探讨高层建筑结构加层加固设计方案分析

胡进来本溪市建筑设计研究院厦门分院（361000）



探讨高层建筑结构加层加固设计方案分析

胡进来
本溪市建筑设计研究院厦门分院（361000）

摘要：对高层建筑结构进行加层加固设计，是现阶段建筑行业急需要解决与思考的问题。这里结合某大厦的高层建筑工程实例，对如何进行加层加固设计方案进行具体的分析。

关键词：高层建筑结构；加层加固；设计方案；具体策略

1　工程实例

相关资料证明，以某大厦为例，该大厦主要是集高级办公和商务酒店为一体的高层建筑，原设计方案为地下2层，地上18层，总共20层，其中地下面积达4 880 m2，地上面积达50 000 m2。且原建筑主体主要采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，其中抗地震的防裂度可达到6.5度，剪力墙的抗震等级可以达到三级，框架抗震等级达到四级。在建筑基础上主要采用的是高强预应力混凝土管桩，墙壁厚度可达130 mm，地面的桩端持力层主要为砂土状强风化的花岗岩，其中桩长大概为30 m，单桩在竖向极限承载力方面的一定标准值可达到5 000 kN。

该建筑物预计在2013年9月完成施工图的设计工作，其中在2015年2月工程已成功施工到15层楼面。因为建筑使用功能的不断增加及该地区建筑限制高度的标准下降，故该建筑物的业主提出了加层的要求，由原来的20层加到25层，建筑屋面的高度由原来的66.59 m加高到82.5 m，扩大面积15 000 m2。需要注意的是，该建筑工程是在建筑过程中续加层数，前后两次设计都是采用统一的建筑行业规范，所以不存在设计使用年限超过部标准及新老规范制度衔接不上等施工问题。

2　建筑结构加层的设计

在原来设计20层的建筑工程实施中续建5层，主要是解决好在新增加的竖向荷载、地震荷载及风荷载作用下结构体系的基本性能、整体结构、已建结构构建的承载能力及加固等相关问题。

从结构体系的整体来进行分析与计算，可以初步判断出该高层建筑物实现加层的概率。为了有效发挥原建筑的各结构构件与抗侧力体系的性能，可以先行按照原有的施工布置方案，在其基础上直接增加5层来进行分析与计算。按照我国建筑行业相关的设计规范，可以采取中国建筑研究院编制的SATWE结构分析软件来分析该建筑的结构整体。同时可以采取刚性楼板假定和按照模拟施工的加载方式，结合±5％偶然与双向地震的扭转效应的作用，对该建筑物的整体结构进行弹性方面的静力分析。从数据计算的结果可知：该建筑的结构整体刚度偏于柔性，施工花费周期较长，楼层层间最大位移与层数的高度形成一定比例，数据为1/720，超过设计规范中1/800的限制数值，其中楼层最小的地震剪力系数值达到1.51％，小于7度区设计规范的基本限值，底部框架部分能够承受的地震倾覆力超过了设计规范的55％，一部分的框架柱轴压力比重，严重超出了限制［1］。

根据上述情况，需要对原来的建筑结构方案进行适当的调整与创新，使其能够满足设计规范的相关要求。考虑到续建部分采用的钢筋结构方案，在设计该建筑时按照建筑物设计管理条例的相关要求，最终选择了增设钢筋混凝土剪力墙、扩大剪力墙与框架柱截面尺寸的面积方案。这一方案不但可以提高结构的刚度、强度，而且能够提高该建筑结构的整体承载能力。同时，在设计该建筑时应在角落多添加剪力墙，在建筑的中部采取增加剪力墙长度的方式。针对原框架柱轴压比出现严重不足的问题，新方案采取了增大截面法加固的方式，适当增加其刚度。该建筑的整体结构分析见表1。

表1　建筑物的整体结构分析

通过表1可以看出，通过风荷载与地震荷载的作用，结建筑结构中的最大层间位置转移可以满足现阶段建筑设计规范的相关要求。该结构的自振周期为平行周期，并且是以扭转为核心。该建筑结构的底部倾覆框架比例与剪重比都满足了加层加固设计方案的相关要求。

3　建筑结构的加固

3.1地基的加固

在对该建筑实施加层的续建工程时，首要面临的是地基的基础问题。为了有效减少地基基础改造的工作量，要求工作人员在最大限度上挖掘上部的载体潜力。第一为墙体材料，可以将原先采购的保温烧结空心砖改为容纳量度较低的加工混凝土砌块，在办公室区域的砖砌墙改为质量较轻的隔墙，在首层地面的填土部分使用架空板，并采取电算荷载的输入方式，在不同方面及不同渠道对其进行合理卸载。

按照本建筑工程原桩基德布置图，有效结合已经施工完毕地下室的实际情况，通过对比多项方案，最终确定下来的是采用锚杆静压桩进行全面加固。因为锚杆静压桩在施工过程中具有轻便性、灵活性及作业面小的特点，所以让其在施工基础上设置锚杆固定压桩架，并以建筑的自重荷载当成压桩架上的反力，用千斤顶的方式将预制的压桩分段压进土壤中，与原有的施工基础进行连接与联合，整体上提高压力桩基的总体承载力［2］。

3.2上部构件的加固

要想最大程度减少加固施工对于原有建筑结构构件的损坏，遵守对原有结构构件不动或者少动的加固原则，需对原有结构进行强度方面与刚度方面的巩固与加强。在对高层建筑结构上部构件的加固的设计中，最方便快捷的方式是扩大截面的面积加固法。该种方法不但完全符合强柱若梁抗震的相关原则，而且能够帮助框架梁使用粘钢加固时的节点锚固处理方式。在柱截面扩大的设计方案中，通常会发生新加柱的纵筋与钢筋混凝土框架梁相互碰撞的情况，故纵向钢筋在排列时应全部或者大部分绕过框架梁，以便达到规范规定的竖筋间距要求。在框架梁的上下两面各自增加附加的钢筋，并植入到建筑的框架梁内。

因水平荷载作用的大幅增加，部分框架梁出现了弯曲及抗剪承载力不足的情况。所以为了充分保障该高层建筑的施工质量与安全性，又不会对建筑的使用高度产生任何的影响，可以在框架梁上使用粘贴钢板及U型钢箍的加固方法。在建筑的梁面、梁底粘钢使用材质钢板（Q345B），在梁箍板上使用材质钢板（Q235B）。当计算梁受弯的承载力时，应该严格按照保守的算法，根据钢筋的差距数值进行换算，最终得出梁底粘钢的数量。

4　结语

在对该高层建筑进行加层设计中，应当逐步降低建筑的使用功能及对已建成结构的负面影响，通过比较多种方案，在达到现阶段建筑行业规范及建筑使用的目标下，应不断完善实施加固的结构改造方案。

在对该高层建筑实施加层改建中，充分挖掘与发挥上部荷载的潜力，降低竖向荷载的潜力，这样的方式不但可以有效降低施工人员在实施加固的工作量，而且可以有效减轻地震带来的负面影响。

该高层建筑在2015年10月主体与外墙立面全部完工，现已进入室内装修阶段，建筑均匀达到沉降的状态，而最大沉降量达到了20 mm。从检验结果来看，发现各种加固技术都具有一定的安全性及可靠性，加层加固能够达到预期与理想的效果。

参考文献：

［1］张学伟，刘卫东，张理，赵彦，严寅坤.某框架结构办公楼的改造加固设计［J］.工业建筑，2011，02：123- 126+122.

［2］刘明.某铁路车站高架候车室加层改造方案研究［J］.铁道工程学报，2013，08：94- 98.