测报告和现场踏勘，保留外围围护墙体无圈梁，整体性较差，砂浆抗压强度推定值仅为0.5MPa，部分砖、砂浆存在风化现象，墙体承载力严重不足。部分墙体高厚比验算不满足GB50003—2011《砌体结构设计规范》要求，因此需对包络围护墙体进行全面加固。

对于高厚比不足的墙体，通过在内侧设置钢筋混凝土壁柱和梁的方式，减小墙体计算高度，从而使高厚比满足规范要求。对于保留围护墙体，在内部采用钢筋网混凝土面层加固，以提高其承载力。砌体表面喷射不小于50mm厚的C30混凝土，钢筋锚入砌体墙内0.8倍墙厚，并用B级胶灌注。

为了保证保留围护墙体与内部新建结构可靠连接，通过设置锚栓和拉结筋使围护墙体与内部新建梁板柱连接，拉结筋和锚栓间隔布置，间距1.2m。拉结筋和锚栓的抗拔承载力除进行理论计算外，在施工现场还进行拉拔试验进行验证。对于保留围护墙体，设计还要求施工单位在建筑拆除、墙体加固、内部结构施工等全过程进行变形监测，严格掌握墙体动态。如有异常，及时进行干预，避免发生安全和质量事故。

7　结束语

目前本工程已建造落成。建造过程中包络围护墙体变形一直在安全范围，未发生任何事故。项目建成效果如图7所示。

图7　项目建成效果

木结构采用三维技术辅助加工，保证构件尺寸和形状符合设计要求，拼接时接缝严密，木结构加工均在工厂完成，并运至现场进行吊装。