多层住宅加层设计案例分析

唐小辉（华东建筑设计研究院有限公司， 上海 200011）

我国城市中既有的多层砌体住宅存量大、分布广。这类多层住宅普遍为 5～7 层，无电梯。随着人口老龄化的加剧，对既有住宅小区加装电梯的需求越来越迫切。由于加装电梯改造工程涉及问题多、投资大，原住户（对于老旧小区以老年人居多）大多难以承担全部的费用，因此到目前为止，这方面进展十分缓慢。有人设想通过在既有住宅顶部加建 1 层上市销售以补贴改造费用的方法解决上述问题。但是，既有住宅加层会导致既有结构受荷作用出现不利改变，因此需要进行专门分析与加固设计，才能保证原结构安全。本文以上海某多层住宅加层项目为例，对加层设计和加层结构进行分析。

1 项目背景

上海某多层住宅建于 20 世纪 90年代中期，为一幢底层框架上部砌体的住宅楼，共 7 层。住宅平面形式近似为矩形，东西向总长 43.2 m，南北向总宽 12.3 m，开间尺寸主要为 3.3 m、3.6 m 和 3.9 m。房屋共设置有 2 个楼梯间，入口设在北立面。房屋底层为朝南的沿街商铺，层高为 3.9 m，框架结构；房屋 2～7 层均为住宅，层高均为 2.8 m，砖砌体结构。

原结构每层均设置圈梁和构造柱。楼（屋）面板形式：2层现浇，3层以上（除厨房卫生间）均为预制多孔板。基础形式：预制短桩＋梁板式片筏基础，基础埋深－1.950 m，其中桩尺寸为0.2 m×0.2 m×8 m，间隔约 1 m×1 m，周边基础承台外挑。

该住宅原设计承重墙均为240 mm厚，其中 1、2 层采用 MU10黏土砖、M10混合砂浆砌筑（±0.000 m以下采用M10 水泥砂浆）；3至7层采用MU10黏土多孔承重砖，M7.5和M5的混合砂浆（其中M7.5用于3至5层，M5用于6至7层）。混凝土强度：基础垫层采用C10混凝土，底层框架梁柱采用C30混凝土，圈梁构造柱等为C20混凝土。原标准层建筑平面图（局部）见图1。

图1 原标准层建筑平面图（局部）

2 加层设计

该住宅项目拟在建筑北面增设2部电梯，同时在屋顶新增1层结构，新增层的屋顶采用坡屋顶。增设电梯采用传统的钢框架结构，基础采用桩筏基础，与主体结构弱连接。

按传统的做法在屋面直接增设1层，由于自重增大，会引起下部各楼层水平作用的增大，势必需要对下部楼层进行大面积加固，成本很大。为尽量减少对原有砌体结构的加固，采取以下措施：①拆除原有屋顶的混凝土水箱，可减少约52 t的重量；②加层的内外填充墙均采用轻质隔墙以减轻自重荷载；③在新增层的柱底增设铅芯橡胶支座，有效减少整体结构的水平地震作用。

铅芯橡胶支座设置在原有屋顶标高上，考虑到此处为结构的重点部位，而原有砌体房屋的屋盖为预制板结构，因此将原有屋盖上部面层凿除，上部重新浇筑 60 mm 厚的混凝土。在原墙顶对应位置设置上翻梁，交叉处搁置铅芯橡胶支座，在支座位置的梁局部加宽，以满足构造要求。在铅芯橡胶支座上部现浇一层混凝土梁板结构。新增结构采用框架混凝土现浇结构。屋顶铅芯橡胶隔震支座详图见图2。

图2 屋顶铅芯橡胶隔震支座详图

3 加层结构分析

3.1 屋顶减隔震

根据现行建筑抗震设计规范和砌体结构设计规范，底层框架-抗震墙砌体房屋在 7 度抗震地区（上海）最高为 7层，限高 22 m。本项目房屋加层之后层数及总高均超限。

为了提升原结构的抗震能力，在新增层的柱底增设铅芯橡胶支座—起到类似于调谐质量阻尼器（TMD）的减震作用。当水平地震作用传来，因为铅芯橡胶支座水平抗侧刚度较小，易于屈服进入材料的弹塑性阶段，所以通过铅芯橡胶支座的滞回耗能有效减少整体结构的水平地震作用。

采用 3 个典型模型计算比较水平地震作用，分别为原结构、直接加层和减隔震加层 3 种模型，其中后 2 种的上部加层均采用混凝土框架结构。

计算采用弹性时程分析法，地震波选择7条波，分别为：SHW1_AW-HKD0850411290332，Tg(0.9)；SHW2_AW-NGA_760LOMAP.MEN，Tg(0.9)；SHW3_NGA_1175KOCAELI.USK，Tg(0.9)；SHW4_NGA_1828HECTOR.0688c，Tg(0.9)；SHW5_NGA_2104DENALI.1734，Tg(0.9)；SHW6_NGA_2711CHICHI04.CHY039，Tg(0.9)；SHW7_NGA_2723CHICHI04.CHY059，Tg(0.9)。

隔震支座的部分参数如下：橡胶外径 200 mm，铅芯直径 40 mm，隔震器总高度 83.8 mm，连接板厚度 12 mm，1 次形状系数 19.4，2 次形状系数 4.84，屈服前水平刚度为1 930 kN/m，屈服后水平刚度为 297 kN/m，水平屈服力为10.5 kN，铅直刚度为 467 kN/mm。

3.2 地震作用下剪力对比

原结构、直接加层、减隔震加层的各层地震剪力对比见表1。

表1 原结构、直接加层、减隔震加层各层地震剪力对比

数值为 7 条波的平均值（按 7 度小震），并假设原结构的各层计算剪力基准值为 1.000 ，与在原结构直接增设 1 层及增设铅芯橡胶隔震支座加层进行比较。根据计算可知，采用屋顶隔震支座，各层剪力均可比原结构减少，而直接加层的各层地震剪力大部分楼层比原结构大。因此，在原结构水平抗震作用满足的情况下，可不对其进行水平抗震承载力加固，但考虑实际现场检测的砂浆强度在个别楼层小于原设计，对原结构抗震承载力不满足的砌体墙仍采用钢筋网砂浆面层加固墙体。

含加层屋顶典型楼层地震作用下剪力对比图见图3。

图3 典型楼层地震作用下剪力对比图

3.3 地震作用下位移对比

采用顶层隔震之后，原结构各楼层的层最大位移及楼层层间位移角均较小（不计加层结构的位移），而直接加层，各层最大位移均大于原结构。含加层屋顶典型楼层地震作用下层最大位移对比图见图4，层间位移角对比图见图5。

图4 典型楼层地震作用下层最大位移对比图

图5 典型楼层地震作用下层间位移角对比图

3.4 隔震支座风荷载验算

在风荷载作用下隔震层的双向水平剪力标准值均小于隔震支座屈服力，满足要求。计算中考虑风荷载分项系数为1.4，具体验算见表2。

表2 风荷载作用下的隔震支座屈服力验算 kN

3.5 基础计算

屋顶增加一层后，竖向荷载约增加 13%，具体数值见表3。

表3 荷载对比表t

表3 中，隔震加层的恒载总重不包含新增电梯的这部分荷载（这部分通过新增桩基础来承受的），原结构荷载包含屋顶 2 个水箱，水箱总重约为 52 t，加层后水箱要拆除。

原基础采用预制短桩+梁板式片筏基础，桩布置间距为1 m×1 m，桩长为 8 m，由桩和桩间土形成的复合地基共同承受上部荷载。根据原结构建造前的勘测报告提供的土层信息，对新增隔震层的主体结构进行沉降分析计算。计算结果表明最大沉降增加约 6.5 mm，实际因该房屋已经建成超过 20 a，地基土固结已基本完成，实际沉降应该还要小。新增电梯基础底部设置锚杆静压桩，单独计算其沉降，沉降值约 6.1 mm，与主体加层结构相差很小。这样可减少新增电梯与主体结构之间因沉降差而产生的不利作用。

新增 1 层结构，在标准组合 1.0 恒载+1.0 活载作用下，基底压力增加约 25 kPa，考虑增加的这部分荷载由复合地基的桩间土部分来承担，计算得桩间土的基底压力由 41.4 kPa 增加到 66.5 kPa，仍能满足桩间土的地基承载力要求。计算表明原梁板式片筏基础的基础筏板及基础梁的配筋仍能满足要求。同时由于作为复合地基，桩间距很小，筏板抗冲切承载力与桩的冲切力之比最小为 4.08；临界截面的抗冲切承载力与相应范围内的地基土的平均净反力设计值之比最小值为 8.16；临界截面的受剪承载力与相应范围内的地基土的平均净反力设计值之比最小值为 6.70；筏板局部受压承载力与压力之比最小值为 4.65。以上计算结果表明，原基础结构设计承载力有富余，可以承受增加 1 层的竖向荷载。

4 结 语

根据上述分析研究得出如下结论，可供类似既有住宅加层设计项目提供参考。

（1）在原多层砌体结构上增加 1 层，如果未采取措施，原结构的地震作用明显增大。在新增层的柱底增设一定数量的铅芯橡胶隔震支座后，可以有效减少地震剪力及位移，在一定程度上起到减震效果，从而提高原结构的抗震承载力。

（2）减隔震铅芯橡胶支座的选取，应选择水平屈服力较小的支座，进行多次试算，以调整铅芯橡胶支座的数量、位置及参数，从而实现较好的减震效果。同时，应验算在风荷载作用下的支座屈服力。

（3）增加 1 层结构应验算在竖向作用下原有上部结构及地基基础的承载力。一般黏性土地基的承载力提高系数为 1.05～1.45。提高系数取值与已建成时间长度成正比，具体取值可参照上海市 DGJ 08-11—2010 《地基基础设计规范》。上部结构墙体在竖向作用下的承载力验算，应根据最新房屋质量检测的砌体及砂浆强度进行取值。