某高層建筑增加夾層改造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

韋東城

(福建晟業(yè)建筑設(shè)計(jì)有限公司 福建福州 350028)

某高層建筑增加夾層改造結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

韋東城

(福建晟業(yè)建筑設(shè)計(jì)有限公司 福建福州 350028)

某高層建筑原為SOHO，其結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)，需在其上部結(jié)構(gòu)部分樓層增加夾層改造為住宅。通過(guò)對(duì)比改造設(shè)計(jì)模型與原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型的計(jì)算結(jié)果，分析增加夾層對(duì)原結(jié)構(gòu)的影響。同時(shí)，簡(jiǎn)要介紹該工程改造設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題及采取的措施。

結(jié)構(gòu)改造；夾層；超限高層

1 工程概況

某高層建筑原設(shè)計(jì)為地下一層為停車庫(kù)，地上為21層SOHO，建筑總高度為84.600m。地下室結(jié)構(gòu)層高為4.05m，地上一層結(jié)構(gòu)層高為6.3m，二層及以上各偶數(shù)層層高均為4.95m，三層及以上各奇數(shù)層層高均為3.0m，上部主體結(jié)構(gòu)為剪力墻結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)嵌固部位為地下室頂板。應(yīng)業(yè)主需求并經(jīng)規(guī)劃部門審批，原結(jié)構(gòu)四層及以上偶數(shù)層增加夾層改造為住宅，夾層標(biāo)高為偶數(shù)層標(biāo)高+2.350m。標(biāo)準(zhǔn)層平面簡(jiǎn)圖如圖1所示，夾層平面簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面簡(jiǎn)圖

圖2 夾層平面簡(jiǎn)圖

該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類[2]。50年一遇的基本風(fēng)壓為0.8kN/m2，地面粗糙度為B類，承載力設(shè)計(jì)時(shí)基本風(fēng)壓按50年一遇基本風(fēng)壓的1.1倍采用[1]?；A(chǔ)采用沖孔灌注樁基礎(chǔ)，建筑樁基設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。

2 結(jié)構(gòu)方案比選

該工程改造設(shè)計(jì)時(shí)原結(jié)構(gòu)已封頂完工，原設(shè)計(jì)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(yù)留夾層梁板的鋼筋接頭，增加夾層的施工將對(duì)原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響[4]，以此為出發(fā)點(diǎn)，改造設(shè)計(jì)時(shí)夾層考慮了以下兩種結(jié)構(gòu)方案。

(1)夾層梁板均采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土。其優(yōu)點(diǎn)在于施工技術(shù)成熟，防火性能好，耐久性好，造價(jià)低等。同時(shí)其缺點(diǎn)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(dāng)梁與剪力墻邊緣構(gòu)件連接時(shí)，邊緣構(gòu)件較密集的鋼筋給植筋施工帶來(lái)困難，施工質(zhì)量不易保證，且施工時(shí)對(duì)原結(jié)構(gòu)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(diǎn)則主要表現(xiàn)在對(duì)原結(jié)構(gòu)的影響較小，且鋼梁自重小，對(duì)結(jié)構(gòu)有利，當(dāng)鋼梁采用鉸接節(jié)點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)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(shè)，也彌補(bǔ)了鋼結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中噪音大的缺點(diǎn)。但鋼結(jié)構(gòu)防火性能差，長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境(如廚房、衛(wèi)生間等)中易腐蝕的缺點(diǎn)應(yīng)予以足夠重視，應(yīng)在設(shè)計(jì)中采取防護(hù)措施。

經(jīng)以上對(duì)比分析，綜合考慮施工難度及建筑使用功能要求，改造設(shè)計(jì)采用鋼梁+鋼筋砼樓板的方案，鋼梁與原結(jié)構(gòu)連接均采用鉸接節(jié)點(diǎn)，同時(shí)考慮鋼筋砼樓板作為鋼梁的翼板按組合梁設(shè)計(jì)[3]。

3 整體計(jì)算分析

由于工程原設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)充分考慮。故本次改造設(shè)計(jì)需將原計(jì)算中疊加于偶數(shù)層的樓面荷載及墻體重量拆分至夾層，并將夾層作為獨(dú)立的計(jì)算層參與整體計(jì)算。通過(guò)改造設(shè)計(jì)與原設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，分析增加夾層對(duì)原結(jié)構(gòu)的影響，并復(fù)核原設(shè)計(jì)，對(duì)配筋不足之處采取相應(yīng)的加固措施。需要注意的是，由于原結(jié)構(gòu)已施工完畢，其結(jié)構(gòu)剛度的形成要先于增加夾層的剛度，故在計(jì)算分析時(shí)應(yīng)按實(shí)際情況指定施工次序，以避免因施工次序與實(shí)際不符而引起的計(jì)算誤差。結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析主要結(jié)果如表1所示，樓層側(cè)向剛度對(duì)比示意圖如圖3所示。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，增加夾層對(duì)原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響并不大，甚至部分位移指標(biāo)略有改善。其原因：一方面是原設(shè)計(jì)已充分考慮了建筑作為SOHO使用時(shí)可能增加的改造荷載，而實(shí)際改造設(shè)計(jì)時(shí)夾層采用鋼梁及戶內(nèi)隔墻均要求采用輕質(zhì)材料等措施使上部結(jié)構(gòu)總質(zhì)量較原設(shè)計(jì)有所減??；另一方面，增加夾層對(duì)結(jié)構(gòu)的豎向不規(guī)則起到一定的有利作用。此外，結(jié)構(gòu)增加夾層，則其上部結(jié)構(gòu)剛度增大，引起結(jié)構(gòu)自振周期減小，若上部結(jié)構(gòu)總質(zhì)量不變，在地震作用下的樓層剪力將隨之增大[2]，此時(shí)應(yīng)注意復(fù)核樓層剪力增大對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。但由于該工程已采取措施減小上部結(jié)構(gòu)總質(zhì)量，經(jīng)計(jì)算，各樓層地震剪力較原結(jié)構(gòu)均有所減小，原設(shè)計(jì)可滿足要求。

表1 主要計(jì)算結(jié)果

圖3 樓層側(cè)向剛度對(duì)比示意圖

4 超限情況分析

根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》(建質(zhì)〔2015〕67號(hào))，該工程包含樓板局部不連續(xù)、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則及側(cè)向剛度不規(guī)則這三項(xiàng)不規(guī)則，以下就此三項(xiàng)不規(guī)則作簡(jiǎn)要分析。

4.1 樓板局部不連續(xù)

偶數(shù)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(jié)構(gòu)中的樓板，不但是承受和傳遞豎向荷載的構(gòu)件，也是結(jié)構(gòu)地震作用和風(fēng)荷載作用下傳遞和分配水平力的構(gòu)件。夾層樓板大開洞造成樓板局部不連續(xù)，則改變了結(jié)構(gòu)水平力的傳遞途徑，從而影響到豎向構(gòu)件的內(nèi)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(gòu)件，此時(shí)剪力墻應(yīng)按壓彎構(gòu)件復(fù)核其中部分承受水平力作用的承載力。同時(shí)，由于樓板的不連續(xù)，不符合剛性樓板假定，樓板平面內(nèi)應(yīng)力分布可能不均勻，傳遞給豎向構(gòu)件的水平力也不均勻，故應(yīng)采用彈性樓板模型計(jì)算，真實(shí)地反映樓板實(shí)際剛度對(duì)水平力分配的影響。

4.2 扭轉(zhuǎn)不規(guī)則

考慮偶然偏心Y向地震作用下結(jié)構(gòu)最大扭轉(zhuǎn)位移比1.26>1.2，屬扭轉(zhuǎn)不規(guī)則[2]。

通過(guò)本文表1對(duì)比，結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)增加夾層未對(duì)結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響，而其對(duì)應(yīng)的位移角較小(1/7260)，說(shuō)明其實(shí)際位移量已經(jīng)很小。其次，該工程所在地抗震設(shè)防為6度，50年一遇基本風(fēng)壓為0.8 kN/m2，通過(guò)計(jì)算不難發(fā)現(xiàn)水平荷載以風(fēng)荷載為主，則結(jié)構(gòu)在地震作用下因扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生破壞的可能性不大。再者，由于原結(jié)構(gòu)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(duì)此未采取具體措施。

4.3 側(cè)向剛度不規(guī)則

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

對(duì)比圖3可發(fā)現(xiàn)，原結(jié)構(gòu)因各層層高差異較大，其偶數(shù)層側(cè)向剛度與其上一層側(cè)向剛度的比值小于70%或與其上三層平均側(cè)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(shù)層剛度變化也滿足規(guī)范要求。對(duì)此，也可理解為夾層是對(duì)原結(jié)構(gòu)軟弱層的加強(qiáng)，則增加夾層對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能的影響是有利的。

需要注意的是，該工程二層未設(shè)置夾層，一方面因其位于結(jié)構(gòu)底部加強(qiáng)部位，應(yīng)避免夾層施工對(duì)原結(jié)構(gòu)擾動(dòng)產(chǎn)生的影響；另一方面，因一層結(jié)構(gòu)層高為6.3m，若在二層設(shè)置夾層則將導(dǎo)致一層側(cè)向剛度與相鄰上一層的70%或相鄰3個(gè)樓層側(cè)向剛度的80%之比減小(原結(jié)構(gòu)該比值為：X向1.1531；Y向1.3849)，造成結(jié)構(gòu)薄弱部位轉(zhuǎn)移，甚至形成結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的嚴(yán)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(xiàng)不規(guī)則，但夾層過(guò)大的側(cè)向剛度必然導(dǎo)致薄弱層轉(zhuǎn)移，將對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能產(chǎn)生較大的不利影響。

綜上所述，增加夾層對(duì)原結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生顯著的不利影響，夾層對(duì)偶數(shù)層的剛度貢獻(xiàn)對(duì)原結(jié)構(gòu)有利，且由于原結(jié)構(gòu)主體已施工完畢，大面積的加固措施施工難度大、質(zhì)量不易保證，夾層施工對(duì)原結(jié)構(gòu)的不利影響亦不可忽視，因此改造設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少對(duì)原結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，在此基礎(chǔ)上加強(qiáng)夾層結(jié)構(gòu)構(gòu)件的構(gòu)造措施，以利于設(shè)計(jì)意圖的實(shí)現(xiàn)。

該工程按規(guī)定進(jìn)行了超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查，并通過(guò)審查。

5 主要構(gòu)件設(shè)計(jì)

夾層鋼梁均采用鉸接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。由于主體結(jié)構(gòu)為剪力墻結(jié)構(gòu)，夾層結(jié)構(gòu)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(yīng)避免其承受過(guò)大的平面外彎矩，鋼梁采用鉸接節(jié)點(diǎn)即僅傳遞樓面荷載產(chǎn)生的豎向荷載。當(dāng)鋼梁與墻平面內(nèi)相交時(shí)，因梁端位置通常是剪力墻的邊緣構(gòu)件，鋼筋較多且排布密集，若采用剛接節(jié)點(diǎn)，不但施工難度大，施工過(guò)程中對(duì)原結(jié)構(gòu)的破壞也相對(duì)更大。該工程節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)根據(jù)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的要求，采取措施保證節(jié)點(diǎn)的有效性，鋼梁與剪力墻平面內(nèi)連接時(shí)的節(jié)點(diǎn)做法如圖4所示。當(dāng)鋼梁與剪力墻平面外連接時(shí)，則將錨栓改為穿桿螺栓。

圖4 鋼梁與剪力墻鉸接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

夾層樓板因其平面大開洞使其成為結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的交界面的性能不易保證，因此加強(qiáng)夾層樓板的配筋是必要的。該工程綜合考慮上述因素并結(jié)合計(jì)算，夾層樓板鋼筋按雙層雙向Φ8@150通長(zhǎng)配置。此外，樓板作為組合梁的翼板，需考慮其與鋼梁的協(xié)同作用，鋼梁面沿全長(zhǎng)設(shè)置雙排栓釘。

原結(jié)構(gòu)中包含少量框架柱，如圖1所示，其偶數(shù)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(yīng)全高加密。該工程對(duì)偶數(shù)層框架柱采用環(huán)向圍束碳纖維布外加聚合物砂漿保護(hù)層的加固方法[4]。

最后，原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，由于已考慮了夾層荷載，其考慮范圍與改造設(shè)計(jì)的夾層范圍相同，各墻柱底豎向荷載分布及結(jié)構(gòu)重心未發(fā)生明顯變化。此外，由于采取措施減少了上部結(jié)構(gòu)總質(zhì)量，在地震作用及水平風(fēng)荷載作用下，各墻柱底彎矩及剪力未發(fā)生明顯變化。經(jīng)復(fù)核，原基礎(chǔ)設(shè)計(jì)可滿足要求。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上，該工程增加夾層采用鋼梁+鋼筋砼樓板的結(jié)構(gòu)方案，夾層按獨(dú)立的計(jì)算層建模參與整體計(jì)算，通過(guò)改造設(shè)計(jì)模型與原設(shè)計(jì)模型整體計(jì)算對(duì)比發(fā)現(xiàn)，增加夾層對(duì)原結(jié)構(gòu)的整體性能未產(chǎn)生顯著的不利影響。同時(shí)，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(yīng)采取相應(yīng)的加強(qiáng)加固措施。該工程原結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，平面規(guī)則，具有較好的結(jié)構(gòu)性能，故在改造設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量減少對(duì)原結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，并采取措施減少夾層施工對(duì)原結(jié)構(gòu)的不利影響。

[1] JGJ3-2010 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[2] GB50011-2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[3] GB50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

[4] GB50367-2013 混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)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