增层改建工程结构设计

顾旖萍

1 工程概况

某市一两层商业建筑，建于1995年，结构体系为框架结构，标准轴网尺寸为7.2 m×7.2 m，建筑总长约86 m，宽约22 m，西侧紧邻一幢高层建筑，其间采用抗震缝断开。现因业主需求，对其改造增层为4层，原下部两层功能不变，新建两层部分主要功能为商业、餐饮、会议;同时新增屋顶考虑设置花台、苗圃等绿化设施，且为了增加绿化景观，屋顶需采用坡屋面，高低起伏每跨不等，单跨内最大高差为1.0 m。本工程结构抗震设防类别为丙类，场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为 0.10g，场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第一组，特征周期取0.45 s。场地内各土层自上而下的分布情况和各土层岩土参数见表1。

表1 场地内各土层工程地质参数

2 上部结构设计

综合考虑结构可靠度、经济性、可行性等各方面的因素，将新增结构的设计使用年限定为50年，相应的荷载作用也按照50年设计基准期的荷载值来取用，同时需加强对老结构的定期检测[1]。

由于本结构长宽比较大，呈条形，平面局部不规则，且屋顶坡屋面起伏较大，由于顶层绿化的分区布置，重力荷载差异较大，因此在进行整体计算时，发现结构在常规布置下扭转效应明显，周期比和位移比均超限。通过计算，在无需对老结构进行大改的同时，各项指标均能控制在合理范围内。但是本结构属于少量剪力墙的框架结构，对框架结构应分步计算，即按纯框架结构(去除剪力墙)、框架—剪力墙结构计算，采用包络设计的原则，框架的抗震等级按框架结构确定[2]。结构整体计算参数见表2。

表2 结构整体计算结果参数对比

新增两层结构需将原框柱接高，设计中采用植筋的方式将增层框柱的钢筋从上部植入，具体构造见图1，剪力墙与框柱、框梁的连接构造见图2，图3。

3 基础设计

原结构基础形式为钢筋混凝土柱下独基，埋深1.5 m，中柱基础尺寸为2.8 m×2.8 m。本工程整体增加两层，柱底荷载标准值增加一倍以上，约为7.2×7.2×35=1 820 kN，基础加固托换可采取扩大基础底面积、树根桩、锚杆静压桩等方式。但是对于本工程若采用增加基础面积的方式，中柱基础尺寸需加大为4.0 m×4.0 m(考虑建筑使用 15年，地基承载力增大约10%)，已大于柱跨的1/2。因此即便是将整个独基加大为筏板，也需在局部设置承压桩。若采用树根桩，不但需要在底层设置泥浆池，对环境造成较大的破坏，并且相同土层钻孔灌注桩的极限端阻力小于预制桩，因此在同等条件下，锚杆静压桩的单桩承载力较树根桩要高，桩数要少。综合比较，本工程基础托换采用锚杆静压桩。基础加固托换方式比选见表3。

表3 基础加固托换方式比选

拟加设方桩边长为250 mm，桩长为10 m，持力层为④粗砂。根据现场土层岩土参数，可得单桩承载力特征值Ra=300 kN，压桩力取为390 kN。具体施工时按照桩长和压桩力双控的原则，其中以控制压桩力为主，控制桩长为辅[3]。

考虑桩承担原结构20%的荷载，并完全承担新增两层所产生的荷载，通过计算，中柱下需设置8根桩。由于桩反力的作用势必增大柱基的截面弯矩，因此采用在基础顶面设置肋梁加固，肋梁钢筋植入基础或框柱，并在交接界面设置抗剪键，并采用C35细石补偿收缩混凝土浇筑。桩位布置见图4，基础肋梁构造见图5。

4 结语

1)在既有建筑增层改造的设计过程中，应根据原结构的检测鉴定结果，合理确定新增结构的设计使用年限和荷载作用，并采取合理措施，以使新老结构的安全可靠度处于同一水准之上。2)对于平面体型较不规则的框架结构，可在短边边榀局部设置厚度较薄的剪力墙，可有效的控制结构的扭转效应。同时在增层改造的建筑中，可大大减少对原结构的加固量，在一定程度上提升工程的经济性。但结构体系仍然属于框架结构，框架的抗震等级按框架结构确定，并按纯框架结构(去除剪力墙)、框架—剪力墙结构分别计算，取包络值进行框架结构设计。3)基础加固托换的方案选取，应因地制宜，结合当地习惯、工程特点、经济性等因数合理判别。由于本工程增层荷载较大，加大基础面积方案加固量太大，同时同等条件下预制桩较钻孔桩承载力高，且对环境的保护更为有利，因此最终采用锚杆静压桩方案。4)本工程从开工到竣工使用，建筑沉降观测显示，柱基最大沉降量不足 30 mm，相邻柱基的沉降差更是小于10 mm，并已趋于稳定，说明本基础加固方案安全合理。

[1] 范 波，张 胜，魏 宇，等.2010年上海世博村E地块改扩建工程结构设计[J].建筑结构，2007，39(12):13-65.

[2] 朱炳寅.对配置少量剪力墙的框架结构的理解与设计建议[M].北京:《建筑结构》技术通讯，2007.

[3] GB 50007-2002，建筑地基基础设计规范[S].

[4] 何惟雄.框架结构强柱弱梁分析及设计改进建议[J].山西建筑，2009，35(9):93-94.