某高層建筑增加夾層改造結構設計

韋東城

(福建晟業(yè)建筑設計有限公司 福建福州 350028)

某高層建筑增加夾層改造結構設計

韋東城

(福建晟業(yè)建筑設計有限公司 福建福州 350028)

某高層建筑原為SOHO，其結構形式為剪力墻結構，需在其上部結構部分樓層增加夾層改造為住宅。通過對比改造設計模型與原結構設計模型的計算結果，分析增加夾層對原結構的影響。同時，簡要介紹該工程改造設計中應注意的問題及采取的措施。

結構改造；夾層；超限高層

1 工程概況

某高層建筑原設計為地下一層為停車庫，地上為21層SOHO，建筑總高度為84.600m。地下室結構層高為4.05m，地上一層結構層高為6.3m，二層及以上各偶數層層高均為4.95m，三層及以上各奇數層層高均為3.0m，上部主體結構為剪力墻結構，上部結構嵌固部位為地下室頂板。應業(yè)主需求并經規(guī)劃部門審批，原結構四層及以上偶數層增加夾層改造為住宅，夾層標高為偶數層標高+2.350m。標準層平面簡圖如圖1所示，夾層平面簡圖如圖2所示。

圖1 標準層平面簡圖

圖2 夾層平面簡圖

該工程結構設計使用年限50年，建筑結構安全等級為二級，所在地區(qū)的抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類[2]。50年一遇的基本風壓為0.8kN/m2，地面粗糙度為B類，承載力設計時基本風壓按50年一遇基本風壓的1.1倍采用[1]。基礎采用沖孔灌注樁基礎，建筑樁基設計等級為甲級。

2 結構方案比選

該工程改造設計時原結構已封頂完工，原設計因考慮建筑作為SOHO使用的功能要求，僅考慮了夾層的恒、活荷載，而未預留夾層梁板的鋼筋接頭，增加夾層的施工將對原結構產生一定影響[4]，以此為出發(fā)點，改造設計時夾層考慮了以下兩種結構方案。

(1)夾層梁板均采用現澆鋼筋混凝土。其優(yōu)點在于施工技術成熟，防火性能好，耐久性好，造價低等。同時其缺點也較明顯，由于夾層層高限制了梁高，而較小的梁高其配筋量較大，當梁與剪力墻邊緣構件連接時，邊緣構件較密集的鋼筋給植筋施工帶來困難，施工質量不易保證，且施工時對原結構的不利影響也不容忽視。

(2)夾層梁采用鋼梁，樓板采用鋼筋混凝土樓板。其優(yōu)點則主要表現在對原結構的影響較小，且鋼梁自重小，對結構有利，當鋼梁采用鉸接節(jié)點時，節(jié)點構造簡單且傳力明確[3]。而樓板采用鋼筋混凝土不但便于水電管線敷設，也彌補了鋼結構在使用過程中噪音大的缺點。但鋼結構防火性能差，長期處于潮濕環(huán)境(如廚房、衛(wèi)生間等)中易腐蝕的缺點應予以足夠重視，應在設計中采取防護措施。

經以上對比分析，綜合考慮施工難度及建筑使用功能要求，改造設計采用鋼梁+鋼筋砼樓板的方案，鋼梁與原結構連接均采用鉸接節(jié)點，同時考慮鋼筋砼樓板作為鋼梁的翼板按組合梁設計[3]。

3 整體計算分析

由于工程原設計中已考慮工程改造的可能性，因增加夾層而增加的恒、活荷載均在原設計時充分考慮。故本次改造設計需將原計算中疊加于偶數層的樓面荷載及墻體重量拆分至夾層，并將夾層作為獨立的計算層參與整體計算。通過改造設計與原設計計算結果的對比，分析增加夾層對原結構的影響，并復核原設計，對配筋不足之處采取相應的加固措施。需要注意的是，由于原結構已施工完畢，其結構剛度的形成要先于增加夾層的剛度，故在計算分析時應按實際情況指定施工次序，以避免因施工次序與實際不符而引起的計算誤差。結構整體計算分析主要結果如表1所示，樓層側向剛度對比示意圖如圖3所示。

通過對比發(fā)現，增加夾層對原結構產生的影響并不大，甚至部分位移指標略有改善。其原因：一方面是原設計已充分考慮了建筑作為SOHO使用時可能增加的改造荷載，而實際改造設計時夾層采用鋼梁及戶內隔墻均要求采用輕質材料等措施使上部結構總質量較原設計有所減小；另一方面，增加夾層對結構的豎向不規(guī)則起到一定的有利作用。此外，結構增加夾層，則其上部結構剛度增大，引起結構自振周期減小，若上部結構總質量不變，在地震作用下的樓層剪力將隨之增大[2]，此時應注意復核樓層剪力增大對結構的影響。但由于該工程已采取措施減小上部結構總質量，經計算，各樓層地震剪力較原結構均有所減小，原設計可滿足要求。

表1 主要計算結果

圖3 樓層側向剛度對比示意圖

4 超限情況分析

根據住房和城鄉(xiāng)建設部《超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》(建質〔2015〕67號)，該工程包含樓板局部不連續(xù)、扭轉不規(guī)則及側向剛度不規(guī)則這三項不規(guī)則，以下就此三項不規(guī)則作簡要分析。

4.1 樓板局部不連續(xù)

偶數層增加夾層，其樓板開洞面積大于樓面面積30%，屬樓板局部不連續(xù)[2]，如圖2所示。

結構中的樓板，不但是承受和傳遞豎向荷載的構件，也是結構地震作用和風荷載作用下傳遞和分配水平力的構件。夾層樓板大開洞造成樓板局部不連續(xù)，則改變了結構水平力的傳遞途徑，從而影響到豎向構件的內力分布。樓層的水平剪力可能集中分布于與樓板相連豎向構件，此時剪力墻應按壓彎構件復核其中部分承受水平力作用的承載力。同時，由于樓板的不連續(xù)，不符合剛性樓板假定，樓板平面內應力分布可能不均勻，傳遞給豎向構件的水平力也不均勻，故應采用彈性樓板模型計算，真實地反映樓板實際剛度對水平力分配的影響。

4.2 扭轉不規(guī)則

考慮偶然偏心Y向地震作用下結構最大扭轉位移比1.26>1.2，屬扭轉不規(guī)則[2]。

通過本文表1對比，結構扭轉位移比未發(fā)生顯著變化，其最大值所在樓層也相同，表明結構增加夾層未對結構的扭轉產生實質性影響，而其對應的位移角較小(1/7260)，說明其實際位移量已經很小。其次，該工程所在地抗震設防為6度，50年一遇基本風壓為0.8 kN/m2，通過計算不難發(fā)現水平荷載以風荷載為主，則結構在地震作用下因扭轉而產生破壞的可能性不大。再者，由于原結構主體已竣工，難以采取有效措施改善其抗扭性能。綜上所述，該工程對此未采取具體措施。

4.3 側向剛度不規(guī)則

該工程計算層二層、三層(即建筑一層、二層)側向剛度小于相鄰上一層的70%或小于相鄰3個樓層側向剛度平均值的80%，屬側向剛度不規(guī)則[2]。

對比圖3可發(fā)現，原結構因各層層高差異較大，其偶數層側向剛度與其上一層側向剛度的比值小于70%或與其上三層平均側向剛度的比值小于80%，形成剛度軟弱層，增加夾層后，上部各層剛度變化趨于均勻，偶數層剛度變化也滿足規(guī)范要求。對此，也可理解為夾層是對原結構軟弱層的加強，則增加夾層對結構整體性能的影響是有利的。

需要注意的是，該工程二層未設置夾層，一方面因其位于結構底部加強部位，應避免夾層施工對原結構擾動產生的影響；另一方面，因一層結構層高為6.3m，若在二層設置夾層則將導致一層側向剛度與相鄰上一層的70%或相鄰3個樓層側向剛度的80%之比減小(原結構該比值為：X向1.1531；Y向1.3849)，造成結構薄弱部位轉移，甚至形成結構側向剛度的嚴重不規(guī)則。此外，若將該工程夾層整層布置樓板，雖然可以避免樓板局部不連續(xù)一項不規(guī)則，但夾層過大的側向剛度必然導致薄弱層轉移，將對結構整體性能產生較大的不利影響。

綜上所述，增加夾層對原結構不會產生顯著的不利影響，夾層對偶數層的剛度貢獻對原結構有利，且由于原結構主體已施工完畢，大面積的加固措施施工難度大、質量不易保證，夾層施工對原結構的不利影響亦不可忽視，因此改造設計應盡量減少對原結構的擾動，在此基礎上加強夾層結構構件的構造措施，以利于設計意圖的實現。

該工程按規(guī)定進行了超限高層建筑工程抗震設防專項審查，并通過審查。

5 主要構件設計

夾層鋼梁均采用鉸接節(jié)點構造。由于主體結構為剪力墻結構，夾層結構中存在較多梁與剪力墻平面外相交的情況，而剪力墻平面外的抗彎剛度較小，應避免其承受過大的平面外彎矩，鋼梁采用鉸接節(jié)點即僅傳遞樓面荷載產生的豎向荷載。當鋼梁與墻平面內相交時，因梁端位置通常是剪力墻的邊緣構件，鋼筋較多且排布密集，若采用剛接節(jié)點，不但施工難度大，施工過程中對原結構的破壞也相對更大。該工程節(jié)點設計根據強節(jié)點的要求，采取措施保證節(jié)點的有效性，鋼梁與剪力墻平面內連接時的節(jié)點做法如圖4所示。當鋼梁與剪力墻平面外連接時，則將錨栓改為穿桿螺栓。

圖4 鋼梁與剪力墻鉸接節(jié)點構造

夾層樓板因其平面大開洞使其成為結構中的薄弱部位，而該工程中大量的夾層樓板與剪力墻連接部位均需采用植筋錨固，樓板混凝土與原結構的交界面的性能不易保證，因此加強夾層樓板的配筋是必要的。該工程綜合考慮上述因素并結合計算，夾層樓板鋼筋按雙層雙向Φ8@150通長配置。此外，樓板作為組合梁的翼板，需考慮其與鋼梁的協同作用，鋼梁面沿全長設置雙排栓釘。

原結構中包含少量框架柱，如圖1所示，其偶數層框架柱在增加夾層后，柱凈高與柱截面高度之比小于4，形成短柱，按規(guī)范要求其柱箍筋應全高加密。該工程對偶數層框架柱采用環(huán)向圍束碳纖維布外加聚合物砂漿保護層的加固方法[4]。

最后，原結構基礎設計時，由于已考慮了夾層荷載，其考慮范圍與改造設計的夾層范圍相同，各墻柱底豎向荷載分布及結構重心未發(fā)生明顯變化。此外，由于采取措施減少了上部結構總質量，在地震作用及水平風荷載作用下，各墻柱底彎矩及剪力未發(fā)生明顯變化。經復核，原基礎設計可滿足要求。

6 結語

綜上，該工程增加夾層采用鋼梁+鋼筋砼樓板的結構方案，夾層按獨立的計算層建模參與整體計算，通過改造設計模型與原設計模型整體計算對比發(fā)現，增加夾層對原結構的整體性能未產生顯著的不利影響。同時，由于夾層本身樓板局部不連續(xù)的屬性及其造成水平傳力途徑改變而引起的薄弱部位，應采取相應的加強加固措施。該工程原結構形式簡單，平面規(guī)則，具有較好的結構性能，故在改造設計時，應盡量減少對原結構的擾動，并采取措施減少夾層施工對原結構的不利影響。

[1] JGJ3-2010 高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] GB50011-2010 建筑抗震設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3] GB50017-2003 鋼結構設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2003.

[4] GB50367-2013 混凝土結構加固設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

Structuralmodificationdesignofahigh-risebuildingaddingmezzanine

WEIDongcheng

(Fujian ShengYe Architectural Design Co., Ltd.,Fuzhou 350028)

A SOHO high-rise building is shearwall structure, need to add mezzanine in part of storeys to change to residential building. This article, by comparing results of the modified model and the original model, analysis the impact of mezzanine on the existing building. In the meanwhile, expounds main points that need to be noticed and measures that should be taken in this structural modification design.

Structural modification；Mezzanine；Tall building beyond code limits

韋東城(1987.8- )，男，工程師。

E-mail:75985705@qq.com

2017-10-15

TU3

A

1004-6135(2017)12-0025-04