刍议在既有建筑改造中钢格构框架结构的应用

李成名

【摘要】本文围绕钢格构框架结构在既有建筑改造中的应用展开讨论，结合某地区既有改造项目，通过应用钢格构框架结构，在应用时制定完善的改造方案，并在方案内详细标注结构设计要点，以便提高既有建筑改造质量，为应用钢格构框架结构改造既有建筑提供参考依据。

【关键词】既有建筑;钢格构框架;建筑改造;应用

钢格构框架结构应用较为广泛，主要应用在既有改造建筑中，利用钢格构框架，可以提升既有建筑的支撑能力，改造过程较为简单，改造成本较低，并且可以提升既有建筑的抗震能力。因此，本文将重点针对钢格构架结构在既有建筑改造中的应用展开分析。

1、工程概况

以某地区文化小镇艺术中心项目为例，对该项目进行既有项目改造。该项目为2层建筑，2层使用混凝土框架作为结构，1层为砖混结构。对该项目进行改造，保证原有的层数不发生改变，建筑总面积为2600平方米。该项目所处地区情况如下：首先，抗震设防烈度为6度;其次，基本地震加速度为0.05g;第三，既有项目抗震设防为标准设防;第四，地区基本风压为每平方米0.45kN;第五，地面粗糙度为B类;第六，基本雪压为每平方米0.40kN。

2、改造方案

由于该建筑建设时间较长，结构内部出现严重的老化情况，已经无法满足日常的工作需要。对既有建筑进行改造时，需要制定改造方案，在改造方案内要求建筑的原有风貌不发生改变，只需拆除结构中楼板、填充墙等构件，尽量保留框架柱和梁。拆除结构中的楼板和填充墙，主要是楼板和填充墙只能承受自重，无法承载结构的荷载，为提升结构的荷载能力，在结构中设置全新的结构，结构中包含框架柱、梁等构件，从而形成钢格构框架结构。

对该既有建筑进行改造时，由于施工环境受到较多的限制，并且在改造时间较短，为提升改造质量，在内部架设双钢格构框架结构，在结构内组建成压型钢板和混凝土面层，一方面减少模板的使用，支模和拆模等工序减少，可以提升施工速度，另一方面在原有的混凝土柱结构相邻位置，通过设置钢柱，可以提高建筑内部空间的利用率。

在既有建筑内进行框架改造，需要在有限的空间内完成设备管线的穿梁施工的同时，还应保证建筑的净高满足使用需求，在架设钢柱和钢梁过程中，采用格构柱和格构梁，既能使设备管线穿梁施工在足够的空间内进行，还能提升框架结构整体的承载能力。

在该项目中使用的格构柱和格构梁，形状均为矩形，并且使用的肢件，均由四个不等边角钢制作。连接肢间的构件，是由横向缀条和斜向缀条组成，以此共同组建成框架结构。在使用格构柱作为结构的支撑柱体时，一般选用规格为740×250毫米的格构柱，肢件规格为140×90×10毫米，缀条规格为90×90×10毫米，肢件和缀条均由角钢组成。格构梁的规格为740×730毫米，肢件规格为125×125×12毫米，缀条规格为140×90×10毫米，肢件和缀条均由角钢组成。

3、结构设计要点

3.1整体模型计算

在既有建筑内使用格构柱和格构梁，格构柱和格构梁是由多个杆件组成，为获得杆件准确的承载能力，采用有限元软件SAP2000进行计算，在该软件内构建结构的模拟图形，在图形内计算模型的受力情况。计算的主要参数如下，包括T1、T2、Tt、X向有效质量系数、Y向有效质量系数、X向最大层间位移角、Y向最大层间位移角、X向底部总剪力、Y向底部总剪力以及建筑总重量，上述参数的计算结构如下，T1=1.18s、T2=1.02s、Tt=1.02s、X向有效质量系数为94.39%、Y向有效质量系数为99.10%、X向最大層间位移角为1/538、Y向最大层间位移角为1/258、X向底部总剪力为553.42kN、Y向底部总剪力为423.06kN以及建筑总重量为15906.74kN。

通过整体模型计算，上述结构参数符合建设标准。此外在整体模型计算过程中，建立PKPM模块，对格构柱、格构梁等杆件的强度、变形等产生的模量进行计算，将计算结果与上述结果进行对比，两组数据未出现较大的差异。

3.2格构梁缀条的布置形式

使建筑内部的净高保持原有的状态，采用格构梁缀条的布置形式，有利于设备管线顺利穿过结构中的空格，设备管线包括水管管线、电缆管线等。但是应为暖通管线设置更大的空间，在管线穿过的区域，应调整竖向和斜向缀条的布置方式，使管线可以穿过缀条。通过调整缀条的布置方式，采用格构梁杆件布置方法，要求在杆件的布置区域内，需要减少斜向缀条的使用数量，使格构梁内产生较小的剪力。如果使用到宽度较大的管线，可以扩大竖向缀条间距。通过上述布置形式，一方面扩大管线穿过的空间，另一方面提升竖向缀条的受力能力。此外减少竖向缀条的受力，可以将X形缀条放置在空腹节段的顶面和底面，最终形成三维受力体系。

3.3格构梁柱节点

在整个格构框架中，格构梁和格构柱的连接位置，是承载轴力、弯矩以及剪力的连接点。轴力、弯矩以及剪力均来自结构，结构会将上述应力作用在格构梁和格构柱上，所以提升连接点的承载应力能力，可以增强结构的抗震性能。

根据既有建筑产生的应力情况，采用2种方案加强节点的承载能力：方案一，将钢板设置在每个节点的六个面上，使节点形成实腹结构，在实腹结构的支撑下，可以提升结构的承载能力;方案二，将X形缀条安装在节点的六个面上，可以进一步提升节点的承载能力，并且使结构刚度整体水平不断增强。通过对比施工速度、成本以及结构稳定性，最终选用方案二加强格构梁柱节点的承载能力。

3.4楼板对格构梁刚度的影响

楼板对格构梁刚度的影响体现在两个方面：首先，采用混凝土楼板和钢梁组合形式，会影响到钢梁的刚度，并且钢梁与混凝土楼板无法进行一次性浇筑，一旦受到应力的作用，会使钢梁与楼板发生相对位移，从而影响到混凝土楼板的质量;其次，使用栓钉连接钢梁和楼板，利用栓钉的剪切刚度，可以防止楼板和钢梁出现变形情况，避免楼板和钢梁出现不稳定等质量问题。

在钢格构梁使用过程中，充分考虑钢格构刚度，采用包络设计方法，准确计算出钢格构梁构件的承载能力，掌握钢格构梁的实际承载能力，可以减少结构应力对混凝土楼板的影响。在计算时，还应掌握混凝土楼板对钢格构产生的应力情况，将应力控制在合理的范围内，防止钢格构梁和柱的刚度出现问题。

结语：

综上所述，在既有建筑改造过程中，采用钢格构框架结构，可以保证既有结构的样式不发生改变，并且满足既有建筑的使用需求。此外应合理布置格构梁空间，使用的缀条可以为管线的布置提供更加充裕的空间。在格构梁和格构柱的连接位置，将X形缀条设置在连接位置，可以提升连接点的承载能力，使格构梁和格构柱连接更加稳定。

参考文献：

[1]叶青，赵静，赵科科，等.上海市老旧小区综合改造体制机制和实施策略研究[J].城市住宅，2020，27（3）：74-77.

[2]王伟莉，孟滨，何艳林，等.BIM技术在民宿建筑改造设计中的应用研究[J].城市住宅，2020，27（3）：97-99.

[3]李新宇，郭灿.城市老旧小区环境改造升级研究与实践——以安徽省宿州市南环小区为例[J].城市住宅，2020，27（3）：78-80.