贾挺1 黄爱萍2
四川省西南建科建筑工程技术有限公司 成都 610081
摘 要：对某大跨度柔性屋盖体育馆结构改造前的整体性能进行了现场检测及分析计算。本工程主要结构构件满足目前状态下的安全性及使用性要求。主体结构及预应力拉索承载能力基本满足现行规范要求。后期改造设计可参考原结构设计文件。本文可为类似体育馆建筑的加固改造工程提供一定参考。
关键词：索穹顶；体育馆；改造设计；可行性分析；空间结构
引言
20 世纪 70 年代以来，西方发达国家即转变了“大拆大建”的城市建设观念，并逐渐重视老建筑的再利用。到了 80 年代以后，既有建筑的整修和再利用已经成为西方城市中建筑开发的基础方式之一。在英国和美国，所有的建筑施工项目中，大约有一半以上都涉及既有建筑的改造[1]。近年来，我国出现了一批既有建筑再利用案例，有些已经不局限于单体建筑的改造，而出现了小范围区域内的城市更新，例如上海的新天地、M50，北京的 798。这些已经运营使用较长时间的成熟案例，可以为在国内本土环境下的旧建筑改造提供宝贵的经验。伴随着我国对于建筑节能的要求，政府已经开始引导对功能老化、节能不达标的既有建筑进行改造[2]。2007 年，“既有建筑综合改造关键技术研究与示范”成为国家的“十一五”科技支撑计划重大项目。
改造既有建筑指通过一定的建筑设计技术或策略，使老化或废弃的既有建筑或其部分继续以建筑的功能为人们更好地使用。与建筑修复不同的是，改造后的既有建筑是具有使用功能的，而修复后的建筑不具有建筑正常的使用功能。既有建筑改造项目不同于新建项目，受场地和原有建筑的制约，资金投入有限，有的还要求边使用边改造，工期紧、施工条件受限制，没有太大的灵活性。加上旧建筑原始技术图纸常常较难找到或找全，实测图纸又多少存在一定的误差，给设计和施工带来一定的困难和返工。本文以某柔性屋盖体育馆结构整体改造项目为例，从技术上分析其改造方案的可行性。
1 工程概况
某柔性屋盖体育馆位于四川省成都市，该体育馆房屋现状如图1所示。该工程设计年代为1970年代末，于1980年竣工。其主体为预制装配式钢筋混凝土结构，由24根预制钢筋混凝土柱围绕原灯光球场外围呈圆形布置，各预制柱之间由多道预制钢筋混凝土梁、墙板、预制板（看台板）和槽板（楼面、屋面板）连接成空间结构（图1），柱顶设钢筋混凝土环梁固定轮辐式张拉索结构屋盖。屋盖平面投影为直径61.0m的正圆形，中心钢桁架内环柱高度为6.0m，屋盖投影面积约为3000m2（图2）。
由于使用功能改变的要求，于1995年进行了内部改造，拆除了原内部的灯光球场和部分1980年建造的看台，并在内部新建四层框架结构做商业功能使用，内部新建的框架结构与1980年建造的外围结构之间设有变形缝。现拟对体育馆进行再次综合改造，恢复其作为体育场馆的原本功能。
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图2.轮辐式索屋盖布置图
Fig. 2 Layout.of wheel-spoke shaped cable structure
2 现场检测分析
2.1 下部结构现状调查
该工程基础放置在砂卵石层上，地基耐力按30t/m2计，预制钢筋混凝土柱与杯口形独立基础连接，杯口形独立基础（XJ-1）尺寸B×H为4.0m×5.4m，设计基底埋深为3.0m。杯口形独立基础设计采用200#混凝土，杯口底先采用300#细石混凝土抹平，待柱插入杯口形基础位置校正后，四周再采用300#细石混凝土填实。体育馆主体为预制装配式结构，由24根预制钢筋混凝土柱围绕原灯光球场外围呈圆形布置，各预制柱之间由多道预制钢筋混凝土梁、墙板、预制板（看台板）和槽板（楼面、屋面板）连接成空间结构，柱顶设钢筋混凝土环梁用来固定轮辐式张拉索结构屋盖。
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a) 基础平面布置 b) 标高3.630m平面布置 c) 标高16.670m平面布置
图3.结构平面布置图
Fig. 3 Plane?layouts of the?structure
预制钢筋混凝土柱（YZ-1）各部分的截面尺寸（b×h）主要为550mm×1100mm、550mm×1030mm~1500mm、550mm×557.5mm~950mm、550mm×950mm~1200mm等。预制柱设计采用200#混凝土，钢筋采用25MnSi（C）、16Mn（B）和A3（A）。预制钢筋混凝土柱大样见图4.a所示。
钢筋混凝土梁的截面尺寸（b×h）主要为250mm×600mm（YL-1、YL-4、YL-5）、200mm×800mm（YL-2）、250mm×700mm（YL-3）、1400mm×1100mm（柱顶环梁）等。看台板（预制板：YKB-1、YKB-2、YKB-3）的设计板厚为50mm，楼面、屋面板（槽板：YCB-1、：YCB-2、YCB-3、YCB-4、YCB-5）呈倒U形，截面高500mm，截面宽主要为780mm和830mm。预制钢筋混凝土梁、环梁、预制板和槽板设计采用200#混凝土，钢筋采用16Mn（B）和A3（A）。预制板和槽板截面示意见图4.b所示。
标高9.750m~14.300m之间的预制墙板（YQB-1）设计厚度为30mm，设计采用200#混凝土，钢材采用冷拔低碳钢丝（Ab4）和3号钢。设计通过柱上预留对穿孔以及预埋件焊接的方式将预制柱与预制梁连接，预制板（看台板）、槽板（楼面、屋面板）和墙板通过预埋件焊接的方式与主体结构梁、柱连接。
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a) 预制钢筋混凝土柱 b)预制槽型板截面
图4.预制构件大样图
Fig.4 Details of the prefabricated?component
2.2 上部结构现状调查
城北体育馆钢结构屋盖采用轮辐式张拉环索结构，屋盖平面投影为直径61.0m的正圆形，中心钢桁架内环柱高度为6.0m，作为飞杆支撑屋盖环形索以形成屋盖“碟形”空间形状。屋盖上、下环形拉索各由24根高强度预应力钢绞线组成，设计强度要求不低于1500MPa，上索外表面直径38.4mm，下索外表面直径为48.4mm。因上下拉索为对称通长张拉，环形拉索与钢桁架内环柱、钢筋混凝土外环共同形成自平衡受力体系，中心钢桁架内环柱只承受索网找形产生的压力。钢筋混凝土外环梁的截面尺寸（b×h）为1400mm×1100m，屋盖顶部中心设有约2.0m高的钢结构天窗架。屋盖结构于上索面布设环向角钢檩条，其上再铺设木材次檩条，最外层采用铝单板作为屋面围护。
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图6.索穹顶围护体系现状
Fig.6 Status quo of building envelope
屋盖钢结构部分主要构件包含上下层拉索、中心钢桁架内环柱。其中钢桁架内环柱及天窗架均采用焊接方式连接，且主要为角焊缝连接。现场检测主要构件截面规格分别为：上索A36.6mm、下索A45.6mm（因张拉造成截面略微缩小）；钢桁架内外柱的环向横梁为双拼L125×80×7mm不等肢角钢，桁架立柱为［20a热轧槽钢（间距1500mm），柱间支撑为双拼L63×63×5.0mm等肢角钢。经现场检查证实，该屋盖上述结构构件的结构布置和截面规格与原设计图纸相符，未发现存在构件缺失情况，亦未发现上述构件存在影响结构安全的变形及裂缝。
2.3 预制PC构件检测
本项目下部钢筋混凝土主体结构基本为预制PC构件，经过近40年的使用，结构构件外观未发现明显损伤裂缝，钢筋也未见明显锈蚀。现场对梁柱等关键构件的规格、配筋以及混凝土强度进行验证性检测，检测结果分别为表1及表2所示，现场实测结果与原结构设计图纸基本吻合，当前改造设计可基于原结构设计图纸进行建模分析。
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3 结构抗震性能分析
根据《建筑抗震鉴定标准》（GB 50023-2009）第1.0.4条[3]，该工程建造于1970年代末，其后续使用年限不应少于30年；根据《建筑抗震鉴定标准》（GB 50023-2009）第1.0.5条，后续使用30年的建筑应按A类建筑进行抗震鉴定。根据《建筑抗震设计规范》（2016年版）（GB 50011-2010）第A.0.23条[4]，该体育馆所处地区基本抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计分组第三组。根据《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223-2008）第6.0.3 条及其条文说明的相关要求[5]，抗震设防类别为重点设防类（乙类）。
3.1 下部结构建模分析
基于原结构设计图纸，采用PMSAP软件对该体育馆现有的预制钢筋混凝土柱、梁组成的钢筋混凝土主体结构进行三维空间建模，验算模型见图7所示。预制墙板、预制板（看台板）和槽板（楼面、屋面板）的恒载按等效计算加载至预制钢筋混凝土梁上。活荷载按《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）的相关要求，不上人屋面活荷载取0.5kN/m2，一般楼面活荷载取2.0kN/ m2，无固定座位的看台活荷载取3.5kN/m2，屋盖体系质量等效为恒载施加于柱顶。
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图7.下部结构分析模型
Fig.7 Analysis model of frame structure
根据《建筑抗震鉴定标准》（GB 50023-2009）第6.2.2条，城北体育馆预制钢筋混凝土柱、梁实际达到的混凝土强度等级满足规范要求。根据《建筑抗震鉴定标准》第6.2.3条的规定，经验算，城北体育馆钢筋混凝土主体结构预制柱、梁的纵向钢筋和横向钢筋配置满足规范要求。根据《建筑抗震鉴定标准》第6.2.4条，城北体育馆预制钢筋混凝土柱箍筋的最大间距和最小直径满足规范要求。
3.2 上部屋盖建模分析
本项目轮辐式张拉索结构为索杆结构体系，采用3D3S空间钢结构分析设计软件建立有限元分析模型，分析中考虑几何非线性以考虑拉索预应力形成的结构体系几何刚度。环形屋盖结构三维计算模型如图8所示。屋面体系自重取值：0.6kN/ m2（上弦层），0.1kN/ m2（下弦层）；满跨活载0.5kN/m2（上索面）；屋面风吸荷载基本风压w0=0.3kN/ m2，风荷载体型系数-1.0；拉索初始预张力338.0kN（上索），452.5kN（下索）。
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图8.上部屋盖分析模型
Fig.8 Analysis model of cable dome
依据现场实测构件规格和恒荷载对城北体育馆轮辐式环索屋盖主体结构进行结构承载力验算。本项目环索屋盖结构的刚度和承载力主要由高强预应力拉索提供，设计图纸要求其强度不低于1500MPa，根据拉索有效截面积换算得到上下索破断力分别为1005kN和1590kN。结构计算过程中主要验算对象为上下拉索强度、承重索垂度、屋盖最大挠度。按照表3不同工况列出验算结果如表4所示，其中规范限值参考文献[6]。
验算结果表明，屋盖结构在恒载及活载组合作用下上下拉索索力均小于抗拉力设计值，上索垂度及下索垂度均小于规范限制，屋盖中部竖向挠度小于规范限制。结合现场检测结果及结构承载力验算，目前荷载条件下屋盖钢结构构件承载能力满足现行规范要求及使用需求。
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4 结论
本文针对某既有柔性屋盖体育馆结构整体改造可行性进行了分析，得到如下结论：
1）本工程历经约40年使用，结构构件状态良好，未发现明显损伤位置。
2）结构构件规格、配筋以及材料牌号与设计文件一致，后续改造设计可基于原结构设计文件进行。
3）按照现行相关规范对该体育馆结构抗震性能进行了分析计算，其抗震性能基本能够满足现行规范要求。
4）本工程预应力柔性屋盖中拉索边界条件较复杂，不同于边界条件简单的斜拉索构件，传统频率法测试索力可能较难获得拉索真实索力状态，应对其现场检测方法做重点讨论。
参考文献：
[1] 杨小芹. 建筑结构改造设计和加固技术综合分析[D]. 邯郸：河北工程大学，2013.
[2] 温东辉，宋凤明，刘自成，等. 肇庆体育中心升级改造加固设计[J]. 广东土木与建筑，2018，25（3）：71-75.
[3] GB50023-2009《建筑抗震鉴定标准》[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2009.
[4] GB50011-2010《建筑抗震设计规范》[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2016.
[5] GB50223-2008《建筑工程抗震设防分类标准》[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2008.
[6] JGJ257-2012《索结构技术规程》[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012.