多層住宅加層設(shè)計(jì)案例分析

唐小輝（華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司， 上海 200011）

我國城市中既有的多層砌體住宅存量大、分布廣。這類多層住宅普遍為 5～7 層，無電梯。隨著人口老齡化的加劇，對既有住宅小區(qū)加裝電梯的需求越來越迫切。由于加裝電梯改造工程涉及問題多、投資大，原住戶（對于老舊小區(qū)以老年人居多）大多難以承擔(dān)全部的費(fèi)用，因此到目前為止，這方面進(jìn)展十分緩慢。有人設(shè)想通過在既有住宅頂部加建 1 層上市銷售以補(bǔ)貼改造費(fèi)用的方法解決上述問題。但是，既有住宅加層會導(dǎo)致既有結(jié)構(gòu)受荷作用出現(xiàn)不利改變，因此需要進(jìn)行專門分析與加固設(shè)計(jì)，才能保證原結(jié)構(gòu)安全。本文以上海某多層住宅加層項(xiàng)目為例，對加層設(shè)計(jì)和加層結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1 項(xiàng)目背景

上海某多層住宅建于 20 世紀(jì) 90年代中期，為一幢底層框架上部砌體的住宅樓，共 7 層。住宅平面形式近似為矩形，東西向總長 43.2 m，南北向總寬 12.3 m，開間尺寸主要為 3.3 m、3.6 m 和 3.9 m。房屋共設(shè)置有 2 個(gè)樓梯間，入口設(shè)在北立面。房屋底層為朝南的沿街商鋪，層高為 3.9 m，框架結(jié)構(gòu)；房屋 2～7 層均為住宅，層高均為 2.8 m，磚砌體結(jié)構(gòu)。

原結(jié)構(gòu)每層均設(shè)置圈梁和構(gòu)造柱。樓（屋）面板形式：2層現(xiàn)澆，3層以上（除廚房衛(wèi)生間）均為預(yù)制多孔板。基礎(chǔ)形式：預(yù)制短樁＋梁板式片筏基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深－1.950 m，其中樁尺寸為0.2 m×0.2 m×8 m，間隔約 1 m×1 m，周邊基礎(chǔ)承臺外挑。

該住宅原設(shè)計(jì)承重墻均為240 mm厚，其中 1、2 層采用 MU10黏土磚、M10混合砂漿砌筑（±0.000 m以下采用M10 水泥砂漿）；3至7層采用MU10黏土多孔承重磚，M7.5和M5的混合砂漿（其中M7.5用于3至5層，M5用于6至7層）。混凝土強(qiáng)度：基礎(chǔ)墊層采用C10混凝土，底層框架梁柱采用C30混凝土，圈梁構(gòu)造柱等為C20混凝土。原標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面圖（局部）見圖1。

圖1 原標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面圖（局部）

2 加層設(shè)計(jì)

該住宅項(xiàng)目擬在建筑北面增設(shè)2部電梯，同時(shí)在屋頂新增1層結(jié)構(gòu)，新增層的屋頂采用坡屋頂。增設(shè)電梯采用傳統(tǒng)的鋼框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)，與主體結(jié)構(gòu)弱連接。

按傳統(tǒng)的做法在屋面直接增設(shè)1層，由于自重增大，會引起下部各樓層水平作用的增大，勢必需要對下部樓層進(jìn)行大面積加固，成本很大。為盡量減少對原有砌體結(jié)構(gòu)的加固，采取以下措施：①拆除原有屋頂?shù)幕炷了?，可減少約52 t的重量；②加層的內(nèi)外填充墻均采用輕質(zhì)隔墻以減輕自重荷載；③在新增層的柱底增設(shè)鉛芯橡膠支座，有效減少整體結(jié)構(gòu)的水平地震作用。

鉛芯橡膠支座設(shè)置在原有屋頂標(biāo)高上，考慮到此處為結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)部位，而原有砌體房屋的屋蓋為預(yù)制板結(jié)構(gòu)，因此將原有屋蓋上部面層鑿除，上部重新澆筑 60 mm 厚的混凝土。在原墻頂對應(yīng)位置設(shè)置上翻梁，交叉處擱置鉛芯橡膠支座，在支座位置的梁局部加寬，以滿足構(gòu)造要求。在鉛芯橡膠支座上部現(xiàn)澆一層混凝土梁板結(jié)構(gòu)。新增結(jié)構(gòu)采用框架混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。屋頂鉛芯橡膠隔震支座詳圖見圖2。

圖2 屋頂鉛芯橡膠隔震支座詳圖

3 加層結(jié)構(gòu)分析

3.1 屋頂減隔震

根據(jù)現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，底層框架-抗震墻砌體房屋在 7 度抗震地區(qū)（上海）最高為 7層，限高 22 m。本項(xiàng)目房屋加層之后層數(shù)及總高均超限。

為了提升原結(jié)構(gòu)的抗震能力，在新增層的柱底增設(shè)鉛芯橡膠支座—起到類似于調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）的減震作用。當(dāng)水平地震作用傳來，因?yàn)殂U芯橡膠支座水平抗側(cè)剛度較小，易于屈服進(jìn)入材料的彈塑性階段，所以通過鉛芯橡膠支座的滯回耗能有效減少整體結(jié)構(gòu)的水平地震作用。

采用 3 個(gè)典型模型計(jì)算比較水平地震作用，分別為原結(jié)構(gòu)、直接加層和減隔震加層 3 種模型，其中后 2 種的上部加層均采用混凝土框架結(jié)構(gòu)。

計(jì)算采用彈性時(shí)程分析法，地震波選擇7條波，分別為：SHW1_AW-HKD0850411290332，Tg(0.9)；SHW2_AW-NGA_760LOMAP.MEN，Tg(0.9)；SHW3_NGA_1175KOCAELI.USK，Tg(0.9)；SHW4_NGA_1828HECTOR.0688c，Tg(0.9)；SHW5_NGA_2104DENALI.1734，Tg(0.9)；SHW6_NGA_2711CHICHI04.CHY039，Tg(0.9)；SHW7_NGA_2723CHICHI04.CHY059，Tg(0.9)。

隔震支座的部分參數(shù)如下：橡膠外徑 200 mm，鉛芯直徑 40 mm，隔震器總高度 83.8 mm，連接板厚度 12 mm，1 次形狀系數(shù) 19.4，2 次形狀系數(shù) 4.84，屈服前水平剛度為1 930 kN/m，屈服后水平剛度為 297 kN/m，水平屈服力為10.5 kN，鉛直剛度為 467 kN/mm。

3.2 地震作用下剪力對比

原結(jié)構(gòu)、直接加層、減隔震加層的各層地震剪力對比見表1。

表1 原結(jié)構(gòu)、直接加層、減隔震加層各層地震剪力對比

數(shù)值為 7 條波的平均值（按 7 度小震），并假設(shè)原結(jié)構(gòu)的各層計(jì)算剪力基準(zhǔn)值為 1.000 ，與在原結(jié)構(gòu)直接增設(shè) 1 層及增設(shè)鉛芯橡膠隔震支座加層進(jìn)行比較。根據(jù)計(jì)算可知，采用屋頂隔震支座，各層剪力均可比原結(jié)構(gòu)減少，而直接加層的各層地震剪力大部分樓層比原結(jié)構(gòu)大。因此，在原結(jié)構(gòu)水平抗震作用滿足的情況下，可不對其進(jìn)行水平抗震承載力加固，但考慮實(shí)際現(xiàn)場檢測的砂漿強(qiáng)度在個(gè)別樓層小于原設(shè)計(jì)，對原結(jié)構(gòu)抗震承載力不滿足的砌體墻仍采用鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固墻體。

含加層屋頂?shù)湫蜆菍拥卣鹱饔孟录袅Ρ葓D見圖3。

圖3 典型樓層地震作用下剪力對比圖

3.3 地震作用下位移對比

采用頂層隔震之后，原結(jié)構(gòu)各樓層的層最大位移及樓層層間位移角均較小（不計(jì)加層結(jié)構(gòu)的位移），而直接加層，各層最大位移均大于原結(jié)構(gòu)。含加層屋頂?shù)湫蜆菍拥卣鹱饔孟聦幼畲笪灰茖Ρ葓D見圖4，層間位移角對比圖見圖5。

圖4 典型樓層地震作用下層最大位移對比圖

圖5 典型樓層地震作用下層間位移角對比圖

3.4 隔震支座風(fēng)荷載驗(yàn)算

在風(fēng)荷載作用下隔震層的雙向水平剪力標(biāo)準(zhǔn)值均小于隔震支座屈服力，滿足要求。計(jì)算中考慮風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.4，具體驗(yàn)算見表2。

表2 風(fēng)荷載作用下的隔震支座屈服力驗(yàn)算 kN

3.5 基礎(chǔ)計(jì)算

屋頂增加一層后，豎向荷載約增加 13%，具體數(shù)值見表3。

表3 荷載對比表t

表3 中，隔震加層的恒載總重不包含新增電梯的這部分荷載（這部分通過新增樁基礎(chǔ)來承受的），原結(jié)構(gòu)荷載包含屋頂 2 個(gè)水箱，水箱總重約為 52 t，加層后水箱要拆除。

原基礎(chǔ)采用預(yù)制短樁+梁板式片筏基礎(chǔ)，樁布置間距為1 m×1 m，樁長為 8 m，由樁和樁間土形成的復(fù)合地基共同承受上部荷載。根據(jù)原結(jié)構(gòu)建造前的勘測報(bào)告提供的土層信息，對新增隔震層的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行沉降分析計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明最大沉降增加約 6.5 mm，實(shí)際因該房屋已經(jīng)建成超過 20 a，地基土固結(jié)已基本完成，實(shí)際沉降應(yīng)該還要小。新增電梯基礎(chǔ)底部設(shè)置錨桿靜壓樁，單獨(dú)計(jì)算其沉降，沉降值約 6.1 mm，與主體加層結(jié)構(gòu)相差很小。這樣可減少新增電梯與主體結(jié)構(gòu)之間因沉降差而產(chǎn)生的不利作用。

新增 1 層結(jié)構(gòu)，在標(biāo)準(zhǔn)組合 1.0 恒載+1.0 活載作用下，基底壓力增加約 25 kPa，考慮增加的這部分荷載由復(fù)合地基的樁間土部分來承擔(dān)，計(jì)算得樁間土的基底壓力由 41.4 kPa 增加到 66.5 kPa，仍能滿足樁間土的地基承載力要求。計(jì)算表明原梁板式片筏基礎(chǔ)的基礎(chǔ)筏板及基礎(chǔ)梁的配筋仍能滿足要求。同時(shí)由于作為復(fù)合地基，樁間距很小，筏板抗沖切承載力與樁的沖切力之比最小為 4.08；臨界截面的抗沖切承載力與相應(yīng)范圍內(nèi)的地基土的平均凈反力設(shè)計(jì)值之比最小值為 8.16；臨界截面的受剪承載力與相應(yīng)范圍內(nèi)的地基土的平均凈反力設(shè)計(jì)值之比最小值為 6.70；筏板局部受壓承載力與壓力之比最小值為 4.65。以上計(jì)算結(jié)果表明，原基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承載力有富余，可以承受增加 1 層的豎向荷載。

4 結(jié) 語

根據(jù)上述分析研究得出如下結(jié)論，可供類似既有住宅加層設(shè)計(jì)項(xiàng)目提供參考。

（1）在原多層砌體結(jié)構(gòu)上增加 1 層，如果未采取措施，原結(jié)構(gòu)的地震作用明顯增大。在新增層的柱底增設(shè)一定數(shù)量的鉛芯橡膠隔震支座后，可以有效減少地震剪力及位移，在一定程度上起到減震效果，從而提高原結(jié)構(gòu)的抗震承載力。

（2）減隔震鉛芯橡膠支座的選取，應(yīng)選擇水平屈服力較小的支座，進(jìn)行多次試算，以調(diào)整鉛芯橡膠支座的數(shù)量、位置及參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)較好的減震效果。同時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算在風(fēng)荷載作用下的支座屈服力。

（3）增加 1 層結(jié)構(gòu)應(yīng)驗(yàn)算在豎向作用下原有上部結(jié)構(gòu)及地基基礎(chǔ)的承載力。一般黏性土地基的承載力提高系數(shù)為 1.05～1.45。提高系數(shù)取值與已建成時(shí)間長度成正比，具體取值可參照上海市 DGJ 08-11—2010 《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》。上部結(jié)構(gòu)墻體在豎向作用下的承載力驗(yàn)算，應(yīng)根據(jù)最新房屋質(zhì)量檢測的砌體及砂漿強(qiáng)度進(jìn)行取值。