增层改造对某商场主体结构安全性影响分析

王 博

（陇东学院土木工程学院，甘肃 庆阳 745000）

0 引言

既有建筑在使用过程中，为了满足建筑功能的需要，在相关程序允许的情况下，可对原有结构进行改扩建，但必须在改造前后进行鉴定。本文以某钢筋混凝土框架商场顶部增加一层门式刚架为工程实例，首先对原混凝土结构工程质量、损伤及变形等现状进行现场检测，其次创建增层改造前后结构模型，最后通过对比计算结果分析增层改造对该商场主体结构安全性的影响。

1 工程概况

该商场建造于 2014 年，地下 1 层、地上 3 层，平面布置呈“一”字形，长 43.0 m，宽 34.6 m，改造前建筑面积为 5 951.2 m2，地下 1 层为超市，1～3 层为商场。该商场采用全现浇钢筋混凝土框架结构，地下 1 层层高 4.9 m，1～3 层层高均为 4.8 m，室内外高差0.3 m，原结构主体高度为 14.7 m。地下 1～3 层结构平面布置如图 1 所示。该商场所在地区抗震设防烈度为 7 度（0.15 g），第三组，Ⅱ类场地，Tg=0.45 s；抗震设防分类为标准设防（丙）类。结构安全等级为二级，设计使用年限为 50 年，框架抗震等级为三级。结构嵌固端取地下室顶板。基础采用人工成孔灌注桩，桩端持力层为卵石层，建筑桩基设计等级为乙级。混凝土设计强度等级：框架柱及现浇梁均采用 C35，现浇板采用 C30；钢筋等级：框架柱及现浇梁纵筋采用 HRB400 级，箍筋及现浇板受力钢筋采用 HPB 300 级；钢筋混凝土保护层厚度为：一类环境现浇板和混凝土墙 15 mm，框架柱和现浇梁 20 mm。根据业主提供的工程信息及图纸可知，计划在原有结构顶层增加一层轻型钢结构作为电影院，新增轻型钢结构采用门式刚架，刚架柱及刚架梁均采用 H 型钢，水平系杆采用圆钢管，屋面支撑及柱间支撑均采用等肢角钢，材料强度等级均为 Q 235。门式刚架跨度为18.6 m、15.6 m，檐口高度为 7.7 m，屋脊高度为 8.63 m，结构平面布置如图 2 所示。刚架柱底采用铰接，与下层钢筋混凝土框架柱上下对齐。

图1 地下1～3 层结构平面布置示意图（单位：mm）

图2 顶层新增门式刚架结构平面布置示意图（单位：mm）

2 现场检测

2.1 原结构布置核查

根据 GB/T 50784－2013《混凝土结构现场检测技术标准》［1］的规定，依据业主提供的竣工图纸，现场对该商场原结构实际布置情况进行核查，并对层高、轴距进行检测。核查及检测结果表明，该商场原结构布置符合图纸要求，层高及轴距均满足设计要求。

2.2 地基基础

根据 GB/T 50784－2013《混凝土结构现场检测技术标准》的规定，首先查阅该商场地基基础检测相关资料，结果表明，该商场桩基础端部施工至持力层，单桩承载力满足设计要求且桩身完整。根据 GB 50292－2015《民用建筑可靠性鉴定标准》［2］的规定，现场采用水准仪对该商场相邻柱基间相对沉降量进行检测，并对上部结构构件进行检查。检测结果表明，该商场相邻柱基相对沉降量满足 GB 50007－2011《建筑地基基础设计规范》［3］规定的限值要求，且上部结构构件未发现因地基变形引起的裂缝、变形等反应。

2.3 上部结构检测

2.3.1 混凝土强度检测

因现场检测时，该商场主体结构混凝土构件龄期已超过 1 000 d，不满足间接测强方法—回弹法的适用条件。根据 GB/T 50784－2013《混凝土结构现场检测技术标准》的规定，该商场混凝土构件强度检测时，采用钻芯修正的方式，对回弹法检测结果进行修正。根据规范规定并结合现场实际情况，每层随机选择 12 个梁或柱构件钻取芯样，加工后的混凝土芯样如图 3 所示。并对修正后的混凝土强度按检验批进行评定。检测结果表明，该商场地下 1 层～3 层混凝土构件强度均满足设计要求。

图3 混凝土芯样

2.3.2 截面尺寸及变形检测

根据 GB/T 50784－2013《混凝土结构现场检测技术标准》的规定，现场对该商场混凝土构件截面尺寸、混凝土梁和板跨中挠度、混凝土柱垂直度分别进行检测。检测结果表明，混凝土构件截面尺寸偏差及构件变形均满足相关规范规定。

2.3.3 外观质量缺陷检查

经现场检查，未发现该商场混凝土构件有裂缝、蜂窝、露筋、孔洞、夹渣和缺棱掉角等外观质量缺陷。

3 建立结构计算模型

依据业主提供的原结构图纸及新增钢结构图纸，结合检测结果，采用盈建科软件分别创建改造前后的结构整体计算模型如图 4 所示。原混凝土结构荷载、结构构件截面尺寸及材料强度值均按原设计取值。增层改造后模型中三层顶板活荷载按 GB 50009－2012《建筑结构荷载规范》［4］影院活荷载 3.0 kN/m2选取，新增钢结构屋面活荷载取 0.3 kN/m2，电影院阶梯座位恒荷载经折算后按集中荷载施加至原结构屋面主梁上。门式刚架通过软件特殊构件定义为门式刚架柱及门式刚架梁。根据 GB 51022－2015《门式刚架轻型房屋钢结构技术规范》［5］的规定，阻尼比取 0.035。

图4 增层改造前后结构整体模型

4 增层改造对主体结构安全性影响分析

4.1 上部承重结构影响分析

通过对该商场增层改造前后上部承重结构计算控制参数、结构构件承载力以及抗震构造措施三个方面进行对比，分析增层改造对上部承重结构的影响。

4.1.1 整体计算控制参数对比及影响分析

1）主要参数计算结果。根据模型计算结果，分别给出增层改造前后混凝土部分振动周期、剪重比及层间位移角参数，具体如下。

表1 考虑扭转耦联时的振动周期（秒）、X，Y 方向的平动系数、扭转系数（增层前模型）

表2 考虑扭转耦联时的振动周期（秒）、X，Y 方向的平动系数、扭转系数（增层后模型）

①振动周期。对改造前后两个模型分别进行了模态分析，两个模型在各阶振型下，周期及参与系数见表 1 和表 2 所示。

②剪重比。在考虑地震作用下，改造前后两个模型各楼层 X 向和 Y 向楼层剪重比如表 3 和表 4 所示。

表3 各层 X、Y 方向的作用力（改造前）

表4 各层 X、Y 方向的作用力（改造后）

③层间位移角。在考虑强制刚性楼板假定，不考虑偶然偏心的影响下，改造前后两个模型的 X 向和 Y 向楼层最大层间位移角如图 5 所示。

2）对比分析。通过对比该商场增层改造前后整体结构计算控制参数，分析结构改造对各项控制参数的影响程度。具体对比情况如表 5 所示。

图5 改造前后结构楼层层间位移角对比

表5 上部承重结构整体计算控制参数对比结果

由计算结果对比可知，该商场增层改造后对整体结构各项计算控制参数存在较大程度影响，结构周期比不满足规范要求，造成结构扭转不规则，其余各项参数仍符合规范限值规定。

4.1.2 结构构件承载力对比及影响分析

通过对比改造前后混凝土结构构件计算配筋量，分析增层改造对结构构件承载力的影响程度。根据计算结果可知，增层改造后结构混凝土构件计算钢筋量有所增大，但混凝土构件实配钢筋量仍满足计算要求，即结构增层改造后未造成混凝土结构构件承载力不足。

4.1.3 抗震构造措施对比及影响分析

根据 GB 50011－2010《建筑抗震设计规范》（2016 年版）［6］的规定，对改造前后混凝土结构的抗震构造措施进行对比。增层后，该商场主体结构高度增加为 22.9 m，＜60 m。因此，改造后框架抗震构造措施的抗震等级仍为三级，未发生变化。以底层框架柱轴压比为例，如图 6 和图 7 所示，框架柱最大轴压比由 0.48 增加为 0.60，小于规范限值 0.85。对比结果表明，结构增层改造对抗震构造措施造成了一定影响，但仍满足规范规定。

图6 改造前模型底层竖向构件轴压比

图7 改造后底层竖向构件轴压比

4.2 地基基础影响分析

经复核，该商场增层改造后桩基承载力仍满足设计要求。根据桩基承载力计算结果，结合桩基础相关工程资料以及现场检测结果，上部结构增层及变更未对桩基础造成影响，桩基础仍能满足承载力要求。

4.3 门式刚架构件承载力计算复核

经复核计算，门式刚架梁正应力强度与抗拉、抗压强度设计值的最大比值为 1.16，门式刚架柱正应力强度与抗拉、抗压强度设计值的最大比值为 1.13，钢柱 X 向稳定应力与抗拉、抗压强度设计值的最大比值为 1.15，不满足规范规定的构件承载力要求。经过重新复核计算，在钢构件材料强度采用 Q345 级时，各构件承载力均能满足要求。

5 结论及建议

根据现场检测及复核计算结果的对比，该商场增层改造后对地基基础未造成影响，但对上部整体结构各项控制参数、结构构件承载力及结构抗震构造措施均造成一定影响。改造后除结构周期比不满足规范规定造成扭转不规则外，其余各项指标仍能满足规范相关规定。经综合分析，该商场增层改造后对混凝土结构安全性造成一定影响，新增门式刚架构件承载力不满足规范要求。

建议业主对混凝土结构部分进行加固，对新增门式刚架通过增大钢构件截面或提高材料强度等方式进行重新设计。