多層住宅加層設計案例分析

唐小輝（華東建筑設計研究院有限公司， 上海 200011）

我國城市中既有的多層砌體住宅存量大、分布廣。這類多層住宅普遍為 5～7 層，無電梯。隨著人口老齡化的加劇，對既有住宅小區加裝電梯的需求越來越迫切。由于加裝電梯改造工程涉及問題多、投資大，原住戶（對于老舊小區以老年人居多）大多難以承擔全部的費用，因此到目前為止，這方面進展十分緩慢。有人設想通過在既有住宅頂部加建 1 層上市銷售以補貼改造費用的方法解決上述問題。但是，既有住宅加層會導致既有結構受荷作用出現不利改變，因此需要進行專門分析與加固設計，才能保證原結構安全。本文以上海某多層住宅加層項目為例，對加層設計和加層結構進行分析。

1 項目背景

上海某多層住宅建于 20 世紀 90年代中期，為一幢底層框架上部砌體的住宅樓，共 7 層。住宅平面形式近似為矩形，東西向總長 43.2 m，南北向總寬 12.3 m，開間尺寸主要為 3.3 m、3.6 m 和 3.9 m。房屋共設置有 2 個樓梯間，入口設在北立面。房屋底層為朝南的沿街商鋪，層高為 3.9 m，框架結構；房屋 2～7 層均為住宅，層高均為 2.8 m，磚砌體結構。

原結構每層均設置圈梁和構造柱。樓（屋）面板形式：2層現澆，3層以上（除廚房衛生間）均為預制多孔板。基礎形式：預制短樁＋梁板式片筏基礎，基礎埋深－1.950 m，其中樁尺寸為0.2 m×0.2 m×8 m，間隔約 1 m×1 m，周邊基礎承臺外挑。

該住宅原設計承重墻均為240 mm厚，其中 1、2 層采用 MU10黏土磚、M10混合砂漿砌筑（±0.000 m以下采用M10 水泥砂漿）；3至7層采用MU10黏土多孔承重磚，M7.5和M5的混合砂漿（其中M7.5用于3至5層，M5用于6至7層）。混凝土強度：基礎墊層采用C10混凝土，底層框架梁柱采用C30混凝土，圈梁構造柱等為C20混凝土。原標準層建筑平面圖（局部）見圖1。

圖1 原標準層建筑平面圖（局部）

2 加層設計

該住宅項目擬在建筑北面增設2部電梯，同時在屋頂新增1層結構，新增層的屋頂采用坡屋頂。增設電梯采用傳統的鋼框架結構，基礎采用樁筏基礎，與主體結構弱連接。

按傳統的做法在屋面直接增設1層，由于自重增大，會引起下部各樓層水平作用的增大，勢必需要對下部樓層進行大面積加固，成本很大。為盡量減少對原有砌體結構的加固，采取以下措施：①拆除原有屋頂的混凝土水箱，可減少約52 t的重量；②加層的內外填充墻均采用輕質隔墻以減輕自重荷載；③在新增層的柱底增設鉛芯橡膠支座，有效減少整體結構的水平地震作用。

鉛芯橡膠支座設置在原有屋頂標高上，考慮到此處為結構的重點部位，而原有砌體房屋的屋蓋為預制板結構，因此將原有屋蓋上部面層鑿除，上部重新澆筑 60 mm 厚的混凝土。在原墻頂對應位置設置上翻梁，交叉處擱置鉛芯橡膠支座，在支座位置的梁局部加寬，以滿足構造要求。在鉛芯橡膠支座上部現澆一層混凝土梁板結構。新增結構采用框架混凝土現澆結構。屋頂鉛芯橡膠隔震支座詳圖見圖2。

圖2 屋頂鉛芯橡膠隔震支座詳圖

3 加層結構分析

3.1 屋頂減隔震

根據現行建筑抗震設計規范和砌體結構設計規范，底層框架-抗震墻砌體房屋在 7 度抗震地區（上海）最高為 7層，限高 22 m。本項目房屋加層之后層數及總高均超限。

為了提升原結構的抗震能力，在新增層的柱底增設鉛芯橡膠支座—起到類似于調諧質量阻尼器（TMD）的減震作用。當水平地震作用傳來，因為鉛芯橡膠支座水平抗側剛度較小，易于屈服進入材料的彈塑性階段，所以通過鉛芯橡膠支座的滯回耗能有效減少整體結構的水平地震作用。

采用 3 個典型模型計算比較水平地震作用，分別為原結構、直接加層和減隔震加層 3 種模型，其中后 2 種的上部加層均采用混凝土框架結構。

計算采用彈性時程分析法，地震波選擇7條波，分別為：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)。

隔震支座的部分參數如下：橡膠外徑 200 mm，鉛芯直徑 40 mm，隔震器總高度 83.8 mm，連接板厚度 12 mm，1 次形狀系數 19.4，2 次形狀系數 4.84，屈服前水平剛度為1 930 kN/m，屈服后水平剛度為 297 kN/m，水平屈服力為10.5 kN，鉛直剛度為 467 kN/mm。

3.2 地震作用下剪力對比

原結構、直接加層、減隔震加層的各層地震剪力對比見表1。

表1 原結構、直接加層、減隔震加層各層地震剪力對比

數值為 7 條波的平均值（按 7 度小震），并假設原結構的各層計算剪力基準值為 1.000 ，與在原結構直接增設 1 層及增設鉛芯橡膠隔震支座加層進行比較。根據計算可知，采用屋頂隔震支座，各層剪力均可比原結構減少，而直接加層的各層地震剪力大部分樓層比原結構大。因此，在原結構水平抗震作用滿足的情況下，可不對其進行水平抗震承載力加固，但考慮實際現場檢測的砂漿強度在個別樓層小于原設計，對原結構抗震承載力不滿足的砌體墻仍采用鋼筋網砂漿面層加固墻體。

含加層屋頂典型樓層地震作用下剪力對比圖見圖3。

圖3 典型樓層地震作用下剪力對比圖

3.3 地震作用下位移對比

采用頂層隔震之后，原結構各樓層的層最大位移及樓層層間位移角均較小（不計加層結構的位移），而直接加層，各層最大位移均大于原結構。含加層屋頂典型樓層地震作用下層最大位移對比圖見圖4，層間位移角對比圖見圖5。

圖4 典型樓層地震作用下層最大位移對比圖

圖5 典型樓層地震作用下層間位移角對比圖

3.4 隔震支座風荷載驗算

在風荷載作用下隔震層的雙向水平剪力標準值均小于隔震支座屈服力，滿足要求。計算中考慮風荷載分項系數為1.4，具體驗算見表2。

表2 風荷載作用下的隔震支座屈服力驗算 kN

3.5 基礎計算

屋頂增加一層后，豎向荷載約增加 13%，具體數值見表3。

表3 荷載對比表t

表3 中，隔震加層的恒載總重不包含新增電梯的這部分荷載（這部分通過新增樁基礎來承受的），原結構荷載包含屋頂 2 個水箱，水箱總重約為 52 t，加層后水箱要拆除。

原基礎采用預制短樁+梁板式片筏基礎，樁布置間距為1 m×1 m，樁長為 8 m，由樁和樁間土形成的復合地基共同承受上部荷載。根據原結構建造前的勘測報告提供的土層信息，對新增隔震層的主體結構進行沉降分析計算。計算結果表明最大沉降增加約 6.5 mm，實際因該房屋已經建成超過 20 a，地基土固結已基本完成，實際沉降應該還要小。新增電梯基礎底部設置錨桿靜壓樁，單獨計算其沉降，沉降值約 6.1 mm，與主體加層結構相差很小。這樣可減少新增電梯與主體結構之間因沉降差而產生的不利作用。

新增 1 層結構，在標準組合 1.0 恒載+1.0 活載作用下，基底壓力增加約 25 kPa，考慮增加的這部分荷載由復合地基的樁間土部分來承擔，計算得樁間土的基底壓力由 41.4 kPa 增加到 66.5 kPa，仍能滿足樁間土的地基承載力要求。計算表明原梁板式片筏基礎的基礎筏板及基礎梁的配筋仍能滿足要求。同時由于作為復合地基，樁間距很小，筏板抗沖切承載力與樁的沖切力之比最小為 4.08；臨界截面的抗沖切承載力與相應范圍內的地基土的平均凈反力設計值之比最小值為 8.16；臨界截面的受剪承載力與相應范圍內的地基土的平均凈反力設計值之比最小值為 6.70；筏板局部受壓承載力與壓力之比最小值為 4.65。以上計算結果表明，原基礎結構設計承載力有富余，可以承受增加 1 層的豎向荷載。

4 結 語

根據上述分析研究得出如下結論，可供類似既有住宅加層設計項目提供參考。

（1）在原多層砌體結構上增加 1 層，如果未采取措施，原結構的地震作用明顯增大。在新增層的柱底增設一定數量的鉛芯橡膠隔震支座后，可以有效減少地震剪力及位移，在一定程度上起到減震效果，從而提高原結構的抗震承載力。

（2）減隔震鉛芯橡膠支座的選取，應選擇水平屈服力較小的支座，進行多次試算，以調整鉛芯橡膠支座的數量、位置及參數，從而實現較好的減震效果。同時，應驗算在風荷載作用下的支座屈服力。

（3）增加 1 層結構應驗算在豎向作用下原有上部結構及地基基礎的承載力。一般黏性土地基的承載力提高系數為 1.05～1.45。提高系數取值與已建成時間長度成正比，具體取值可參照上海市 DGJ 08-11—2010 《地基基礎設計規范》。上部結構墻體在豎向作用下的承載力驗算，應根據最新房屋質量檢測的砌體及砂漿強度進行取值。