某大廈鋼筋混凝土框—剪結構加層方案分析

任瑞君

(長治市襄屯灌區(qū)管理局，山西長治 046000)

1 工程概況

大廈主體地上12層(局部13層為凸出屋面電梯間)，地下1層，樓北側為2層裙樓。該建筑主體平面布局為矩形，建筑物長57.6 m，主樓寬14.4 m，裙樓寬24 m。建筑物總高度為 47.8 m，地下1層高為3.3 m，1層～2層高均為5.0 m，3層～11層高均為3.7 m，12層高為4.5 m，總建筑面積為13 500 m2。該大廈主體采用鋼筋混凝土框架—剪力墻結構，裙房采用純鋼筋混凝土框架體系，樓屋蓋為鋼筋混凝土現(xiàn)澆梁板體系，基礎為鋼筋混凝土筏板基礎。該樓自建成后投入使用已11年，目前因使用需要，業(yè)主單位擬在該大廈現(xiàn)有結構上增加5層，本文對該樓現(xiàn)有結構加層可行性進行分析。

2 結構加層有關問題分析

2.1 加層方案分析及提出

結合現(xiàn)場情況和結構實際情況，加層方法采用直接加層法較為可行。直接加層法，即在原有房屋上不改變結構承重體系和平面布置，直接加層的方法。直接加層方案具有合理的結構體系，明確的傳力路線和計算簡圖，結構的整體性較好，并可保證加層后新舊結構的協(xié)調(diào)工作，適用于原承重結構與地基基礎的承載力和變形能滿足加層的要求，或經(jīng)過加固處理后即可直接加層的房屋。

實際操作時可考慮以下兩種直接加層方案:

1)方案一:按原柱網(wǎng)布置體系，采用鋼筋混凝土框架剪力墻結構直接進行加層。2)方案二:按原柱網(wǎng)布置體系，采用鋼框架—剪力墻鋼結構直接進行加層。

以下從加層結構安全性、經(jīng)濟性及適用性等方面對兩種方案進行對比分析。

1)加層后整體結構的安全性。采用混凝土結構直接加層方案，加層后結構的整體性較好，可保證加層后新舊結構的協(xié)調(diào)工作，整體結構材料統(tǒng)一，抗震性能好，新舊構件連接節(jié)點處理容易實現(xiàn)。而采用鋼結構加層方案，增加豎向荷載雖較少，但存在加層后新舊結構不能良好協(xié)調(diào)工作的情況，節(jié)點處理困難，不易保證施工質(zhì)量等問題，特別是在地震作用下，由于新增結構部分的剛度和質(zhì)量都較下部原有結構小，極易出現(xiàn)“鞭梢效應”，在遭受多遇地震(50年一遇)時，加層部分水平變形加大，恐帶來結構抗震安全問題，極易導致裝修部分出現(xiàn)各類損壞，造成損失。2)經(jīng)濟性。根據(jù)業(yè)主單位擬在該大廈現(xiàn)有結構上增加5層的要求，目前地基基礎及底部加層框架柱很可能無法滿足加層后的極限承載力要求，需要進行專門的地基加固和混凝土構件加固。采用方案一混凝土結構直接加層方案，因加層部分主要材料為混凝土，自重較大，將導致地基基礎和下部混凝土構件承擔更大的附加荷載，地基加固和混凝土構件加固費用提高，但上部新增部分為混凝土材料，建設成本較低。若采用方案二鋼結構加層方案，新增部分自重相對較輕，下部構件及基礎承擔附加荷載稍小，但上部新增部分材料為鋼材，建設成本較高。根據(jù)經(jīng)驗，相比之下，二者的經(jīng)濟性相當。3)適用性。根據(jù)實踐經(jīng)驗，采用方案一鋼筋混凝土加層方案，更容易滿足加層房屋的建筑立面造型美觀，并應與原建筑及周圍環(huán)境相互協(xié)調(diào)的要求，同時容易滿足加層后日照、防火、衛(wèi)生、抗震等有關現(xiàn)行國家規(guī)范的要求。

綜上對比，建議采用方案一進行加層。

2.2 現(xiàn)有地基承載力分析

采用直接加層法，地基承載力的確定是加層設計中至關重要的問題，其大小決定增加層數(shù)和上部結構方案的選擇，所以首先應該弄清既有房屋現(xiàn)在的地基承載力。該樓采用水泥旋噴樁人工復合地基，處理后地基主樓要求達到200 kPa，裙樓要求達到150 kPa。旋噴樁樁長10 m，樁位按正三角形布置，主樓樁距1 750 mm，裙樓樁距2 100 mm，樁直徑不小于700 mm。加層房屋的地基承載力，可根據(jù)壓密后的地質(zhì)勘察資料確定;也可在原有地質(zhì)勘察資料的基礎上，參照房屋使用年限，依據(jù)成熟的經(jīng)驗確定。一般認為舊有房屋的地基承載力在既有房屋荷載作用下，地基固結，產(chǎn)生壓密效應而得到提高。這種土的壓密過程與基礎壓力的大小、基礎寬度、房屋建成的時間、土體本身的性質(zhì)及滲透性、排水條件等有關。根據(jù)經(jīng)驗，一般情況下可比原始承載力提高10%～30%。

結合本樓使用年限、地基處理情況及目前地基基礎使用情況，并且考慮到目前該建筑采用的剛度較大的地梁筏板式基礎，上部結構剛度亦較大，結構整體性好，建筑物對地基不均勻變形的適應能力較強，因此可考慮上部結構，基礎和地基的共同作用，可在原地基承載力上做適當提高。加層設計時取到原地基承載力提高約15%是合理的。

目前該大廈算地下室在內(nèi)為13層，若加層設計是考慮采用自重較輕的填充墻材料，滿足直接增加1層～2層混凝土結構的要求是沒有問題的。但是若根據(jù)業(yè)主建筑功能需求，增加5層，則新增5層結構的豎向荷載在現(xiàn)有13層結構的豎向荷載所占比例為38.5%，目前地基的承載力提高幅度達不到要求，承載力不能滿足直接增加5層的需要，必須進行適當?shù)牡鼗庸獭?/p>

2.3 結構總高度變化帶來的問題

現(xiàn)有結構總高度自室外地面算起至主要屋面板頂為48.7 m，根據(jù)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》表3.9.3關于A級高度的高層建筑結構抗震等級的規(guī)定，目前該大廈結構總高度為48.7 m，小于60 mm，在8度區(qū)，框架—剪力墻結構中的框架部分的抗震等級應為二級，剪力墻部分的抗震等級應為一級。

加層后，考慮到建筑功能需要，加層層高不應小于3.6 m，若在頂層設置會議室，則新增樓層層高就會更高一些。若直接增加5層，則加層后的結構總高度就超過了60 m，達到約70 m，按表3.9.3的要求，大于60 m時，在8度區(qū)，框架—剪力墻結構中的框架部分的抗震等級應為一級，剪力墻部分的抗震等級應為一級。故由于加5層，導致框架部分的抗震等級由原來的二級提高為一級，由此對原框架結構的抗震構造措施必須增強，進行專門加固。

3 加層設計主要宏觀控制指標考察

采用中國建筑科學研究院開發(fā)的設計軟件PKPM中SATWE模塊分別對現(xiàn)有12層鋼筋混凝土框架—剪力墻結構、12層+5層鋼筋混凝土框架—剪力墻結構建模計算，建模起算高度從基礎筏板地梁頂面算起，考慮地下室嵌固作用，計算模型見圖1，圖2。

圖1 12層結構計算模型

圖2 12層+5層結構計算模型

在原有結構上增加5層后，結構高度增大，變得相對細長，結構總側移剛度下降，周期值延長，見表1。周期變長，地震影響系數(shù)取值降低，但由于加層使得結構重力荷載代表值總體增大，最終仍導致結構地震作用相對增大。根據(jù)表2可知該結構加層后以結構扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與以平動為主的第一自振周期之比1.289 2/1.532 6=0.841，小于0.9，符合《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》第3.4.5條的要求。

表1 結構加層前后自振周期變化對比結果

考察底部柱計算軸壓比值，加層前結構底層柱最大軸壓比為0.74，在原有結構上增加兩層后，加層后結構底層柱最大軸壓比值為0.98，增幅為32.4%，遠超過GB 50011-2010建筑抗震設計規(guī)范第6.3.6條內(nèi)容:對于一級框架(按加層后混凝土構件抗震等級要求考慮)，柱軸壓比限值不宜大于0.75的規(guī)定，滿足要求。

依據(jù)GB 50011-2010建筑抗震設計規(guī)范表5.5.1要求，鋼筋混凝土框架—抗震墻結構彈性層間位移角限值為1/800?？疾旖Y構在偶然偏心影響下的層間位移角，在原有結構上增加5層后，層間位移增大，個別層結構橫向水平地震作用下結構計算彈性層間位移角超過1/800，不滿足現(xiàn)行GB 50011-2010建筑抗震設計規(guī)范要求。

因此由計算可知，加5層后結構的宏觀指標多不滿足GB 50011-2010建筑抗震設計規(guī)范要求。因此，采用直接加層法在現(xiàn)有結構上部直接增加5層鋼筋混凝土框架—剪力墻結構，必須先加固后加層。

4 結語

1)根據(jù)業(yè)主使用功能需要，采用直接加層法增加層數(shù)為5層時，考慮到原有結構與加層結構的整體性與一致性和抗震安全性能，經(jīng)濟性及適用性，推薦采用鋼筋混凝土框架—剪力墻結構直接加層。

2)對現(xiàn)有結構直接增加5層鋼筋混凝土框架—剪力墻結構，受《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》表3.9.3關于A級高度的高層建筑結構抗震等級的規(guī)定所限，則該加層項目為超限工程項目，必須由有關專家進行專門論證，同時須考慮對地基基礎和結構下部采取合理有效的加固措施。加層設計與加固設計應統(tǒng)一進行，加固施工應先于加層施工。

3)加層部分填充墻、屋面保溫層、防水層、裝飾裝修做法應盡量采用輕質(zhì)材料，盡量減少地基基礎和下部柱的附加荷載，盡量減少地基基礎及下部結構的加固工程量，提高經(jīng)濟效益。

4)新舊結構連接部位的設計和施工質(zhì)量直接關系到加層后的整棟建筑的安全承載，包括對豎向靜力荷載和水平地震作用的承載，加層設計時應給予高度重視，提出切實安全可靠，并且可行的連接方法。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設計規(guī)范［S］.

［2］JGJ 3-2002，高層建筑混凝土結構技術規(guī)程［S］.