某混凝土商住楼加层方案选型与结构分析

任绒绒 卢 竟

(1.西山煤电集团设计院(有限公司)，山西 太原 030024; 2.煤炭工业太原设计研究院,山西 太原 030024)



某混凝土商住楼加层方案选型与结构分析

任绒绒1卢 竟2

(1.西山煤电集团设计院(有限公司)，山西 太原 030024; 2.煤炭工业太原设计研究院,山西 太原 030024)

对山西某商住楼加层改造工程的基础加固与加层方案的选型进行了分析，并利用有限元分析软件MIDAS/GEN，对加层方案结构进行了分析比对，同时对结构阻尼比数值的选取作了探讨，最后从技术可行性出发，确定了加层方案，为今后类似工程施工提供参考。

基础加固，结构性能，加层方案，阻尼比

0 引言

近年来，我国既有建筑物加层改造的数量在逐年增多，加层层数也屡创新高。随之也带来了诸如地基基础加固、主体加层方案的选择以及结构阻尼比值选取等一系列问题。由于相关设计规范在这些问题方面的欠缺，导致设计人员在复杂情况下分析手段明显不足。

1 工程概况[1]

山西某五层混凝土框架结构平面尺寸为67.7 m×44.5 m，丙类建筑，设计使用年限50年，安全等级为二级，7度抗震设防，设计基本加速度0.15g，场地类别为Ⅱ类。结构因功能需要进行加层改造，结构由原主体5层加至主体20层，地上1层～5层为超市，6层及6层以上为住宅。大厦建成效果图见图1，加固前首层柱布置图见图2。

2 基础加固

由勘察结果可知，本工程场地土类型为中硬，地基承载力满足加层需要(承载力特征值为300 kPa)不需做加固处理，但原结构加层后，原独立基础形式已经不能满足要求，因此选用筏板基础对独立基础进行加固，如图3所示。

为了模拟加固后的独立基础与筏板共同参与工作，使用PKPM的基础设计模块JCCAD，把复合基础看成是在柱下局部对平板式筏板基础的加厚，将模型简化后进行分析计算确定加固筏板主体厚度在满足柱下冲切和内筒冲剪要求的最小厚度为1.25 m。

基础沉降量值[2]是衡量基础结构布置是否合理的重要指标。模型沉降计算值较为均匀，且与实测值在分布规律上基本一致：场地北侧和东侧沉降值较大，中部沉降值偏小，如图4所示。根据与实际测量的沉降值比较，数值相差不大。

3 加层结构性能分析

3.1 加层方案的提出

考虑到本项目加层层数较多，加层后结构差异性较大，所以拟建两种不同的加层结构体系进行比较分析，分别为方案一：框架剪力墙+混凝土框架剪力墙；方案二：框架剪力墙+钢框架支撑。底层剪力墙平面布置见图5。

3.2 组合结构的阻尼比[3-5]

阻尼比是反映结构耗能能力强弱的重要参数，对结构的振动反应有着重要影响。目前国内规范只对单一结构的阻尼比的取值做出了规定，而对于非比例阻尼(即结构上下部分采用不同的材料)并未做出明确说明。阻尼比的取值直接关系到地震作用的大小，因此对于混合结构采用单一的阻尼比显然是不合理的。求解非比例阻尼一般采用应变能法[6]，得出阻尼比公式：

其中，ED(i,n)为第i振型第n个单元的耗散能；Es(i,n)为第i振型第n个单元的应变能；φn为第n个单元第i振型的振型位移，ωi为第i振型的圆频率；ξn为第n个单元结构的阻尼比；Kn为第n个单元的刚度矩阵。

由公式可知：组合加层结构的阻尼比等于各加层部分阻尼比的应变能加权平均，即混凝土加层方案的阻尼比取0.05，而钢结构加层方案的阻尼比取值应在0.02～0.05区间内。本次设计采用MIDAS有限元软件结合应变能法得出了钢结构加层体系的前30个振型阻尼比，见表1。

表1 钢结构加层应变能阻尼比

应变能阻尼比见图6，钢结构加层模态振型见图7。

从各个振型阻尼比的统计数据可知：基本振型混凝土和钢结构都参与振动，两者应变能相当，故组合结构阻尼比接近混凝土和钢结构阻尼比的均值0.035，中间振型钢结构参与振动的应变能较多，故组合结构阻尼比受钢结构影响较大，数值接近0.02，高阶振型中混凝土结构刚度贡献较大，故阻尼比受混凝土结构影响较大，数值接近0.05。

3.3 结构内力计算分析

1)计算假定。计算中采用如下假定：加层结构框架部分与原混凝土结构刚接，楼板为刚性楼板，平面内刚度无限大，不考虑平面外的刚度、围护墙板对整体结构分析的有利作用。

2)荷载取值。本次计算分析主要分别考虑风荷载和水平地震作用下结构的内力及变形情况。

3.4 计算结果

内力计算结果见表2，表3。

表2 方案一计算结果

表3 方案二计算结果

由内力计算结果可知：两种加层结构的剪力、弯矩、位移均相差不大，但由于方案二中钢结构加层层数较多，使其振动的基本周期明显增大，故相比混凝土结构体系偏“柔”，两种不同方案均能满足结构变形和安全要求，但是钢结构加层方案在新旧结构连接处，不论是剪力还是层间位移都存在较大的突变，即新旧结构体系刚度不匹配，属于结构的薄弱层，设计时应对薄弱层进行验算。

4 结语

1)利用简化模型的分析计算，验证了独立基础采用筏板加固法方案的可行性。根据模型计算沉降值与实测值的比对，证明了简化模型准确反映了真实情况。 2)混凝土加层体系上、下部分均为混凝土结构，因此建议加层后结构的阻尼比仍然取0.05。对于钢结构加层体系采用单一的阻尼比值，难以精确地计算实际结构的动力特性，建议选取2%～5%之间的多个值进行试算，最后根据建筑物的重要性确定合适的阻尼比。 3)内力分析结果表明,钢结构加层层数较多时,在新旧结构衔接处，层间剪力和位移存在较大的突变，属于结构薄弱层，必要时，设计应考虑减震、隔震措施。

[1] 卢 竟.山西某混凝土高层商住楼(5层+15层)加层结构设计与分析[D].太原:太原理工大学硕士学位论文,2012.

[2] 张家启，李国胜.建筑结构检测鉴定与加固设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.

[3] 石 晶，石 巍.旧建筑物加层改造的研究[J].黑龙江水利科技，2002(3)：99-100.

[4] 赵干荣，金 旭，张建明.阻尼计算方法对轻钢增层结构地震反应的影响[J].四川建筑科学研究，2009,35(2)：168-170.

[5] 刘 阳.混合结构加层阻尼比讨论[J].科学之友，2011(15)：79-80.

[6] 薛彦涛，韦承基.采用不同材料加层时结构阻尼比计算方法(应变能法)[J].工程抗震与加固改造，2008,30(2)：162-164.

Story-adding scheme selection and structural analysis of the concrete commercial-residential building

Ren Rongrong1Lu Jing2

(1.XishanCoalPowerGroupDesignInstituteCo.,Ltd,Taiyuan030024,China;2.TaiyuanDesignResearchInstituteforCoalIndustry,Taiyuan030024,China)

The paper analyzes the foundation reinforcement and story-adding scheme selection of the commercial-residential building story-adding transformation project in Shanxi province, analyzes and compare the story-adding scheme structure by applying the finite element software MIDAS/GEN, explores the structural damping ration value selection, and finally determines the story-adding scheme staring from the aspect of technological feasibility, which has provided some guidance for similar engineering construction in future.

foundation reinforcement, structural performance, story-adding scheme, damping ratio

2016-11-20

任绒绒(1985- )，女，硕士，助理工程师； 卢 竟(1986- )，男，硕士，工程师

1009-6825(2017)04-0059-03

TU375

A