某辦公樓增層及局部變更對主體結(jié)構(gòu)安全性影響分析

王 博

（隴東學(xué)院 土木工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000）

0 引言

建筑物在建設(shè)過程中，因建設(shè)方要求或建筑功能的改變，往往需對結(jié)構(gòu)在施工過程中進行局部變更或者主體結(jié)構(gòu)完工后進行增層及局部改造。在原設(shè)計基礎(chǔ)上進行變更或改造是否會對原主體結(jié)構(gòu)安全性造成影響以及改造后的結(jié)構(gòu)是否能滿足承載力要求，須對原主體結(jié)構(gòu)進行全面的檢測并進行改造前后結(jié)構(gòu)承載力計算和對比分析。本文以某一鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)增層及局部變更為工程實例，首先進行原有結(jié)構(gòu)的檢測，再分別建立改造及變更前后整體結(jié)構(gòu)計算模型，通過對比構(gòu)件承載力及各項結(jié)構(gòu)整體參數(shù)，分析了增層及局部變更對主體結(jié)構(gòu)安全性的影響。

1 工程概況

該辦公樓采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)形式，地上 9 層。平面布置呈“一”字形，長 19.8 m，寬 16.0 m，總建筑面積為 3 274 m2。1～9 層均為開敞式辦公室。1 層層高 4.3 m，2～3 層層高均為 3.6 m，4～9 層層高均為 3.3 m，室內(nèi)外高差 0.45 m，結(jié)構(gòu)主體高度為 31.65 m。結(jié)構(gòu)平面布置示意如圖 1 所示。該辦公樓所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為 7 度，設(shè)計基本地震加速度值為 0.15 g，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別為 Ⅱ 類，特征周期為 0.45 s；抗震設(shè)防分類為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防（丙）類。結(jié)構(gòu)安全等級為二級，設(shè)計使用年限為 50 年，框架抗震等級為三級，剪力墻抗震等級為二級。結(jié)構(gòu)嵌固端取基礎(chǔ)頂面，剪力墻底部加強區(qū)范圍：基礎(chǔ)頂至 2 層頂（基礎(chǔ)頂至標(biāo)高 7.800 m）；約束邊緣構(gòu)件范圍：基礎(chǔ)頂至 3 層頂（基礎(chǔ)頂至標(biāo)高 11.400 m）。基礎(chǔ)采用人工成孔灌注樁，樁端持力層為礫砂層，建筑樁基設(shè)計等級為乙級?；炷猎O(shè)計強度等級：樁基礎(chǔ)采用 C30，承臺及基礎(chǔ)梁采用 C35；1 層～9 層框架柱、剪力墻、現(xiàn)澆梁及現(xiàn)澆板均采用 C35。鋼筋等級：框架柱主筋、現(xiàn)澆梁縱筋、現(xiàn)澆板受力鋼筋、剪力墻分布筋以及箍筋均采用 HRB400 級。鋼筋混凝土保護層厚度為：一類環(huán)境現(xiàn)澆板和混凝土墻 15 mm，框架柱和現(xiàn)澆梁 20 mm。填充墻采用燒結(jié)黏土空心砌塊和 M5 混合砂漿砌筑。

圖1 原結(jié)構(gòu)平面布置示意圖（單位：mm）

2 現(xiàn)場檢測

2.1 結(jié)構(gòu)布置核查

根據(jù) GB/T 50784－2013《混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［1］的規(guī)定，現(xiàn)場對該辦公樓實際結(jié)構(gòu)布置情況進行核查。核查結(jié)果表明，施工過程中該辦公樓 1～9 層1/3×C～D 軸線剪力墻取消，變更為框架梁，截面及配筋同相鄰框架梁，出屋面屋架及花架取消，主體結(jié)構(gòu)完工后在頂層新增一層輕鋼框架結(jié)構(gòu)，功能為會議室，屋面為不上人屋面，層高 3.6 m，鋼框架柱及梁均采用焊接 H 型鋼，Q345 級，屋面板采用樓承板，鋼框架柱軸線位置與下部混凝土結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件（框架柱及剪力墻）一一對應(yīng)，框架柱與框架梁均采用剛接，次梁與主梁節(jié)點采用鉸接，如圖 2～4 所示。

圖2 剪力墻變更后結(jié)構(gòu)平面布置示意圖（單位：mm）

圖3 新增鋼結(jié)構(gòu)平面布置示意圖（單位：mm）

圖4 增層及局部變更后模型

2.2 地基基礎(chǔ)

根據(jù) GB/T 50784－2013《混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，首先查閱該辦公樓地基基礎(chǔ)相關(guān)工程資料。結(jié)果表明，該辦公樓樁基礎(chǔ)端部施工至持力層，單樁承載力滿足設(shè)計要求，樁身完整。然后現(xiàn)場采用水準(zhǔn)儀對該辦公樓相鄰柱基間相對沉降量進行檢測，并對上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行檢查。檢測結(jié)果表明，該辦公樓相鄰柱基相對沉降量滿足 GB 50007－2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》［2］規(guī)定的限值要求，且上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件未發(fā)現(xiàn)因地基變形引起的反應(yīng)。

2.3 上部結(jié)構(gòu)檢測

經(jīng)現(xiàn)場檢測，該辦公樓結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土強度、鋼筋配置、截面尺寸均滿足設(shè)計圖紙要求，構(gòu)件變形滿足規(guī)范要求，未發(fā)現(xiàn)混凝土構(gòu)件存在外觀缺陷，上部結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量滿足 GB 50204－2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》［3］的相關(guān)規(guī)定。

3 結(jié)構(gòu)改造對安全性影響分析

3.1 上部承重結(jié)構(gòu)影響分析

依據(jù)圖紙及實際增層和局部變更情況，結(jié)合現(xiàn)場檢測結(jié)果，本文采用盈建科軟件分別創(chuàng)建改造前后的上部承重結(jié)構(gòu)整體計算模型，并進行復(fù)核計算，對比分析兩個模型的計算結(jié)果。荷載、結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸及材料強度值均按原設(shè)計取值，其中改造后模型中 9 層樓板活荷載按 GB 50009－2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［4］會議室活荷載 2.0 kN/m2選取，新增鋼結(jié)構(gòu)屋面活荷載取不上人屋面荷載 0.5 kN/m2。結(jié)構(gòu)阻尼比按照材料區(qū)分，混凝土為 0.05，鋼結(jié)構(gòu)為 0.04。

3.1.1 整體計算控制參數(shù)對比及影響分析

3.1.1.1 部分參數(shù)計算結(jié)果

1）振動周期。本文基于盈建科軟件對改造前后兩個模型分別進行了模態(tài)分析，在考慮強制剛性樓板假定下，得到各振型振動周期、X+Y 方向的平動系數(shù)、扭轉(zhuǎn)系數(shù)，如表 1～2 所示。

2）層間位移角。根據(jù) JGJ 3－2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［5］第 3.7.3 條的規(guī)定，在考慮強制剛性樓板假定，不考慮偶然偏心的影響下，得到改造前后兩個模型的 X 向和 Y 向樓層最大層間位移角，如圖5～6 所示。

表1 考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時的振動周期（秒）、X+Y 方向的平動系數(shù)、扭轉(zhuǎn)系數(shù)（改造前模型）

表2 考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時的振動周期（秒）、X，Y 方向的平動系數(shù)、扭轉(zhuǎn)系數(shù)（改造后模型）

圖5 改造前模型樓層層間位移

3）剪重比?？紤]地震作用下改造前后兩個模型各樓層 X 向和 Y 向樓層剪重比如表 3～4 所示。

3.1.1.2 對比分析

通過對比該辦公樓增層及局部變更前后整體結(jié)構(gòu)計算控制參數(shù)，分析結(jié)構(gòu)改造對各項控制參數(shù)的影響程度。具體對比情況如表 5 所示。

圖6 改造后模型樓層層間位移角

表3 各層 X、Y 方向的作用力（改造前）

由計算結(jié)果對比可知，該辦公樓增層及局部變更對整體結(jié)構(gòu)各項計算控制參數(shù)存在一定程度影響，但各項參數(shù)仍符合規(guī)范限值規(guī)定。經(jīng)計算，新增鋼結(jié)構(gòu)樓層 X 向最大層間位移角為 1/412，Y 向最大層間位移角為1/668，X 向最大層間位移角不滿足 GB 50011－2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（2016 年版）［6］的規(guī)定，建議在 X 向框架柱間增設(shè)支撐，提高自身剛度，進一步改善增層引起的剛度突變。

3.1.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力對比及影響分析

通過對比改造前后上部結(jié)構(gòu)混凝土構(gòu)件計算配筋量，分析結(jié)構(gòu)改造對結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力的影響程度。根據(jù)計算結(jié)果，上部結(jié)構(gòu)增層及局部變更后結(jié)構(gòu)混凝土構(gòu)件計算鋼筋量有所增大，但混凝土構(gòu)件實配鋼筋量仍滿足計算要求，即結(jié)構(gòu)改造后未造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力不足。

表4 各層 X、Y 方向的作用力（改造后）

表5 上部承重結(jié)構(gòu)整體計算控制參數(shù)對比結(jié)果

3.1.3 抗震構(gòu)造措施對比及影響分析

根據(jù) JGJ 3－2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，對改造前后的抗震構(gòu)造措施進行對比。增層后，該辦公樓主體結(jié)構(gòu)高度增加為 35.25 m，＜60 m。因此，改造后框架及剪力墻抗震構(gòu)造措施的抗震等級未發(fā)生變化。以底層框架柱及剪力墻墻肢軸壓比為例，如圖 7～8 所示。框架柱最大軸壓比由 0.60 增加為 0.66，墻肢最大軸壓比由 0.20 增加為 0.21，但仍滿足規(guī)范要求。對比結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)改造對抗震構(gòu)造措施造成一定影響。

3.2 地基基礎(chǔ)影響分析

經(jīng)基礎(chǔ)承載力復(fù)核，該辦公樓增層及局部變更后，樁基承載力仍滿足設(shè)計要求。根據(jù)樁基承載力計算結(jié)果，結(jié)合樁基礎(chǔ)相關(guān)工程資料以及現(xiàn)場檢測結(jié)果，上部結(jié)構(gòu)增層及變更未對樁基礎(chǔ)造成影響，樁基礎(chǔ)仍能滿足承載力要求。

圖7 改造前模型底層豎向構(gòu)件軸壓比

4 結(jié)語

圖8 改造后底層豎向構(gòu)件軸壓比

根據(jù)現(xiàn)場檢測及復(fù)核計算結(jié)果的對比，該辦公樓增層及局部變更后對地基基礎(chǔ)未造成影響，對上部整體結(jié)構(gòu)各項控制參數(shù)造成一定影響，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力造成微弱影響，對結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施造成一定影響，但各項指標(biāo)仍能滿足規(guī)范相關(guān)規(guī)定。經(jīng)綜合分析，該辦公樓增層及局部變更后不影響混凝土結(jié)構(gòu)的安全性。

建議對該辦公樓新增鋼結(jié)構(gòu)縱向框架柱間增設(shè)鋼支撐，從而增強屋頂新增輕鋼結(jié)構(gòu)自身的剛度，進一步改善增層引起的剛度突變，確保該辦公樓整體結(jié)構(gòu)安全性。