探討高層建筑結構加層加固設計方案分析

胡進來本溪市建筑設計研究院廈門分院（361000）

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探討高層建筑結構加層加固設計方案分析

胡進來
本溪市建筑設計研究院廈門分院（361000）

摘要：對高層建筑結構進行加層加固設計，是現階段建筑行業急需要解決與思考的問題。這里結合某大廈的高層建筑工程實例，對如何進行加層加固設計方案進行具體的分析。

關鍵詞：高層建筑結構；加層加固；設計方案；具體策略

1　工程實例

相關資料證明，以某大廈為例，該大廈主要是集高級辦公和商務酒店為一體的高層建筑，原設計方案為地下2層，地上18層，總共20層，其中地下面積達4 880 m2，地上面積達50 000 m2。且原建筑主體主要采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，其中抗地震的防裂度可達到6.5度，剪力墻的抗震等級可以達到三級，框架抗震等級達到四級。在建筑基礎上主要采用的是高強預應力混凝土管樁，墻壁厚度可達130 mm，地面的樁端持力層主要為砂土狀強風化的花崗巖，其中樁長大概為30 m，單樁在豎向極限承載力方面的一定標準值可達到5 000 kN。

該建筑物預計在2013年9月完成施工圖的設計工作，其中在2015年2月工程已成功施工到15層樓面。因為建筑使用功能的不斷增加及該地區建筑限制高度的標準下降，故該建筑物的業主提出了加層的要求，由原來的20層加到25層，建筑屋面的高度由原來的66.59 m加高到82.5 m，擴大面積15 000 m2。需要注意的是，該建筑工程是在建筑過程中續加層數，前后兩次設計都是采用統一的建筑行業規范，所以不存在設計使用年限超過部標準及新老規范制度銜接不上等施工問題。

2　建筑結構加層的設計

在原來設計20層的建筑工程實施中續建5層，主要是解決好在新增加的豎向荷載、地震荷載及風荷載作用下結構體系的基本性能、整體結構、已建結構構建的承載能力及加固等相關問題。

從結構體系的整體來進行分析與計算，可以初步判斷出該高層建筑物實現加層的概率。為了有效發揮原建筑的各結構構件與抗側力體系的性能，可以先行按照原有的施工布置方案，在其基礎上直接增加5層來進行分析與計算。按照我國建筑行業相關的設計規范，可以采取中國建筑研究院編制的SATWE結構分析軟件來分析該建筑的結構整體。同時可以采取剛性樓板假定和按照模擬施工的加載方式，結合±5％偶然與雙向地震的扭轉效應的作用，對該建筑物的整體結構進行彈性方面的靜力分析。從數據計算的結果可知：該建筑的結構整體剛度偏于柔性，施工花費周期較長，樓層層間最大位移與層數的高度形成一定比例，數據為1/720，超過設計規范中1/800的限制數值，其中樓層最小的地震剪力系數值達到1.51％，小于7度區設計規范的基本限值，底部框架部分能夠承受的地震傾覆力超過了設計規范的55％，一部分的框架柱軸壓力比重，嚴重超出了限制［1］。

根據上述情況，需要對原來的建筑結構方案進行適當的調整與創新，使其能夠滿足設計規范的相關要求。考慮到續建部分采用的鋼筋結構方案，在設計該建筑時按照建筑物設計管理條例的相關要求，最終選擇了增設鋼筋混凝土剪力墻、擴大剪力墻與框架柱截面尺寸的面積方案。這一方案不但可以提高結構的剛度、強度，而且能夠提高該建筑結構的整體承載能力。同時，在設計該建筑時應在角落多添加剪力墻，在建筑的中部采取增加剪力墻長度的方式。針對原框架柱軸壓比出現嚴重不足的問題，新方案采取了增大截面法加固的方式，適當增加其剛度。該建筑的整體結構分析見表1。

表1　建筑物的整體結構分析

通過表1可以看出，通過風荷載與地震荷載的作用，結建筑結構中的最大層間位置轉移可以滿足現階段建筑設計規范的相關要求。該結構的自振周期為平行周期，并且是以扭轉為核心。該建筑結構的底部傾覆框架比例與剪重比都滿足了加層加固設計方案的相關要求。

3　建筑結構的加固

3.1地基的加固

在對該建筑實施加層的續建工程時，首要面臨的是地基的基礎問題。為了有效減少地基基礎改造的工作量，要求工作人員在最大限度上挖掘上部的載體潛力。第一為墻體材料，可以將原先采購的保溫燒結空心磚改為容納量度較低的加工混凝土砌塊，在辦公室區域的磚砌墻改為質量較輕的隔墻，在首層地面的填土部分使用架空板，并采取電算荷載的輸入方式，在不同方面及不同渠道對其進行合理卸載。

按照本建筑工程原樁基德布置圖，有效結合已經施工完畢地下室的實際情況，通過對比多項方案，最終確定下來的是采用錨桿靜壓樁進行全面加固。因為錨桿靜壓樁在施工過程中具有輕便性、靈活性及作業面小的特點，所以讓其在施工基礎上設置錨桿固定壓樁架，并以建筑的自重荷載當成壓樁架上的反力，用千斤頂的方式將預制的壓樁分段壓進土壤中，與原有的施工基礎進行連接與聯合，整體上提高壓力樁基的總體承載力［2］。

3.2上部構件的加固

要想最大程度減少加固施工對于原有建筑結構構件的損壞，遵守對原有結構構件不動或者少動的加固原則，需對原有結構進行強度方面與剛度方面的鞏固與加強。在對高層建筑結構上部構件的加固的設計中，最方便快捷的方式是擴大截面的面積加固法。該種方法不但完全符合強柱若梁抗震的相關原則，而且能夠幫助框架梁使用粘鋼加固時的節點錨固處理方式。在柱截面擴大的設計方案中，通常會發生新加柱的縱筋與鋼筋混凝土框架梁相互碰撞的情況，故縱向鋼筋在排列時應全部或者大部分繞過框架梁，以便達到規范規定的豎筋間距要求。在框架梁的上下兩面各自增加附加的鋼筋，并植入到建筑的框架梁內。

因水平荷載作用的大幅增加，部分框架梁出現了彎曲及抗剪承載力不足的情況。所以為了充分保障該高層建筑的施工質量與安全性，又不會對建筑的使用高度產生任何的影響，可以在框架梁上使用粘貼鋼板及U型鋼箍的加固方法。在建筑的梁面、梁底粘鋼使用材質鋼板（Q345B），在梁箍板上使用材質鋼板（Q235B）。當計算梁受彎的承載力時，應該嚴格按照保守的算法，根據鋼筋的差距數值進行換算，最終得出梁底粘鋼的數量。

4　結語

在對該高層建筑進行加層設計中，應當逐步降低建筑的使用功能及對已建成結構的負面影響，通過比較多種方案，在達到現階段建筑行業規范及建筑使用的目標下，應不斷完善實施加固的結構改造方案。

在對該高層建筑實施加層改建中，充分挖掘與發揮上部荷載的潛力，降低豎向荷載的潛力，這樣的方式不但可以有效降低施工人員在實施加固的工作量，而且可以有效減輕地震帶來的負面影響。

該高層建筑在2015年10月主體與外墻立面全部完工，現已進入室內裝修階段，建筑均勻達到沉降的狀態，而最大沉降量達到了20 mm。從檢驗結果來看，發現各種加固技術都具有一定的安全性及可靠性，加層加固能夠達到預期與理想的效果。

參考文獻：

［1］張學偉，劉衛東，張理，趙彥，嚴寅坤.某框架結構辦公樓的改造加固設計［J］.工業建筑，2011，02：123- 126+122.

［2］劉明.某鐵路車站高架候車室加層改造方案研究［J］.鐵道工程學報，2013，08：94- 98.