增層改建工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

顧旖萍

1 工程概況

某市一兩層商業(yè)建筑，建于1995年，結(jié)構(gòu)體系為框架結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)軸網(wǎng)尺寸為7.2 m×7.2 m，建筑總長約86 m，寬約22 m，西側(cè)緊鄰一幢高層建筑，其間采用抗震縫斷開。現(xiàn)因業(yè)主需求，對(duì)其改造增層為4層，原下部兩層功能不變，新建兩層部分主要功能為商業(yè)、餐飲、會(huì)議;同時(shí)新增屋頂考慮設(shè)置花臺(tái)、苗圃等綠化設(shè)施，且為了增加綠化景觀，屋頂需采用坡屋面，高低起伏每跨不等，單跨內(nèi)最大高差為1.0 m。本工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為丙類，場地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為 0.10g，場地類別為Ⅲ類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，特征周期取0.45 s。場地內(nèi)各土層自上而下的分布情況和各土層巖土參數(shù)見表1。

表1 場地內(nèi)各土層工程地質(zhì)參數(shù)

2 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合考慮結(jié)構(gòu)可靠度、經(jīng)濟(jì)性、可行性等各方面的因素，將新增結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限定為50年，相應(yīng)的荷載作用也按照50年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的荷載值來取用，同時(shí)需加強(qiáng)對(duì)老結(jié)構(gòu)的定期檢測[1]。

由于本結(jié)構(gòu)長寬比較大，呈條形，平面局部不規(guī)則，且屋頂坡屋面起伏較大，由于頂層綠化的分區(qū)布置，重力荷載差異較大，因此在進(jìn)行整體計(jì)算時(shí)，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在常規(guī)布置下扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯，周期比和位移比均超限。通過計(jì)算，在無需對(duì)老結(jié)構(gòu)進(jìn)行大改的同時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)均能控制在合理范圍內(nèi)。但是本結(jié)構(gòu)屬于少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)，對(duì)框架結(jié)構(gòu)應(yīng)分步計(jì)算，即按純框架結(jié)構(gòu)(去除剪力墻)、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)計(jì)算，采用包絡(luò)設(shè)計(jì)的原則，框架的抗震等級(jí)按框架結(jié)構(gòu)確定[2]。結(jié)構(gòu)整體計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)果參數(shù)對(duì)比

新增兩層結(jié)構(gòu)需將原框柱接高，設(shè)計(jì)中采用植筋的方式將增層框柱的鋼筋從上部植入，具體構(gòu)造見圖1，剪力墻與框柱、框梁的連接構(gòu)造見圖2，圖3。

3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式為鋼筋混凝土柱下獨(dú)基，埋深1.5 m，中柱基礎(chǔ)尺寸為2.8 m×2.8 m。本工程整體增加兩層，柱底荷載標(biāo)準(zhǔn)值增加一倍以上，約為7.2×7.2×35=1 820 kN，基礎(chǔ)加固托換可采取擴(kuò)大基礎(chǔ)底面積、樹根樁、錨桿靜壓樁等方式。但是對(duì)于本工程若采用增加基礎(chǔ)面積的方式，中柱基礎(chǔ)尺寸需加大為4.0 m×4.0 m(考慮建筑使用 15年，地基承載力增大約10%)，已大于柱跨的1/2。因此即便是將整個(gè)獨(dú)基加大為筏板，也需在局部設(shè)置承壓樁。若采用樹根樁，不但需要在底層設(shè)置泥漿池，對(duì)環(huán)境造成較大的破壞，并且相同土層鉆孔灌注樁的極限端阻力小于預(yù)制樁，因此在同等條件下，錨桿靜壓樁的單樁承載力較樹根樁要高，樁數(shù)要少。綜合比較，本工程基礎(chǔ)托換采用錨桿靜壓樁。基礎(chǔ)加固托換方式比選見表3。

表3 基礎(chǔ)加固托換方式比選

擬加設(shè)方樁邊長為250 mm，樁長為10 m，持力層為④粗砂。根據(jù)現(xiàn)場土層巖土參數(shù)，可得單樁承載力特征值Ra=300 kN，壓樁力取為390 kN。具體施工時(shí)按照樁長和壓樁力雙控的原則，其中以控制壓樁力為主，控制樁長為輔[3]。

考慮樁承擔(dān)原結(jié)構(gòu)20%的荷載，并完全承擔(dān)新增兩層所產(chǎn)生的荷載，通過計(jì)算，中柱下需設(shè)置8根樁。由于樁反力的作用勢必增大柱基的截面彎矩，因此采用在基礎(chǔ)頂面設(shè)置肋梁加固，肋梁鋼筋植入基礎(chǔ)或框柱，并在交接界面設(shè)置抗剪鍵，并采用C35細(xì)石補(bǔ)償收縮混凝土澆筑。樁位布置見圖4，基礎(chǔ)肋梁構(gòu)造見圖5。

4 結(jié)語

1)在既有建筑增層改造的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)原結(jié)構(gòu)的檢測鑒定結(jié)果，合理確定新增結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限和荷載作用，并采取合理措施，以使新老結(jié)構(gòu)的安全可靠度處于同一水準(zhǔn)之上。2)對(duì)于平面體型較不規(guī)則的框架結(jié)構(gòu)，可在短邊邊榀局部設(shè)置厚度較薄的剪力墻，可有效的控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。同時(shí)在增層改造的建筑中，可大大減少對(duì)原結(jié)構(gòu)的加固量，在一定程度上提升工程的經(jīng)濟(jì)性。但結(jié)構(gòu)體系仍然屬于框架結(jié)構(gòu)，框架的抗震等級(jí)按框架結(jié)構(gòu)確定，并按純框架結(jié)構(gòu)(去除剪力墻)、框架—剪力墻結(jié)構(gòu)分別計(jì)算，取包絡(luò)值進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。3)基礎(chǔ)加固托換的方案選取，應(yīng)因地制宜，結(jié)合當(dāng)?shù)亓?xí)慣、工程特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)性等因數(shù)合理判別。由于本工程增層荷載較大，加大基礎(chǔ)面積方案加固量太大，同時(shí)同等條件下預(yù)制樁較鉆孔樁承載力高，且對(duì)環(huán)境的保護(hù)更為有利，因此最終采用錨桿靜壓樁方案。4)本工程從開工到竣工使用，建筑沉降觀測顯示，柱基最大沉降量不足 30 mm，相鄰柱基的沉降差更是小于10 mm，并已趨于穩(wěn)定，說明本基礎(chǔ)加固方案安全合理。

[1] 范 波，張 勝，魏 宇，等.2010年上海世博村E地塊改擴(kuò)建工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2007，39(12):13-65.

[2] 朱炳寅.對(duì)配置少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)的理解與設(shè)計(jì)建議[M].北京:《建筑結(jié)構(gòu)》技術(shù)通訊，2007.

[3] GB 50007-2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 何惟雄.框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)柱弱梁分析及設(shè)計(jì)改進(jìn)建議[J].山西建筑，2009，35(9):93-94.