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1、某高层建筑增加夹层改造结构设计 韦东城 福建晟业建筑设计有限公司 摘 要： 某高层建筑原为 SOHO, 其结构形式为剪力墙结构, 需在其上部结构部分楼层增加夹层改造为住宅。通过对比改造设计模型与原结构设计模型的计算结果, 分析增加夹层对原结构的影响。同时, 简要介绍该工程改造设计中应注意的问题及采取的措施。关键词： 结构改造; 夹层; 超限高层; 作者简介：韦东城 (1987.8-) , 男, 工程师。E-mail:收稿日期：2017-10-15Structural modification design of a high-rise building adding mezzanineWEI
2、Dongcheng Fujian ShengYe Architectural Design Co., Ltd.; Abstract： 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 mezz
3、anine 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.Keyword： Structural modification; Mezzanine; Tall building beyond code limits; Received： 2017-10-151 工程概况某高层建筑原设计为地下一层为停车库, 地上为 21层 S
4、OHO, 建筑总高度为84.600m。地下室结构层高为 4.05m, 地上一层结构层高为 6.3m, 二层及以上各偶数层层高均为 4.95m, 三层及以上各奇数层层高均为 3.0m, 上部主体结构为剪力墙结构, 上部结构嵌固部位为地下室顶板。应业主需求并经规划部门审批, 原结构四层及以上偶数层增加夹层改造为住宅, 夹层标高为偶数层标高+2.350m。标准层平面简图如图 1所示, 夹层平面简图如图 2所示。该工程结构设计使用年限 50年, 建筑结构安全等级为二级, 所在地区的抗震设防烈度为 6度, 设计基本地震加速度为 0.05g, 设计地震分组为第一组, 场地类别为类2。50 年一遇的基本风压
5、为 0.8k N/m, 地面粗糙度为 B类, 承载力设计时基本风压按 50年一遇基本风压的 1.1倍采用1。基础采用冲孔灌注桩基础, 建筑桩基设计等级为甲级。图 1 标准层平面简图 下载原图图 2 夹层平面简图 下载原图2 结构方案比选该工程改造设计时原结构已封顶完工, 原设计因考虑建筑作为 SOHO使用的功能要求, 仅考虑了夹层的恒、活荷载, 而未预留夹层梁板的钢筋接头, 增加夹层的施工将对原结构产生一定影响4, 以此为出发点, 改造设计时夹层考虑了以下两种结构方案。(1) 夹层梁板均采用现浇钢筋混凝土。其优点在于施工技术成熟, 防火性能好, 耐久性好, 造价低等。同时其缺点也较明显, 由于
6、夹层层高限制了梁高, 而较小的梁高其配筋量较大, 当梁与剪力墙边缘构件连接时, 边缘构件较密集的钢筋给植筋施工带来困难, 施工质量不易保证, 且施工时对原结构的不利影响也不容忽视。(2) 夹层梁采用钢梁, 楼板采用钢筋混凝土楼板。其优点则主要表现在对原结构的影响较小, 且钢梁自重小, 对结构有利, 当钢梁采用铰接节点时, 节点构造简单且传力明确3。而楼板采用钢筋混凝土不但便于水电管线敷设, 也弥补了钢结构在使用过程中噪音大的缺点。但钢结构防火性能差, 长期处于潮湿环境 (如厨房、卫生间等) 中易腐蚀的缺点应予以足够重视, 应在设计中采取防护措施。经以上对比分析, 综合考虑施工难度及建筑使用功能
7、要求, 改造设计采用钢梁+钢筋砼楼板的方案, 钢梁与原结构连接均采用铰接节点, 同时考虑钢筋砼楼板作为钢梁的翼板按组合梁设计3。3 整体计算分析由于工程原设计中已考虑工程改造的可能性, 因增加夹层而增加的恒、活荷载均在原设计时充分考虑。故本次改造设计需将原计算中叠加于偶数层的楼面荷载及墙体重量拆分至夹层, 并将夹层作为独立的计算层参与整体计算。通过改造设计与原设计计算结果的对比, 分析增加夹层对原结构的影响, 并复核原设计, 对配筋不足之处采取相应的加固措施。需要注意的是, 由于原结构已施工完毕, 其结构刚度的形成要先于增加夹层的刚度, 故在计算分析时应按实际情况指定施工次序, 以避免因施工次
8、序与实际不符而引起的计算误差。结构整体计算分析主要结果如表 1所示, 楼层侧向刚度对比示意图如图 3所示。通过对比发现, 增加夹层对原结构产生的影响并不大, 甚至部分位移指标略有改善。其原因:一方面是原设计已充分考虑了建筑作为 SOHO使用时可能增加的改造荷载, 而实际改造设计时夹层采用钢梁及户内隔墙均要求采用轻质材料等措施使上部结构总质量较原设计有所减小;另一方面, 增加夹层对结构的竖向不规则起到一定的有利作用。此外, 结构增加夹层, 则其上部结构刚度增大, 引起结构自振周期减小, 若上部结构总质量不变, 在地震作用下的楼层剪力将随之增大2, 此时应注意复核楼层剪力增大对结构的影响。但由于该
9、工程已采取措施减小上部结构总质量, 经计算, 各楼层地震剪力较原结构均有所减小, 原设计可满足要求。表 1 主要计算结果 下载原表 图 3 楼层侧向刚度对比示意图 下载原图4 超限情况分析根据住房和城乡建设部超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点 (建质201567 号) , 该工程包含楼板局部不连续、扭转不规则及侧向刚度不规则这三项不规则, 以下就此三项不规则作简要分析。4.1 楼板局部不连续偶数层增加夹层, 其楼板开洞面积大于楼面面积 30%, 属楼板局部不连续2, 如图 2所示。结构中的楼板, 不但是承受和传递竖向荷载的构件, 也是结构地震作用和风荷载作用下传递和分配水平力的构件。夹层
10、楼板大开洞造成楼板局部不连续, 则改变了结构水平力的传递途径, 从而影响到竖向构件的内力分布。楼层的水平剪力可能集中分布于与楼板相连竖向构件, 此时剪力墙应按压弯构件复核其中部分承受水平力作用的承载力。同时, 由于楼板的不连续, 不符合刚性楼板假定, 楼板平面内应力分布可能不均匀, 传递给竖向构件的水平力也不均匀, 故应采用弹性楼板模型计算, 真实地反映楼板实际刚度对水平力分配的影响。4.2 扭转不规则考虑偶然偏心 Y向地震作用下结构最大扭转位移比 1.261.2, 属扭转不规则2。通过本文表 1对比, 结构扭转位移比未发生显著变化, 其最大值所在楼层也相同, 表明结构增加夹层未对结构的扭转产
11、生实质性影响, 而其对应的位移角较小 (1/7260) , 说明其实际位移量已经很小。其次, 该工程所在地抗震设防为6度, 50 年一遇基本风压为 0.8 k N/m, 通过计算不难发现水平荷载以风荷载为主, 则结构在地震作用下因扭转而产生破坏的可能性不大。再者, 由于原结构主体已竣工, 难以采取有效措施改善其抗扭性能。综上所述, 该工程对此未采取具体措施。4.3 侧向刚度不规则该工程计算层二层、三层 (即建筑一层、二层) 侧向刚度小于相邻上一层的 70%或小于相邻 3个楼层侧向刚度平均值的 80%, 属侧向刚度不规则2。对比图 3可发现, 原结构因各层层高差异较大, 其偶数层侧向刚度与其上一
12、层侧向刚度的比值小于 70%或与其上三层平均侧向刚度的比值小于 80%, 形成刚度软弱层, 增加夹层后, 上部各层刚度变化趋于均匀, 偶数层刚度变化也满足规范要求。对此, 也可理解为夹层是对原结构软弱层的加强, 则增加夹层对结构整体性能的影响是有利的。需要注意的是, 该工程二层未设置夹层, 一方面因其位于结构底部加强部位, 应避免夹层施工对原结构扰动产生的影响;另一方面, 因一层结构层高为 6.3m, 若在二层设置夹层则将导致一层侧向刚度与相邻上一层的 70%或相邻 3个楼层侧向刚度的 80%之比减小 (原结构该比值为:X 向 1.1531;Y向 1.3849) , 造成结构薄弱部位转移, 甚
13、至形成结构侧向刚度的严重不规则。此外, 若将该工程夹层整层布置楼板, 虽然可以避免楼板局部不连续一项不规则, 但夹层过大的侧向刚度必然导致薄弱层转移, 将对结构整体性能产生较大的不利影响。综上所述, 增加夹层对原结构不会产生显著的不利影响, 夹层对偶数层的刚度贡献对原结构有利, 且由于原结构主体已施工完毕, 大面积的加固措施施工难度大、质量不易保证, 夹层施工对原结构的不利影响亦不可忽视, 因此改造设计应尽量减少对原结构的扰动, 在此基础上加强夹层结构构件的构造措施, 以利于设计意图的实现。该工程按规定进行了超限高层建筑工程抗震设防专项审查, 并通过审查。5 主要构件设计夹层钢梁均采用铰接节点
14、构造。由于主体结构为剪力墙结构, 夹层结构中存在较多梁与剪力墙平面外相交的情况, 而剪力墙平面外的抗弯刚度较小, 应避免其承受过大的平面外弯矩, 钢梁采用铰接节点即仅传递楼面荷载产生的竖向荷载。当钢梁与墙平面内相交时, 因梁端位置通常是剪力墙的边缘构件, 钢筋较多且排布密集, 若采用刚接节点, 不但施工难度大, 施工过程中对原结构的破坏也相对更大。该工程节点设计根据强节点的要求, 采取措施保证节点的有效性, 钢梁与剪力墙平面内连接时的节点做法如图 4所示。当钢梁与剪力墙平面外连接时, 则将锚栓改为穿杆螺栓。图 4 钢梁与剪力墙铰接节点构造 下载原图夹层楼板因其平面大开洞使其成为结构中的薄弱部位
15、, 而该工程中大量的夹层楼板与剪力墙连接部位均需采用植筋锚固, 楼板混凝土与原结构的交界面的性能不易保证, 因此加强夹层楼板的配筋是必要的。该工程综合考虑上述因素并结合计算, 夹层楼板钢筋按双层双向 8150 通长配置。此外, 楼板作为组合梁的翼板, 需考虑其与钢梁的协同作用, 钢梁面沿全长设置双排栓钉。原结构中包含少量框架柱, 如图 1所示, 其偶数层框架柱在增加夹层后, 柱净高与柱截面高度之比小于 4, 形成短柱, 按规范要求其柱箍筋应全高加密。该工程对偶数层框架柱采用环向围束碳纤维布外加聚合物砂浆保护层的加固方法4。最后, 原结构基础设计时, 由于已考虑了夹层荷载, 其考虑范围与改造设计
16、的夹层范围相同, 各墙柱底竖向荷载分布及结构重心未发生明显变化。此外, 由于采取措施减少了上部结构总质量, 在地震作用及水平风荷载作用下, 各墙柱底弯矩及剪力未发生明显变化。经复核, 原基础设计可满足要求。6 结语综上, 该工程增加夹层采用钢梁+钢筋砼楼板的结构方案, 夹层按独立的计算层建模参与整体计算, 通过改造设计模型与原设计模型整体计算对比发现, 增加夹层对原结构的整体性能未产生显著的不利影响。同时, 由于夹层本身楼板局部不连续的属性及其造成水平传力途径改变而引起的薄弱部位, 应采取相应的加强加固措施。该工程原结构形式简单, 平面规则, 具有较好的结构性能, 故在改造设计时, 应尽量减少对原结构的扰动, 并采取措施减少夹层施工对原结构的不利影响。参考文献1JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程S.北京:中国建筑工业出版社, 2010. 2GB50011-2010建筑抗震设计规范S.北京:中国建筑工
