深究酒店围合庭院加层设计

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在建筑平面范围内增层是对既有建筑进行改造的常用手段，受既有建筑平面布局所限，改造后，建筑功能难以得到根本的改善。将室外的庭院围合，形成共享大空间，可以使建筑的功能布局焕然一新，取得极好的经济、社会效益，是一种新思路。南京中心大酒店位于市中心最繁华地段，建成于1989年，原建筑在规模和布局上已难以满足市场的要求。在加层改造中，将1200m2的半圆形室外天井围合成9层高的超大共享空间，大大优化了酒店的功能布局。改造后，在原钢筋混凝土框架-剪力墙结构上，新增了2层楼面、9层高的幕墙体系及大跨屋面等钢结构，结构的质量、刚度、阻尼等特性均被改变，对设计提出了很高的要求。

1工程概况

原建筑为钢筋混凝土框架-剪力墙结构，地上10层，地下1层，主屋面至室外地面高40m。中柱截面600×600，边柱400×800，剪力墙厚度200，混凝土强度层4及以下为C40，层4以上为C30，梁、柱主筋为HRB335级，其余钢筋为HPB235级。运营至今，经现场检测鉴定［1］，土建和设备情况良好。原设计执行的是74版规范［2］，手工计算，改造设计依据的是08版抗震规范［3］，采用SATWE和MIDAS两种软件，新老设计的主要参数见表1。为适应市场要求，业主要求在层10屋面以上增加设备及办公层，并将原层4室外平台及游泳池采用玻璃幕墙和轻钢屋面围合，形成共享空间，改造后的结构平面和剖面见图1。新增的26m高钢桁架支承体系和48m跨度的网架屋盖，与新增的钢框架结构连成一体共同工作，受力非常复杂，施工条件异常苛刻。目前该项目已顺利完成，投入正常使用，效果非常好。

2概念设计及相关参数

为尽量减小对既有建筑的影响，加层改造设计中必须严格控制结构的自重［4］。本工程拆除了不需要的屋面设备及附属结构、室外游泳池及装修、屋面装修层。新增结构及装修严格控制自重，经核算，原结构与加层后结构质量分别为30660，33215t，改造后的结构自重仅仅略有增加，增加率为8.3%。增加的自重主要通过新增的幕墙桁架(图2)直接传递至层4室外平台。原结构按照74版规范［2］设计，第1阶振型为扭转，不满足高规［5］的要求。在建筑两侧缺口内新增的电梯井井壁处增设钢支撑后，结构第1阶振型变为平动，第3阶振型为扭转，周期比0.840，满足高规［5］的要求，新增结构有效改善了扭转对原结构的不利影响。改造前后的自振周期见表2。对改造前后的基底剪力(表3)进行对比，层改造后结构基底剪力X向增大0.43%，Y向增大3.16%，剪重比满足高规［5］要求。整体分析得到的位移值见表3，新增钢结构的抗侧刚度比原结构小，最大水平位移和层间位移均满足高规［5］要求。从以上对比可以看出，新增结构可以满足高规［5］的要求，对原结构的影响较小，将原结构局部不满足要求的构件加固后，原结构可以承受新增结构传来的荷载，加层改造方案可行。

3加层结构体系及传力路径

原结构为框架-剪力墙结构，为使新增结构的受力特性尽量与原结构接近，加层部分采用带支撑的钢框架结构。框架梁柱均采用热轧H型钢，钢梁为HN350×175×7×11，钢柱为HW300×300×10×15。钢框架主要负责将竖向荷载直接传递至原混凝土框架柱顶，加层部分的水平作用通过楼板、面内支撑等平面构件传递至钢支撑，钢支撑将水平作用直接传递至中部及两侧的混凝土剪力墙。剪力墙上钢支撑布置见图1(a)中阴影区域。如图1(b)所示，围合室外天井的幕墙结构和网架屋面受力比较复杂，是需要重点解决的设计难点。半圆形的网架屋面沿圆弧一侧铰支于新增的钢框架柱上(点A)，沿立面幕墙一侧铰支于幕墙的钢桁架上(点B)。钢桁架将屋面及幕墙荷载传递至层4的混凝土柱上(点D)，建成后效果见图2。屋面采用网架结构，既能将竖向力可靠传递至周边的支座，又能利用剪力墙、钢支撑刚度大的特点，将水平作用可靠传递至这些构件。通过合理的节点构造，将钢框架、玻璃桁架和屋面网架连成一个整体，主要受力构件直接固定在剪力墙上，形成了可靠的受力体系，传力路径明确，受力合理。

4加层后结构的地震作用分析

原结构为钢筋混凝土框架-抗震墙结构，加层改造后结构变为钢-混凝土混合体系，属于非比例阻尼结构系统，其整体阻尼比的确定是计算地震分析中的关键问题［6］。目前主要有3种方法确定轻钢加层结构的整体阻尼比:1)直接采用下部结构原有阻尼比0.05，忽略轻钢加层部分对整体结构阻尼比的影响;2)以钢和混凝土结构各自的刚度为权重算出的整体结构折算阻尼比;3)采用非比例阻尼，将结构的阻尼矩阵表示为质量矩阵和刚度矩阵的线性组合，该方法精度较高。采用上述3种方法对地震作用进行了分析，结果见表4。分析中混凝土结构的阻尼比取0.05，钢结构的阻尼比取0.02，按照刚度推算，折算阻尼比为0.04，非比例阻尼由程序根据两种结构的阻尼比计算得到。以上分析结果表明:按照非比例阻尼分析，加层改造后结构的阻尼比在0.04～0.05之间，与混凝土结构的阻尼比比较接近。如果程序无法考虑非比例阻尼，可近似取0.04为折算阻尼比，结果偏安全。

5关键节点设计

新增结构构件与原混凝土结构连接的可靠性，对改造工程的安全性至关重要，需要针对新、老结构的受力特点重点设计［7］。新加钢结构的水平作用主要通过钢支撑传递至下部混凝土剪力墙，二者间的连接应当保证在相邻构件都接近破坏时仍能够可靠传力。为实现这一设计目标，采用了新、老结构间增加现浇卧梁的做法，如图3所示。卧梁与原结构剪力墙顶部有足够大的接触面，采取了周边设抗剪槽口、界面凿毛并涂界面处理剂、植短钢筋等多种界面处理技术，确保与原结构的可靠连接。新增钢结构由加层框架、立面幕墙、网架屋面三个部分构成，图1(b)中幕墙桁架上点D铰支在框架柱顶，可承受全部的竖向荷载;点C搁置在大框架梁上，可通过变形释放网架的温度应力，为极端情况下的备用支座;网架上点A支承在钢牛腿上，网架竖向荷载偏心弯矩可平衡部分内跨钢梁的负弯矩，减小钢柱的弯矩。半圆形网架屋面与加层框架和立面幕墙间的固定铰是将新增结构连成整体的关键节点，该节点不但要传递竖向荷载，还要将各部分的水平作用互相传递，因此在网架平板支座上增加了水平加劲肋保证水平力传递更为顺畅，如图4所示。

6结论

(1)将室外庭院围合成大的共享空间，会大大改善既有建筑的使用功能，获得非常好的经济和社会效益。

(2)围合室外庭院会导致建筑的质心和刚心偏移，可通过增加钢支撑等抗侧构件调整质量和刚度的分布，改善结构抵抗水平作用的能力。

(3)加层改造后的钢-混凝土混合体系属于非比例阻尼结构系统，阻尼比介于0.04～0.05之间，可偏保守地取为0.04。

(4)新老结构间连接的可靠性对这类工程至关重要，可采取在原结构上增设现浇混凝土卧梁的方式保证传力的可靠。