南京某商场改造扩建结构设计

[摘要] 南京某商场原结构为地下一层地上五层的钢筋混凝土框架结构，改造后为下部混凝土框架结构，屋面局部为钢框架结构。在商场北侧单层地下室范围内增加两跨，一到四层为混凝土框架结构；屋面层南北两侧新增钢结构框架结构。对结构进行整体建模计算分析，并采用合理的节点设计及构造处理。解决模型中存在的问题，完成了本次改造扩建设计。

[关键词] 混合结构；刚度突变；阻尼比突变；铰接

中图分类号：TU318文献标识码： A

1 工程概况

南京某商场地处繁华商业街区，是区域性地标建筑。原建筑是地下一层车库、地上五层商场的商业性建筑。业主为了扩大商业规模，提高商场品质，对商场进行改造扩建。扩建范围为：商场北侧单层地下室范围内的上部增加两跨，一到四层为混凝土框架结构；屋面层南北两侧新增钢结构框架。加建后主体建筑高度为23.00m，局部为26.00m。地下室层高4.0m，一层为5.0m，二~五层为4.5m，突出屋面部分为3.0m。改造后地下一层为地下车库，一到五层为商场，屋面层为露天游乐场。改造前建筑面积为28000，改造后建筑面积为33500，新增面积为5500。由于营业面积的增加以及全新的装修改造，极大地提升了商场的营业品质。各层结构布置如图1~3。

2 结构布置

北侧一到四层混凝土框架结构柱网与单层地下室柱网对齐，地下室框架柱向上接长，框架梁、板采用植筋方式与原混凝土结构连接。五层新增钢框架柱与混凝土柱采用铰接连接；框架梁与混凝土柱采用铰接连接。新增混凝土框架柱典型截面为650x650，框架梁典型截面为300x800；屋面钢结构典型框架柱为HW350x350，框架梁为HM588x300。

原地下室框架柱典型截面500x500，为同时解决框架柱轴压比及新增柱主筋的有效锚固长度问题，地下室框架柱采用四面围套的方式进行加固处理；通过加强连接节点、设置铰接构件等构造措施来解决新老结构有效连接的问题。

3 计算模型的要点与难点

（1）基础问题：原结构基础采用有梁筏板基础。由于原设计部分为单层地下室，荷载较小，基础梁配筋与主体结构相差较大。若按照常规的“普通弹性地基梁计算”的计算模块进行计算无法满足现有基础强度及配筋要求，且地下室基础的加固处理较难实现，而且效果较差。本次计算采用了PKPM中的JCCAD中“按SATWE的上部刚度进行弹性地基梁计算”的计算模块进行计算，对局部基础配筋不足部位采用新增短肢剪力墙的方法进行加固，最终满足了基础强度和配筋要求。

（2）刚度突变问题：对于屋面层，由于钢结构部分所占比例较大，因此在屋面层存在刚度突然变小的问题。解决办法为：采用振型叠加反应谱法计算取足够的振型计算数量，这样计算结果就已经体现了刚度变化所产生的结果，满足设计要求。

（3）阻尼比突变问题：采用PKPM计算时，程序只能设置一个阻尼比参数。本工程主体结构为混凝土框架结构，屋面层为局部钢框架，主体结构以混凝土为主，因此阻尼比参数取为0.05。由于屋面层含有钢结构，阻尼比与程序设置不同，存在阻尼比突变问题。解决办法为：采用振型叠加反应谱法计算足够的振型计算之后，再对屋面层结构乘以1.1的放大系数，以达到考虑阻尼比突然变小的情况。这种做法虽然在原理上无法解决阻尼比突变的问题，但是在一定程度上起到了考虑阻尼比突变问题的效果。

（4）钢结构部分连接节点：由于新增钢框架梁、柱与原有混凝土结构构件很难实现刚接节点，因此在模型中设置钢梁钢柱与原混凝土结构采用铰接连接，钢结构框架梁柱为刚接连接，主次梁之间铰接连接的形式。

（5）混凝土矩形梁转T形梁：由于原混凝土结构为2003年设计，所采用的设计规范与现行规范差异较大。为了减少原结构梁的加固量，降低造价，模型计算中考虑了混凝土矩形梁转为T形梁（即自动附加楼板翼缘）进行计算。

4.对模型的计算结果进行分析：

工程中存在刚度、阻尼比的突变，在结构计算分析和设计构造中采用如下措施：

采用SATWE和PMSPA软件进行对比分析。程序计算采用振型分解反应谱法，且计算中各振型参与质量之和大于总质量的90%。经过比较，两种软件的计算结果近似且差异较小，满足现行规范要求，见表1。屋面层由于钢结构刚度较小，计算中存在局部构件位移比超限现象，对超限构件采用增加柱间支撑的方法进行调整。

5.节点设计

在新增混凝土结构中，新老混凝土构件之间力的有效地传递是结构设计成败的关键。新增混凝土框架梁梁端部采用三面加腋的形式来增加新老构件的接触面积以及增加连接钢筋数量；通过严格检查钢筋植筋深度和植筋胶的质量来确保植筋质量；通过设置抗剪槽的形式来增加混凝土结构的抗剪能力，如图4。

钢柱与混凝土柱之间采用铰接连接，柱脚钢结构与混凝土结构之间如何有效地传递剪力成为结构设计成败的关键。由于混凝土柱头处钢筋较多，抗剪键成口较为困难，抗剪效果较难实现。将柱头处混凝土梁顶负筋凿出，通过

主要计算结果汇总 表1

计算软件 SATWE PMSAP

周期/s

T1 1.11 1.07

T2 1.05 1.04

T3 1.00 1.00

周期比Tt/T1 1.05 1.03

基底剪力/KN X向 7738.2 6521.0

Y向 7427.5 6763.0

剪重比/% X向 3.0 2.7

Y向 2.9 2.8

有效质量系数/% X向 99.5 99.9

Y向 99.9 100.0

最大层间位移角 地震作用 X向 1/743 1/713

Y向 1/1212 1/1043

风荷载作用 X向 1/2004 1/2201

Y向 1/3815 1/3974

结构总质量/t 24672.13 24476.45

钢筋将柱脚底板与梁顶负筋连接来传递剪力。单侧钢筋数量通过该方向的最大剪力来确定，如图5。

钢梁与混凝土构件之间采用铰接连接，剪力的有效传递依然是结构设计成败的关键。将混凝土构件节点处的梁柱通过钢板四面做成围套，钢梁与围套钢板采用铰接连接，如图6。

对于原框架结构的不满设计要求的构件进行加固补强设计。混凝土框架柱：轴压比超限构件采用四面围套的方式进行加固；配筋不满足要求采用外包角钢的方式进行加固。混凝土梁：对计算配筋超过40%的构件采用扩大截面法进行加固；对计算配筋不超过40%的构件采用粘贴钢板或者碳纤维进行加固。混凝土楼板：采用粘贴碳纤维进行加固。

6.施工要点

对于混凝土结构新建部分，需要严格控制植筋质量、抗剪槽有效深度等构造措施，以确保构件连接节点质量。对于加固补强构件，要严格检查进场原料质量、控制植筋的质量。

7.结语

对于下部混凝土结构上部钢结构的混合结构的计算，在设计上一直以来都没有权威的解决方案，也没有专门的设计规范作出明确规定，但是现实中这种结构确是大量存在的，这说明她存在的合理性。此类结构会产生鞭梢效应的主要原因是因为结构的刚度突然变小和阻尼突然变小。本次设计通过对设计模型的选取和有效的构造措施来解决这个问题，对类似的工程仅供参考。