論建筑結構加層改造設計的可行性

【摘 要】本文對建筑結構加層改造設計為例，增加夾層的兩個加固方案的比較，結合原結構的實際情況，選取既為施工簡便易行，又能確保工程質量安全的施工設計方案，完成加層加固方案的可行性與安全性論證。以及進一步探討了植筋建筑產生的問題和在抗震中對建筑物的影響。

【關鍵詞】加層改造；建筑結構；加固方案；抗震性能

1、工程概況

本工程位于某經濟開發區，是一個地上17層，地下1層的高層商業小區，建筑高度差不多60米，一共有8棟高層建筑，其中7，8棟為11層，其余1，2，3，5，6，9都為17層，1期為1，2，3棟。2期為5，6，7，8，9棟與1層地下室，都為剪力墻結構，首層與2層為大型商場，本工程所在地區抗震設防烈度為6度.每棟建筑在三層位置都有部分的局部轉換。

2、新增加層結構設計及施工方案

本工程1棟在首層上3米處加建了一個面積大概為200平方的辦公室，5-9棟在首層往上2.7米處加建了一個夾層作商業用途，而且分布在不同的高度上，設計和施工均有一定的難度。

2.1 結構設計方案

增加夾層屬于結構改造工程，在結構設計中，不僅要求夾層結構于計算上安全，還要求結合原建筑物結構的特點，所提出的夾層錨固措施安全可靠，施工上簡易可行，且應盡量避免對建筑物原有梁、板、剪力墻等構件的破壞。本工程的關鍵在于新增夾層挑梁的設計，為此，根據工程實踐中遇到的困難，經探討，先后提出了兩個新增夾層挑梁與原建筑物錨固的方案。

（1）方案一：夾層挑梁主筋焊接錨固。在新加夾層挑梁軸線上的室內剪力墻上預埋鋼板，挑梁主筋穿過室外的剪力墻（梁）后，與預埋鋼板焊接錨固。該方案在第五層夾層施工時，發現如下問題：

①由于新加夾層的挑梁均設置在縱橫兩向剪力墻的交接處，該位置屬暗柱，鋼筋數量較多且密集，在附加架立筋和鋼筋植筋錨固時，發現成孔十分困難，且在成孔過程中對原結構擾動較大。

②安裝困難，表現在：第一，與鋼板焊接的夾層挑梁主筋在穿過外墻剪力墻時，為躲避原有剪力墻內的鋼筋，造成與附墻鋼板偏差較大，夾層主筋與鋼板的焊接十分困難，質量也無法保證。第二，內墻兩側的鋼板通過Φ22 短鋼筋對拉連接，該對拉短鋼筋在穿孔過程中，亦為了躲避剪力墻內的鋼筋，無法保證平直，造成鋼板開孔較大，短鋼筋與鋼板的塞焊質量也難以保證。第三，施工難度較大，進度十分緩慢。基于以上原因，方案一在1棟施工完畢后放棄，目前已投入使用，第5-9棟在首層往上2.7米處加建了一個夾層作商業用途開始按下述方案二進行施工。

（2）方案二：夾層鋼筋穿墻或錨固在新加附墻柱內。

方案二與方案一的實質區別在于取消了附墻鋼板，改以附墻鋼筋混凝土柱。這樣新加夾層挑梁主筋穿墻后直接彎入附墻柱內錨固，由于可錨固范圍擴大，給施工安裝帶來極大的方便，施工質量也得到了保證。

3、植筋建筑在高層抗震中對高層建筑的影響

根據《建筑結構可靠度設計統一標準》（GB50068-2001），本工程結構設計使用年限為50年；本工程建筑結構安全等級為二級，結構重要性系數γ0=1.0；根據《建筑抗震設防分類標準》（GB50223），本工程抗震設防類別為丙類；根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001），本工程所在地區抗震設防烈度為6度，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度值為0.10g。

地震力對結構的作用常顯反復交替的形式，一般認為，只要將滯回耗能控制在合理范圍內，便可保證結構具有足夠的抗震性能，防止結構出現過度損傷或性能退化。至今，植筋抗震性能主要通過對比構件在反復荷載作用下的滯回曲線飽滿程度、極限承載力、位移延性、剛度退化以及耗能性能等方面作出評價。

3.1 植筋深度不同的影響

用環氧砂漿作為植筋材料，錨固長度為15D，進行了低周反復加載試驗，植筋梁呈現脆性破壞，通過對鋼筋應變分析認為鋼筋已經達到了屈服強度，鋼筋拔出是環氧砂漿密實度的問題，若采取措施增強環氧砂漿施工的密實度，加強鋼筋錨固部分與混凝土的粘結，則環氧砂漿植筋錨固技術是可靠有效的，提出為確保植筋的質量、鋼筋的錨固長度可適當增加到20D。良好的延性，位移延性比都達到了4.0左右，植筋構件與整澆構件在延性方面沒有多大的差異，剛度退化曲線也與整澆相似，滯回曲線上升下降段都比較平緩。因此，有理由認為當達到某一植筋深度時，植筋構件的各方面性能均可達到整澆試件的水平，植筋節點完全可以取代整澆節點完成抗震設防的任務。

3.2 植筋膠種類的影響

采用環氧砂漿植筋15D，構件在周期反復荷載作用下，鋼筋達到屈服后，仍具有較好的變形能力，其延性雖然不如整澆構件，但在施工質量有保證的情況下，其位移延性比也達到了4.0以上。軸壓比為3.0，植筋錨固長度為15D的植筋混凝土柱在水平往復荷載作用下的極限承載力、延性和耗能能力與非植筋柱近似，表現出良好的延性和耗能能力，有的甚至優于非植筋柱；但是軸壓比為0.3，錨固長度10D的RES00結構膠植筋混凝土柱也具有良好的延性和耗能能力。

3.3 施工因素的影響

在實際施工中，清孔是否徹底、焊接鋼筋產生的高溫對植筋膠的性能也會產生影響。利用環氧砂漿作為粘結劑時，要采取措施增強環氧砂漿施工的密實度Ⅲ。焊接溫度和高溫（火災）對植筋效果的影響可以通過適當增加錨固長度加以保證，節點的耗能性能在溫度2000C以上時會有很大損失。焊接點在距膠體10D 的位置，所產生的高溫對JGN、HRB335植筋混凝土柱的抗震性能無較大影響。

3.4 抗震耗能能力的計算方法

目前延性的計算方法有多種，用于植筋抗震分析的主要是位移延性比、極限位移角和塑性變形系數三個指標。采用能量等值法，在試件的骨架曲線上確定屈服點，取水平荷載下降15時的位移為極限位移。

4、大跨度板植筋需要注意的問題

由于加層梁屬于新建結構，本次加層改造的難點在于和原結構相連的柱子的加同。難于主體結構框架柱抗震等級為一級，柱節點鋼筋非常密集，新加柱鋼筋植筋有很大難度。設計中應盡量考慮預留的截面一定的混凝土柱頭分批焊接柱頭鋼筋作為新加柱的縱向鋼筋，盡量減少植筋，減少對原結構造成不必要的損傷。

對于大跨度梁兩側的柱子，初步方案采用增大截面法進行加固設計，柱鋼筋采用植筋的方式，后經過施工隊反應植筋過多，很難施工。分析其原因主要是原結構屋頂的柱節點的鋼筋太密集造成的，在屋頂的柱節點處，原結構柱的鋼筋錨人梁中，而柱四周的梁筋也在此交叉。而上層大跨度梁支座柱的配筋由于大跨度梁的原因，柱配筋很大，需植筋的根數很多。

加層改造可以采取的方案多種多樣，設計人員需要掌握一些常用的方法，針對具體的工程進行比較分析，盡可能的考慮施工的可行性，減少對已建結構的損傷，保證原結構的正常工作。同時設計時需考慮加層部分對原結構的影響，進行整體驗算。

5、結語

（1）在高層建筑施工中，于不同高度處新增大量夾層的工程案例在國內較少報道，本工程為剪力墻結構的高層建筑新增夾層提供了一個案例，為以后的相關工程借鑒起到拋磚引玉的作用。

（2）改造工程施工需要充分考慮原結構的實際情況，理論聯系實際，將新加構建與原有構件有機結合起來，才能避免如本工程所制定的方案一施工難度大，質量無法保證的情況。

（3）本工程完工至今，新增加層無變形無裂縫，安全可靠。房屋加層改造涉及面廣，原建筑建造時間長、變化大、情況復雜，要做到適用、經濟、快捷難度很大，目前還沒有專門的加層設計法令性規定，因此設計前要廣泛收集資料，現場調查，認真分析資料，確定合理的結構方案。

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