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摘要：本文将工人文化宫中既有的阶梯形电影厅改造为室外门球场。为了满足建筑功能的需求，文中在阶梯形电影厅上设置一个钢平台，钢平台柱下端与既有结构铰接，用高强定型化学螺栓与下部的混凝土构件连接。运用PKPM的STS和SATWE模块进行建模和计算，钢平台作为一个附加质量施加在电影厅上，使其与下部的框架一起协同工作。
关键字：钢平台；改造；组合楼板；高强化学定型螺栓
中图分类号：TU391文献标识码： A
1 前言
随着我国建筑行业的发展，对建筑功能的要求越来越多样化，很多既有建筑已不能满足业主的需求，因此对既有建筑结构进行加固改造是十分必要的［1］。本工程利用后锚固连接方法保证钢平台与既有结构有可靠连接。目前，后锚固连接的锚栓有膨脹型锚栓、后扩底型锚栓、定型化学锚栓、化学植筋，本工程采用定型化学锚栓，通过采用特制的化学粘胶剂，将螺栓胶结固定于混凝土基材钻孔中，使材料粘合和具有挤紧作用的键形嵌合来共同承载，从而实现对被连接件锚固的一种组件［2］。本文通过PKPM的STS和SATWE模块对钢平台进行建模和计算，给出了可行的改造方案，为以后的加固改造提供参考。
2 工程概况
图1 改造前建筑平面图图2改造后建筑平面图
本改造工程位于常州市武进区湖塘镇，建于2007年，建筑面积14596.8m2 ，地上五层，地下一层，结构总高22.85m，框架结构，地下部分主要为地下停车库、1~3层为活动室和活动办公，4楼为大空间活动，5层为结构空腔。建筑安全等级为二级，结构抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，设计地震基本加速度为0.10g，设计分组为第一组，长队类别为III类，基本风压为0.40.4 kN/m2，地面粗糙系数为C类。原结构平面呈矩形，长74.68m，宽54.96m。
本工程改造的部分位于二层的1#电影厅，现将阶梯形的电影厅改造成室外门球场，见图1和图2。由于室外门球场需做防水以及植草坪，所以荷载较大，取恒荷载8.0 kN/m2，活荷载3.5 kN/m2，平台结构高度为6.800m。
3 结构概念设计
本改造工程结构设计的最大核心内容是如何在现有的混凝土结构上稳固地支撑荷载较大的空中平台。根据结构概念设计的思路，分解后就是要“轻荷载”、“强节点”、“一体化”［3］。①“轻荷载”对应荷载巨大，由于平台须做防水和植草坪以及建筑功能的要求，附加恒载与活荷载无法减轻，那么尽量减轻结构自重成为达到轻荷载的唯一途径，采用钢结构形式的平台也成为了最好的选择；②“强节点”对应固有结构，在原有混凝土结构柱和梁上通过高强定型化学螺栓将钢平台稳定固定于既有结构上；③“一体化”对应现有结构，改造建筑的最大难点就是新旧结构不能有效连接，如果能使钢平台与原有结构结合成一个整体，无疑使最优的。本工程通过柱间支撑以及GKL6与混凝土结构的牢固连接，使新旧结构形成一体，这样就达到了稳固的效果，见图3和图4。
图3 钢平台柱平面布置图图4钢平台梁平面布置图
根据上述结构概念设计的思路，将钢平台等效为一个质量施加在既有结构上。地震作用等侧向荷载作用下，钢平台与既有结构一起协同工作，两者没有层间位移差，因此钢平台的施加对既有结构的自身特性影响很小。综上所述，本工程可以对钢平台进行单独建模计算。钢平台内力计算时只需考虑自身的恒载和活载，无需计算地震作用对新增结构的影响。钢平台部分的内力计算采用PKPM软件的STS模块，用SATWE进行内力分析。
3.1 新旧荷载对比
原结构设计时电影厅处的恒荷载标准值为12 kN/m2，活荷载标准值为3.5 kN/m2。为了使在原结构的基础上施加钢平台后的荷载不大于原设计荷载，必须对原结构进行卸载，对原结构面层进行无损伤凿除，结构构件凿除时须保留原结构钢筋。为保证新旧构件能协同工作和共同受力，新旧结构连接面应凿成凹凸不小于6mm的自然粗糙面并清除松散附着骨料和杂质，用高压水冲刷清洗干净，并涂刷界面剂，通过化学螺栓方式连接新旧结构。
原混凝土板的厚度为120mm，其自重为3.03 kN/m2，现钢平台及钢梁和钢柱的自重为8.5 kN/m2，则在原结构的基础上施加钢平台之后，结构恒荷载标准值为11.53 kN/m2，活荷载与原结构相同。因此，钢平台的施加使结构总荷载相比原来有所减小，这样就对原有结构的基础及柱不产生加大竖向荷载的实质影响，原有柱子轴压比、柱配筋等均与原结构基本一致。
3.2 钢柱、钢梁设计
钢平台中钢柱采用焊接箱型柱，截面尺寸为300x300x12x12,钢材采用Q345B。钢平台柱及钢梁平面布置图见图3、图4所示。钢梁截面尺寸见表1。⑤轴交F及G轴的钢梁下设置柱间支撑，支撑采用L80x8，支撑的设置保证了钢平台Y方向的侧移。
箱型柱有12根，其中中部6根连接于混凝土框柱上，其余6根连接于混凝土框梁上。模型中钢柱下端与混凝土铰接，上端与钢梁刚接。因此，柱底在内力组合下只会产生轴力，没有弯矩。箱型柱通过节点板和化学螺栓与混凝土构件连接，见图5。
次梁与主梁的连接采用铰接。经PKPM软件计算，所有构件的的应力比均小于1，满足规范要求，见图6。
表1钢梁截面表
构件编号 截面尺寸 截面形式
框梁 GKL1 HN400x200 GB热轧H型钢 Q345B
GKL2 HN500x200
GKL3 HN600x200
GKL4 HN650x300
GKL5 H（650~400）x200x10x16 焊接H型钢Q345B
GKL6 HN400x200 GB热轧H型钢 Q345B
GKL7 HN400x200
次梁 GL1 HN400x200 GB热轧H型钢 Q345B
图5箱型柱与下部混凝土构件连接
为了简化模型，将GKL6作为主梁，横向主梁将荷载传给框架柱，实际上，横向主梁通过铰接节点将荷载传给GKL6，GKL6与下部混凝土构件的连接见图7。由于GKL只承受横向主梁以及组合楼板传来的竖向荷载，因此每隔2.8m将GKL6固定于既有结构的x方向主梁和次梁上。在每个节点处，钢梁通过4个直径为16的8.8级高强化学定型螺栓与250x600的次梁连接，次梁是有坡度的，因此在钢垫板下用C30的细石混凝土进行二次浇注填平。
图6钢构件应力比简图 图7GKL6与下部混凝土构件连接
3.3 钢平台楼面设计
钢平台的楼板采用组合楼板，适应了主体钢结构快速施工的要求，能够在短时间内提供坚定的作业平台。钢平台的一体化需要依靠楼板，因此本次设计的楼板须与原结构具有很好的连接才能保证钢平台的安全性。钢平台的楼板采用压型钢板通过栓钉与钢结构的主梁和次梁连接。本工程中压型钢板采用YXB75-200-600，钢板厚度为0.8mm，按非组合楼板进行设计，施工时不需施加支撑。组合楼板中压型钢板上的混凝土厚度为65mm，混凝土强度等级为C30，见图8。
图8组合楼板详图
4 结语
本文针对工人文化宫的改造，增设钢平台，分析了新增结构与既有结构的协同作用，利用PKPM软件钢平台进行设计，主要设计成果如下：
（1）对比新旧荷载，论证增设钢平台的可行性。
（2）设计了钢平台的柱、梁和楼板，并给出了新旧结构连接的做法。
（3）本工程对其他改造工程具有一定的借鉴意义。
参考文献
［1］张绍武，许哲 . 既有框架结构增设装配式翼墙及钢桁架的加固试验分析[J] . 工程加固与加固改造,2014,38（1）：42-47.
［2］中国有色工程有限公司. 混凝土结构构造手册（第四版）[M] .中国建筑工业出版社,2012.
［3］阎勇琦. 某改造工程新增空中花园结构设计及抗震鉴定[J] . 工程加固与加固改造,2014,36（3）：91-92.
关键字：钢平台；改造；组合楼板；高强化学定型螺栓
中图分类号：TU391文献标识码： A
1 前言
随着我国建筑行业的发展，对建筑功能的要求越来越多样化，很多既有建筑已不能满足业主的需求，因此对既有建筑结构进行加固改造是十分必要的［1］。本工程利用后锚固连接方法保证钢平台与既有结构有可靠连接。目前，后锚固连接的锚栓有膨脹型锚栓、后扩底型锚栓、定型化学锚栓、化学植筋，本工程采用定型化学锚栓，通过采用特制的化学粘胶剂，将螺栓胶结固定于混凝土基材钻孔中，使材料粘合和具有挤紧作用的键形嵌合来共同承载，从而实现对被连接件锚固的一种组件［2］。本文通过PKPM的STS和SATWE模块对钢平台进行建模和计算，给出了可行的改造方案，为以后的加固改造提供参考。
2 工程概况
图1 改造前建筑平面图图2改造后建筑平面图
本改造工程位于常州市武进区湖塘镇，建于2007年，建筑面积14596.8m2 ，地上五层，地下一层，结构总高22.85m，框架结构，地下部分主要为地下停车库、1~3层为活动室和活动办公，4楼为大空间活动，5层为结构空腔。建筑安全等级为二级，结构抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，设计地震基本加速度为0.10g，设计分组为第一组，长队类别为III类，基本风压为0.40.4 kN/m2，地面粗糙系数为C类。原结构平面呈矩形，长74.68m，宽54.96m。
本工程改造的部分位于二层的1#电影厅，现将阶梯形的电影厅改造成室外门球场，见图1和图2。由于室外门球场需做防水以及植草坪，所以荷载较大，取恒荷载8.0 kN/m2，活荷载3.5 kN/m2，平台结构高度为6.800m。
3 结构概念设计
本改造工程结构设计的最大核心内容是如何在现有的混凝土结构上稳固地支撑荷载较大的空中平台。根据结构概念设计的思路，分解后就是要“轻荷载”、“强节点”、“一体化”［3］。①“轻荷载”对应荷载巨大，由于平台须做防水和植草坪以及建筑功能的要求，附加恒载与活荷载无法减轻，那么尽量减轻结构自重成为达到轻荷载的唯一途径，采用钢结构形式的平台也成为了最好的选择；②“强节点”对应固有结构，在原有混凝土结构柱和梁上通过高强定型化学螺栓将钢平台稳定固定于既有结构上；③“一体化”对应现有结构，改造建筑的最大难点就是新旧结构不能有效连接，如果能使钢平台与原有结构结合成一个整体，无疑使最优的。本工程通过柱间支撑以及GKL6与混凝土结构的牢固连接，使新旧结构形成一体，这样就达到了稳固的效果，见图3和图4。
图3 钢平台柱平面布置图图4钢平台梁平面布置图
根据上述结构概念设计的思路，将钢平台等效为一个质量施加在既有结构上。地震作用等侧向荷载作用下，钢平台与既有结构一起协同工作，两者没有层间位移差，因此钢平台的施加对既有结构的自身特性影响很小。综上所述，本工程可以对钢平台进行单独建模计算。钢平台内力计算时只需考虑自身的恒载和活载，无需计算地震作用对新增结构的影响。钢平台部分的内力计算采用PKPM软件的STS模块，用SATWE进行内力分析。
3.1 新旧荷载对比
原结构设计时电影厅处的恒荷载标准值为12 kN/m2，活荷载标准值为3.5 kN/m2。为了使在原结构的基础上施加钢平台后的荷载不大于原设计荷载，必须对原结构进行卸载，对原结构面层进行无损伤凿除，结构构件凿除时须保留原结构钢筋。为保证新旧构件能协同工作和共同受力，新旧结构连接面应凿成凹凸不小于6mm的自然粗糙面并清除松散附着骨料和杂质，用高压水冲刷清洗干净，并涂刷界面剂，通过化学螺栓方式连接新旧结构。
原混凝土板的厚度为120mm，其自重为3.03 kN/m2，现钢平台及钢梁和钢柱的自重为8.5 kN/m2，则在原结构的基础上施加钢平台之后，结构恒荷载标准值为11.53 kN/m2，活荷载与原结构相同。因此，钢平台的施加使结构总荷载相比原来有所减小，这样就对原有结构的基础及柱不产生加大竖向荷载的实质影响，原有柱子轴压比、柱配筋等均与原结构基本一致。
3.2 钢柱、钢梁设计
钢平台中钢柱采用焊接箱型柱，截面尺寸为300x300x12x12,钢材采用Q345B。钢平台柱及钢梁平面布置图见图3、图4所示。钢梁截面尺寸见表1。⑤轴交F及G轴的钢梁下设置柱间支撑，支撑采用L80x8，支撑的设置保证了钢平台Y方向的侧移。
箱型柱有12根，其中中部6根连接于混凝土框柱上，其余6根连接于混凝土框梁上。模型中钢柱下端与混凝土铰接，上端与钢梁刚接。因此，柱底在内力组合下只会产生轴力，没有弯矩。箱型柱通过节点板和化学螺栓与混凝土构件连接，见图5。
次梁与主梁的连接采用铰接。经PKPM软件计算，所有构件的的应力比均小于1，满足规范要求，见图6。
表1钢梁截面表
构件编号 截面尺寸 截面形式
框梁 GKL1 HN400x200 GB热轧H型钢 Q345B
GKL2 HN500x200
GKL3 HN600x200
GKL4 HN650x300
GKL5 H（650~400）x200x10x16 焊接H型钢Q345B
GKL6 HN400x200 GB热轧H型钢 Q345B
GKL7 HN400x200
次梁 GL1 HN400x200 GB热轧H型钢 Q345B
图5箱型柱与下部混凝土构件连接
为了简化模型，将GKL6作为主梁，横向主梁将荷载传给框架柱，实际上，横向主梁通过铰接节点将荷载传给GKL6，GKL6与下部混凝土构件的连接见图7。由于GKL只承受横向主梁以及组合楼板传来的竖向荷载，因此每隔2.8m将GKL6固定于既有结构的x方向主梁和次梁上。在每个节点处，钢梁通过4个直径为16的8.8级高强化学定型螺栓与250x600的次梁连接，次梁是有坡度的，因此在钢垫板下用C30的细石混凝土进行二次浇注填平。
图6钢构件应力比简图 图7GKL6与下部混凝土构件连接
3.3 钢平台楼面设计
钢平台的楼板采用组合楼板，适应了主体钢结构快速施工的要求，能够在短时间内提供坚定的作业平台。钢平台的一体化需要依靠楼板，因此本次设计的楼板须与原结构具有很好的连接才能保证钢平台的安全性。钢平台的楼板采用压型钢板通过栓钉与钢结构的主梁和次梁连接。本工程中压型钢板采用YXB75-200-600，钢板厚度为0.8mm，按非组合楼板进行设计，施工时不需施加支撑。组合楼板中压型钢板上的混凝土厚度为65mm，混凝土强度等级为C30，见图8。
图8组合楼板详图
4 结语
本文针对工人文化宫的改造，增设钢平台，分析了新增结构与既有结构的协同作用，利用PKPM软件钢平台进行设计，主要设计成果如下：
（1）对比新旧荷载，论证增设钢平台的可行性。
（2）设计了钢平台的柱、梁和楼板，并给出了新旧结构连接的做法。
（3）本工程对其他改造工程具有一定的借鉴意义。
参考文献
［1］张绍武，许哲 . 既有框架结构增设装配式翼墙及钢桁架的加固试验分析[J] . 工程加固与加固改造,2014,38（1）：42-47.
［2］中国有色工程有限公司. 混凝土结构构造手册（第四版）[M] .中国建筑工业出版社,2012.
［3］阎勇琦. 某改造工程新增空中花园结构设计及抗震鉴定[J] . 工程加固与加固改造,2014,36（3）：91-92.