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摘要：随着我国建筑的发展，为了讲究建筑的设计立体感，平面不规则高层建筑结构设计越来越普遍。文章以某多层结构平面凹凸不规则，设计建造标准较低，现拟对其进行钢结构增层及改扩建，并实现功能转换。按照现行抗震规范及检测鉴定规范规定提高结构的抗震设防类别，并对房屋进行抗震鉴定，发现该房屋在承载力和抗震措施方面均存在较大不足。介绍了钢结构增层改扩建设计中既有建筑的承载能力加强和抗震构造措施加强的设计，分析了增层改扩建后结构的整体抗震性能，并提出改扩建施工中注意事项。
关键词：既有建筑；改扩建；钢结构加层；加固设计；抗震分析
1 前言
城市迅速发展与建设用地紧张之间的矛盾日趋激烈，许多建于20世纪80年代的多层房屋已不能满足高层次的城市发展需求。鉴于这些建筑物目前还处于使用年限内，且大多位于市中心地段、交通便捷，因此对其进行增层改扩建，改善功能、延长使用寿命可以满足经济、社会可持续发展的需求。80年代建造的房屋，由于当时的经济、技术水平限制，按照现行规范标准衡量，均存在抗震性能不良的缺陷。当时建造的框架结构体系大多采用单向框架，连系梁拉结形成整体，其整体性能不好;有些建筑平面不规则，但并未采取对抗震有利的加强措施;预制装配式楼、屋盖对抗震也极为不利。这些既有建筑在改扩建设计中，首先要对既有结构进行抗震措施的补强和承载能力的加强。本文以某改扩建工程为例，在其抗震鉴定结论基础上，介绍了加固及改扩建方案，并对改扩建房屋进行抗震性能分析，为后期同类工程提供一定的建议。
2 工程概况
2.1 原工程概况
某既有建筑为一栋地上3层、地下1层的装配式混凝土框架结构，平面呈凹形，于20世纪80年代末期设计建成。原设计设有洗衣场、仓库、注浆中转站、鞋帽加工场、仓库、服装加工厂及辅助用房等。建成后作为上海市某居住区中的配套综合服务大楼使用，于2000年左右改作酒店使用，并设有厨房、餐厅大堂、大小包间等设施。该建筑地下1层按人防常五级设计建造。房屋地下室底板、顶板均采用现浇钢筋混凝土板，厚度分别为70，40cm，双层双向配筋。地下室外墙及内墙均为现浇钢筋混凝土墙，厚度分别为40，25cm。地上3层为现浇钢筋混凝土梁、柱;预应力混凝土空心板楼、屋面结构。柱网尺寸基本为6m×6m，层高均为4.5m，总高13.45m。局部楼梯间、电梯间采用100号实心红砖承重，50号混合砂浆砌筑。其他填充墙采用240mm厚黏土空心砖砌筑。房屋未设置沉降缝，按照当时设计规范采取了有限的抗震构造措施。使用过程中，除了建筑装修外，局部有几处结构改造。
2.2 改扩建工程概况
本次改造基于原有建筑的整体空间形态进行。利用原有结构进行合理的扩建改造，使其环境得以改善、结构安全满足现行标准，力图满足后续使用年限及业主的多方面要求。本次扩建范围主要有两部分，一是在现有3层混凝土框架结构基础上增加两层钢框架结构;二是在原结构凹进部分增加一部楼梯、两部电梯及个别功能房间。除保留地下室的人防功能和1层部分商铺功能外，将原有酒店楼层及新增加楼层参照《养老设施建筑设计标准》(GB50867—2013)布置为老年居住用房、公用服务用房、医疗用房、健身活动房等。
3 加固及改扩建设计
3.1 加固设计方案
据检测报告及新的使用功能要求，改扩建工程结构设计遵循“按照国家现行规范进行改扩建结构的抗震计算”原则，对改扩建工程进行整体计算。根据现行规范标准要求，增层荷载作用下既有建筑结构多数构件存在承载力和抗震延性等多方面的不足，加固时须采取针对措施。针对既有房屋平面不规则，选择1～3层局部增设钢支撑，而非施工工期长、自重大的混凝土抗震墙，以提高结构整体抗震性能。钢支撑设置在既有建筑的地上3层，地下1层对应钢支撑位置均为剪力墙。对原钢筋混凝土柱，考虑后续使用年限较长，采用外包型钢加固法加固。在混凝土柱四角外包通长角钢，角钢之间焊箍板形成封闭箍，加固钢构件与混凝土之间填灌注胶粘剂使之成为一体。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆通过混凝土和钢套箍共同受力:一方面满足增层扩建所需的承载力要求，另一方面改善原柱箍筋不足引起的抗侧构件延性不足的问题。对原钢筋混凝土结构梁，同样考虑后续使用年限后，采用外包型钢加固法加固，个别圈梁位置采用加大截面法加固，以提高框架梁的承载力，改善其传递地震力的能力，同时完备其双向框架体系。改扩建过程中对原有预应力混凝土楼板影响较大如开孔时，采用拆除后局部浇筑现浇楼板的方法进行加固处理。针对凹凸平面转角处的薄弱部位，设计时在各层凹进转角处一跨范围内将原有楼层预制楼板拆除，改为现浇钢筋混凝土楼板。对保留的预应力混凝土楼板采用板底跨中增设钢梁的方法进行加固，同时板面上整体铺设一层钢筋网片并浇50mm厚的细石混凝土。
3.2 改扩建设计
鉴于加层相当于直接在原房屋上增加荷载，但该既有房屋地基及软弱下卧层承载力有限，本次拟将原房屋的填充墙拆除，外墙统一采用自重较轻的混凝土空心砌块砌筑，内墙采用轻质隔墙。新增两层采用钢框架结构、钢筋桁架混凝土组合板。钢柱采用箱形截面柱，钢梁采用H型钢。层高4.0m，扩建后主要屋面高度为21.45m。新增钢柱与原混凝土结构连接，是增层改造的重难点部位，而单纯地植入钢筋或锚栓很难做到刚性连接。本项目平面不规则程度较大，若采用柱脚铰接，则很难满足整体变形在规范限值内。经过多方比较，本工程新增钢柱柱脚采用刚性连接。具体做法为:在原屋面层混凝土梁梁高范围内加腋，在加腋范围内配置钢筋并预埋部分柱脚螺栓，其余柱脚螺栓植入原混凝土柱内;柱脚在一定高度范围内设置栓钉;最后在加腋部位及钢柱柱脚浇筑混凝土，实现钢柱与原结构的刚性连接。
4 改扩建结构计算分析
4.1 计算参数及软件选用
本工程安全等级为二级，后续使用年限为50年。拟建场地抗震设防烈度为7度(0.10g)、Ⅳ类场地，设计地震分组为第一组，框架抗震等级为二级。地震力计算采用CQC法，考虑双向地震作用及偶然偏心计算。周期折减系数取1.0，阻尼比钢结构取0.04，混凝土取0.05，轴压比限值为0.75。本次分析采用SATWE(Ver2010)，YJK(Ver2012)进行反应谱及弹性时程分析。
4.2 反应谱、弹性、弹塑性动力时程分析
分析原地下1层、地上3层框架结构可知，结构第一周期即为扭转周期，梁计算配筋很大。显然既有建筑体系不合理，有待改善。本次改扩建设计首先在既有建筑的1～3层局部增设钢支撑以改善其扭转效应，并在凹进部位增加钢框架结构，改善其平面凹进带来的不利影响。改扩建后房屋SATWE软件的计算结果为:T1=0.893s(平动97%)，T2=0.862s(平动99%)，T3=0.670s(扭转94%)，扭转为主的第一周期与平动为主的第一周期比为0.75(阻尼比统一选0.04)。采用YKJ软件计算时，根据混凝土和钢材选择不同的阻尼比，计算结果与SATWE计算结果接近。可见增设钢支撑可以有效控制扭转效应，且本工程阻尼比对整体计算影响不大。
4.3 基础计算
通过对改扩建结构进行计算分析可知，本工程场地地基承载力及软弱下卧层承载力均满足设计要求。增加两层引起的上部结构质量约增加10%，而增层引起的地基净反力增量不是很大，但是沉降增量却较大。笔者认为可能是因为原结构地基反力大小决定了其地基变形计算深度小于增层结构地基变形计算深度，尤其是在沉降敏感的软弱土层中。可见在增层改造中，沉降变形增量需要高度重视。
5 结束语
在多遇地震和罕遇地震作用下，结构能满足弹塑性变形限制要求。钢框架加层与原混凝土结构相比，刚度有突变，在设计过程中应严格控制上下层刚度比，若刚度比不满足要求，可在钢框架层局部增设柱间支撑，否则需要考虑鞭梢效应，对钢结构加层按照塔楼地震力放大计算。
参考文献：
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[3]李伟.平面不规则高层建筑结构的设计研究[J].建筑·建材·装饰, 2015(4):84-84.
论文作者:刘建江
论文发表刊物:《防护工程》2017年第6期
论文发表时间:2017/7/14
标签：改扩建论文; 混凝土论文; 结构论文; 建筑论文; 不规则论文; 平面论文; 房屋论文; 《防护工程》2017年第6期论文;