任瑞君

(長(zhǎng)治市襄屯灌區(qū)管理局，山西長(zhǎng)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(cè)為2層裙樓。該建筑主體平面布局為矩形，建筑物長(zhǎng)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(jié)構(gòu)，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(chǔ)為鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)。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(jié)構(gòu)上增加5層，本文對(duì)該樓現(xiàn)有結(jié)構(gòu)加層可行性進(jìn)行分析。

2 結(jié)構(gòu)加層有關(guān)問(wèn)題分析

2.1 加層方案分析及提出

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況和結(jié)構(gòu)實(shí)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系，明確的傳力路線和計(jì)算簡(jiǎn)圖，結(jié)構(gòu)的整體性較好，并可保證加層后新舊結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)工作，適用于原承重結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)的承載力和變形能滿足加層的要求，或經(jīng)過(guò)加固處理后即可直接加層的房屋。

實(shí)際操作時(shí)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(jié)構(gòu)直接進(jìn)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(jié)構(gòu)直接進(jìn)行加層。

以下從加層結(jié)構(gòu)安全性、經(jīng)濟(jì)性及適用性等方面對(duì)兩種方案進(jìn)行對(duì)比分析。

1)加層后整體結(jié)構(gòu)的安全性。采用混凝土結(jié)構(gòu)直接加層方案，加層后結(jié)構(gòu)的整體性較好，可保證加層后新舊結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)工作，整體結(jié)構(gòu)材料統(tǒng)一，抗震性能好，新舊構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)處理容易實(shí)現(xiàn)。而采用鋼結(jié)構(gòu)加層方案，增加豎向荷載雖較少，但存在加層后新舊結(jié)構(gòu)不能良好協(xié)調(diào)工作的情況，節(jié)點(diǎn)處理困難，不易保證施工質(zhì)量等問(wèn)題，特別是在地震作用下，由于新增結(jié)構(gòu)部分的剛度和質(zhì)量都較下部原有結(jié)構(gòu)小，極易出現(xiàn)“鞭梢效應(yīng)”，在遭受多遇地震(50年一遇)時(shí)，加層部分水平變形加大，恐帶來(lái)結(jié)構(gòu)抗震安全問(wèn)題，極易導(dǎo)致裝修部分出現(xiàn)各類(lèi)損壞，造成損失。2)經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)業(yè)主單位擬在該大廈現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上增加5層的要求，目前地基基礎(chǔ)及底部加層框架柱很可能無(wú)法滿足加層后的極限承載力要求，需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的地基加固和混凝土構(gòu)件加固。采用方案一混凝土結(jié)構(gòu)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(dǎo)致地基基礎(chǔ)和下部混凝土構(gòu)件承擔(dān)更大的附加荷載，地基加固和混凝土構(gòu)件加固費(fèi)用提高，但上部新增部分為混凝土材料，建設(shè)成本較低。若采用方案二鋼結(jié)構(gòu)加層方案，新增部分自重相對(duì)較輕，下部構(gòu)件及基礎(chǔ)承擔(dān)附加荷載稍小，但上部新增部分材料為鋼材，建設(shè)成本較高。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，相比之下，二者的經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)。3)適用性。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(yīng)與原建筑及周?chē)h(huán)境相互協(xié)調(diào)的要求，同時(shí)容易滿足加層后日照、防火、衛(wèi)生、抗震等有關(guān)現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范的要求。

綜上對(duì)比，建議采用方案一進(jìn)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(shè)計(jì)中至關(guān)重要的問(wèn)題，其大小決定增加層數(shù)和上部結(jié)構(gòu)方案的選擇，所以首先應(yīng)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(fù)合地基，處理后地基主樓要求達(dá)到200 kPa，裙樓要求達(dá)到150 kPa。旋噴樁樁長(zhǎng)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(chǔ)上，參照房屋使用年限，依據(jù)成熟的經(jīng)驗(yàn)確定。一般認(rèn)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(jié)，產(chǎn)生壓密效應(yīng)而得到提高。這種土的壓密過(guò)程與基礎(chǔ)壓力的大小、基礎(chǔ)寬度、房屋建成的時(shí)間、土體本身的性質(zhì)及滲透性、排水條件等有關(guān)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般情況下可比原始承載力提高10%～30%。

結(jié)合本樓使用年限、地基處理情況及目前地基基礎(chǔ)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(chǔ)，上部結(jié)構(gòu)剛度亦較大，結(jié)構(gòu)整體性好，建筑物對(duì)地基不均勻變形的適應(yīng)能力較強(qiáng)，因此可考慮上部結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)和地基的共同作用，可在原地基承載力上做適當(dāng)提高。加層設(shè)計(jì)時(shí)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)的要求是沒(méi)有問(wèn)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(jié)構(gòu)的豎向荷載在現(xiàn)有13層結(jié)構(gòu)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(dá)不到要求，承載力不能滿足直接增加5層的需要，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡鼗庸獭?/p>

2.3 結(jié)構(gòu)總高度變化帶來(lái)的問(wèn)題

現(xiàn)有結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表3.9.3關(guān)于A級(jí)高度的高層建筑結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)的規(guī)定，目前該大廈結(jié)構(gòu)總高度為48.7 m，小于60 mm，在8度區(qū)，框架—剪力墻結(jié)構(gòu)中的框架部分的抗震等級(jí)應(yīng)為二級(jí)，剪力墻部分的抗震等級(jí)應(yīng)為一級(jí)。

加層后，考慮到建筑功能需要，加層層高不應(yīng)小于3.6 m，若在頂層設(shè)置會(huì)議室，則新增樓層層高就會(huì)更高一些。若直接增加5層，則加層后的結(jié)構(gòu)總高度就超過(guò)了60 m，達(dá)到約70 m，按表3.9.3的要求，大于60 m時(shí)，在8度區(qū)，框架—剪力墻結(jié)構(gòu)中的框架部分的抗震等級(jí)應(yīng)為一級(jí)，剪力墻部分的抗震等級(jí)應(yīng)為一級(jí)。故由于加5層，導(dǎo)致框架部分的抗震等級(jí)由原來(lái)的二級(jí)提高為一級(jí)，由此對(duì)原框架結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施必須增強(qiáng)，進(jìn)行專(zhuān)門(mén)加固。

3 加層設(shè)計(jì)主要宏觀控制指標(biāo)考察

采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)軟件PKPM中SATWE模塊分別對(duì)現(xiàn)有12層鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)、12層+5層鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)建模計(jì)算，建模起算高度從基礎(chǔ)筏板地梁頂面算起，考慮地下室嵌固作用，計(jì)算模型見(jiàn)圖1，圖2。

圖1 12層結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

圖2 12層+5層結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

在原有結(jié)構(gòu)上增加5層后，結(jié)構(gòu)高度增大，變得相對(duì)細(xì)長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)總側(cè)移剛度下降，周期值延長(zhǎng)，見(jiàn)表1。周期變長(zhǎng)，地震影響系數(shù)取值降低，但由于加層使得結(jié)構(gòu)重力荷載代表值總體增大，最終仍導(dǎo)致結(jié)構(gòu)地震作用相對(duì)增大。根據(jù)表2可知該結(jié)構(gòu)加層后以結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期與以平動(dòng)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(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.4.5條的要求。

表1 結(jié)構(gòu)加層前后自振周期變化對(duì)比結(jié)果

考察底部柱計(jì)算軸壓比值，加層前結(jié)構(gòu)底層柱最大軸壓比為0.74，在原有結(jié)構(gòu)上增加兩層后，加層后結(jié)構(gòu)底層柱最大軸壓比值為0.98，增幅為32.4%，遠(yuǎn)超過(guò)GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范第6.3.6條內(nèi)容:對(duì)于一級(jí)框架(按加層后混凝土構(gòu)件抗震等級(jí)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(shè)計(jì)規(guī)范表5.5.1要求，鋼筋混凝土框架—抗震墻結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值為1/800?？疾旖Y(jié)構(gòu)在偶然偏心影響下的層間位移角，在原有結(jié)構(gòu)上增加5層后，層間位移增大，個(gè)別層結(jié)構(gòu)橫向水平地震作用下結(jié)構(gòu)計(jì)算彈性層間位移角超過(guò)1/800，不滿足現(xiàn)行GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

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

4 結(jié)語(yǔ)

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(shí)，考慮到原有結(jié)構(gòu)與加層結(jié)構(gòu)的整體性與一致性和抗震安全性能，經(jīng)濟(jì)性及適用性，推薦采用鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)直接加層。

2)對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)直接增加5層鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，受《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表3.9.3關(guān)于A級(jí)高度的高層建筑結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)的規(guī)定所限，則該加層項(xiàng)目為超限工程項(xiàng)目，必須由有關(guān)專(zhuān)家進(jìn)行專(zhuān)門(mén)論證，同時(shí)須考慮對(duì)地基基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)下部采取合理有效的加固措施。加層設(shè)計(jì)與加固設(shè)計(jì)應(yīng)統(tǒng)一進(jìn)行，加固施工應(yīng)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(yīng)盡量采用輕質(zhì)材料，盡量減少地基基礎(chǔ)和下部柱的附加荷載，盡量減少地基基礎(chǔ)及下部結(jié)構(gòu)的加固工程量，提高經(jīng)濟(jì)效益。

4)新舊結(jié)構(gòu)連接部位的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量直接關(guān)系到加層后的整棟建筑的安全承載，包括對(duì)豎向靜力荷載和水平地震作用的承載，加層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予高度重視，提出切實(shí)安全可靠，并且可行的連接方法。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］JGJ 3-2002，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.