某大厦钢筋混凝土框—剪结构加层方案分析

任瑞君

(长治市襄屯灌区管理局，山西长治 046000)

1 工程概况

大厦主体地上12层(局部13层为凸出屋面电梯间)，地下1层，楼北侧为2层裙楼。该建筑主体平面布局为矩形，建筑物长57.6 m，主楼宽14.4 m，裙楼宽24 m。建筑物总高度为 47.8 m，地下1层高为3.3 m，1层～2层高均为5.0 m，3层～11层高均为3.7 m，12层高为4.5 m，总建筑面积为13 500 m2。该大厦主体采用钢筋混凝土框架—剪力墙结构，裙房采用纯钢筋混凝土框架体系，楼屋盖为钢筋混凝土现浇梁板体系，基础为钢筋混凝土筏板基础。该楼自建成后投入使用已11年，目前因使用需要，业主单位拟在该大厦现有结构上增加5层，本文对该楼现有结构加层可行性进行分析。

2 结构加层有关问题分析

2.1 加层方案分析及提出

结合现场情况和结构实际情况，加层方法采用直接加层法较为可行。直接加层法，即在原有房屋上不改变结构承重体系和平面布置，直接加层的方法。直接加层方案具有合理的结构体系，明确的传力路线和计算简图，结构的整体性较好，并可保证加层后新旧结构的协调工作，适用于原承重结构与地基基础的承载力和变形能满足加层的要求，或经过加固处理后即可直接加层的房屋。

实际操作时可考虑以下两种直接加层方案:

1)方案一:按原柱网布置体系，采用钢筋混凝土框架剪力墙结构直接进行加层。2)方案二:按原柱网布置体系，采用钢框架—剪力墙钢结构直接进行加层。

以下从加层结构安全性、经济性及适用性等方面对两种方案进行对比分析。

1)加层后整体结构的安全性。采用混凝土结构直接加层方案，加层后结构的整体性较好，可保证加层后新旧结构的协调工作，整体结构材料统一，抗震性能好，新旧构件连接节点处理容易实现。而采用钢结构加层方案，增加竖向荷载虽较少，但存在加层后新旧结构不能良好协调工作的情况，节点处理困难，不易保证施工质量等问题，特别是在地震作用下，由于新增结构部分的刚度和质量都较下部原有结构小，极易出现“鞭梢效应”，在遭受多遇地震(50年一遇)时，加层部分水平变形加大，恐带来结构抗震安全问题，极易导致装修部分出现各类损坏，造成损失。2)经济性。根据业主单位拟在该大厦现有结构上增加5层的要求，目前地基基础及底部加层框架柱很可能无法满足加层后的极限承载力要求，需要进行专门的地基加固和混凝土构件加固。采用方案一混凝土结构直接加层方案，因加层部分主要材料为混凝土，自重较大，将导致地基基础和下部混凝土构件承担更大的附加荷载，地基加固和混凝土构件加固费用提高，但上部新增部分为混凝土材料，建设成本较低。若采用方案二钢结构加层方案，新增部分自重相对较轻，下部构件及基础承担附加荷载稍小，但上部新增部分材料为钢材，建设成本较高。根据经验，相比之下，二者的经济性相当。3)适用性。根据实践经验，采用方案一钢筋混凝土加层方案，更容易满足加层房屋的建筑立面造型美观，并应与原建筑及周围环境相互协调的要求，同时容易满足加层后日照、防火、卫生、抗震等有关现行国家规范的要求。

综上对比，建议采用方案一进行加层。

2.2 现有地基承载力分析

采用直接加层法，地基承载力的确定是加层设计中至关重要的问题，其大小决定增加层数和上部结构方案的选择，所以首先应该弄清既有房屋现在的地基承载力。该楼采用水泥旋喷桩人工复合地基，处理后地基主楼要求达到200 kPa，裙楼要求达到150 kPa。旋喷桩桩长10 m，桩位按正三角形布置，主楼桩距1 750 mm，裙楼桩距2 100 mm，桩直径不小于700 mm。加层房屋的地基承载力，可根据压密后的地质勘察资料确定;也可在原有地质勘察资料的基础上，参照房屋使用年限，依据成熟的经验确定。一般认为旧有房屋的地基承载力在既有房屋荷载作用下，地基固结，产生压密效应而得到提高。这种土的压密过程与基础压力的大小、基础宽度、房屋建成的时间、土体本身的性质及渗透性、排水条件等有关。根据经验，一般情况下可比原始承载力提高10%～30%。

结合本楼使用年限、地基处理情况及目前地基基础使用情况，并且考虑到目前该建筑采用的刚度较大的地梁筏板式基础，上部结构刚度亦较大，结构整体性好，建筑物对地基不均匀变形的适应能力较强，因此可考虑上部结构，基础和地基的共同作用，可在原地基承载力上做适当提高。加层设计时取到原地基承载力提高约15%是合理的。

目前该大厦算地下室在内为13层，若加层设计是考虑采用自重较轻的填充墙材料，满足直接增加1层～2层混凝土结构的要求是没有问题的。但是若根据业主建筑功能需求，增加5层，则新增5层结构的竖向荷载在现有13层结构的竖向荷载所占比例为38.5%，目前地基的承载力提高幅度达不到要求，承载力不能满足直接增加5层的需要，必须进行适当的地基加固。

2.3 结构总高度变化带来的问题

现有结构总高度自室外地面算起至主要屋面板顶为48.7 m，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》表3.9.3关于A级高度的高层建筑结构抗震等级的规定，目前该大厦结构总高度为48.7 m，小于60 mm，在8度区，框架—剪力墙结构中的框架部分的抗震等级应为二级，剪力墙部分的抗震等级应为一级。

加层后，考虑到建筑功能需要，加层层高不应小于3.6 m，若在顶层设置会议室，则新增楼层层高就会更高一些。若直接增加5层，则加层后的结构总高度就超过了60 m，达到约70 m，按表3.9.3的要求，大于60 m时，在8度区，框架—剪力墙结构中的框架部分的抗震等级应为一级，剪力墙部分的抗震等级应为一级。故由于加5层，导致框架部分的抗震等级由原来的二级提高为一级，由此对原框架结构的抗震构造措施必须增强，进行专门加固。

3 加层设计主要宏观控制指标考察

采用中国建筑科学研究院开发的设计软件PKPM中SATWE模块分别对现有12层钢筋混凝土框架—剪力墙结构、12层+5层钢筋混凝土框架—剪力墙结构建模计算，建模起算高度从基础筏板地梁顶面算起，考虑地下室嵌固作用，计算模型见图1，图2。

图1 12层结构计算模型

图2 12层+5层结构计算模型

在原有结构上增加5层后，结构高度增大，变得相对细长，结构总侧移刚度下降，周期值延长，见表1。周期变长，地震影响系数取值降低，但由于加层使得结构重力荷载代表值总体增大，最终仍导致结构地震作用相对增大。根据表2可知该结构加层后以结构扭转为主的第一自振周期与以平动为主的第一自振周期之比1.289 2/1.532 6=0.841，小于0.9，符合《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.4.5条的要求。

表1 结构加层前后自振周期变化对比结果

考察底部柱计算轴压比值，加层前结构底层柱最大轴压比为0.74，在原有结构上增加两层后，加层后结构底层柱最大轴压比值为0.98，增幅为32.4%，远超过GB 50011-2010建筑抗震设计规范第6.3.6条内容:对于一级框架(按加层后混凝土构件抗震等级要求考虑)，柱轴压比限值不宜大于0.75的规定，满足要求。

依据GB 50011-2010建筑抗震设计规范表5.5.1要求，钢筋混凝土框架—抗震墙结构弹性层间位移角限值为1/800。考察结构在偶然偏心影响下的层间位移角，在原有结构上增加5层后，层间位移增大，个别层结构横向水平地震作用下结构计算弹性层间位移角超过1/800，不满足现行GB 50011-2010建筑抗震设计规范要求。

因此由计算可知，加5层后结构的宏观指标多不满足GB 50011-2010建筑抗震设计规范要求。因此，采用直接加层法在现有结构上部直接增加5层钢筋混凝土框架—剪力墙结构，必须先加固后加层。

4 结语

1)根据业主使用功能需要，采用直接加层法增加层数为5层时，考虑到原有结构与加层结构的整体性与一致性和抗震安全性能，经济性及适用性，推荐采用钢筋混凝土框架—剪力墙结构直接加层。

2)对现有结构直接增加5层钢筋混凝土框架—剪力墙结构，受《高层建筑混凝土结构技术规程》表3.9.3关于A级高度的高层建筑结构抗震等级的规定所限，则该加层项目为超限工程项目，必须由有关专家进行专门论证，同时须考虑对地基基础和结构下部采取合理有效的加固措施。加层设计与加固设计应统一进行，加固施工应先于加层施工。

3)加层部分填充墙、屋面保温层、防水层、装饰装修做法应尽量采用轻质材料，尽量减少地基基础和下部柱的附加荷载，尽量减少地基基础及下部结构的加固工程量，提高经济效益。

4)新旧结构连接部位的设计和施工质量直接关系到加层后的整栋建筑的安全承载，包括对竖向静力荷载和水平地震作用的承载，加层设计时应给予高度重视，提出切实安全可靠，并且可行的连接方法。

［1］GB 50011-2010，建筑抗震设计规范［S］.

［2］JGJ 3-2002，高层建筑混凝土结构技术规程［S］.