某辦公樓增層及局部變更對主體結構安全性影響分析

王 博

（隴東學院 土木工程學院，甘肅 慶陽 745000）

0 引言

建筑物在建設過程中，因建設方要求或建筑功能的改變，往往需對結構在施工過程中進行局部變更或者主體結構完工后進行增層及局部改造。在原設計基礎上進行變更或改造是否會對原主體結構安全性造成影響以及改造后的結構是否能滿足承載力要求，須對原主體結構進行全面的檢測并進行改造前后結構承載力計算和對比分析。本文以某一鋼筋混凝土框架-剪力墻結構增層及局部變更為工程實例，首先進行原有結構的檢測，再分別建立改造及變更前后整體結構計算模型，通過對比構件承載力及各項結構整體參數，分析了增層及局部變更對主體結構安全性的影響。

1 工程概況

該辦公樓采用全現澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結構形式，地上 9 層。平面布置呈“一”字形，長 19.8 m，寬 16.0 m，總建筑面積為 3 274 m2。1～9 層均為開敞式辦公室。1 層層高 4.3 m，2～3 層層高均為 3.6 m，4～9 層層高均為 3.3 m，室內外高差 0.45 m，結構主體高度為 31.65 m。結構平面布置示意如圖 1 所示。該辦公樓所在地區抗震設防烈度為 7 度，設計基本地震加速度值為 0.15 g，設計地震分組為第三組，場地類別為 Ⅱ 類，特征周期為 0.45 s；抗震設防分類為標準設防（丙）類。結構安全等級為二級，設計使用年限為 50 年，框架抗震等級為三級，剪力墻抗震等級為二級。結構嵌固端取基礎頂面，剪力墻底部加強區范圍：基礎頂至 2 層頂（基礎頂至標高 7.800 m）；約束邊緣構件范圍：基礎頂至 3 層頂（基礎頂至標高 11.400 m）。基礎采用人工成孔灌注樁，樁端持力層為礫砂層，建筑樁基設計等級為乙級。混凝土設計強度等級：樁基礎采用 C30，承臺及基礎梁采用 C35；1 層～9 層框架柱、剪力墻、現澆梁及現澆板均采用 C35。鋼筋等級：框架柱主筋、現澆梁縱筋、現澆板受力鋼筋、剪力墻分布筋以及箍筋均采用 HRB400 級。鋼筋混凝土保護層厚度為：一類環境現澆板和混凝土墻 15 mm，框架柱和現澆梁 20 mm。填充墻采用燒結黏土空心砌塊和 M5 混合砂漿砌筑。

圖1 原結構平面布置示意圖（單位：mm）

2 現場檢測

2.1 結構布置核查

根據 GB/T 50784－2013《混凝土結構現場檢測技術標準》［1］的規定，現場對該辦公樓實際結構布置情況進行核查。核查結果表明，施工過程中該辦公樓 1～9 層1/3×C～D 軸線剪力墻取消，變更為框架梁，截面及配筋同相鄰框架梁，出屋面屋架及花架取消，主體結構完工后在頂層新增一層輕鋼框架結構，功能為會議室，屋面為不上人屋面，層高 3.6 m，鋼框架柱及梁均采用焊接 H 型鋼，Q345 級，屋面板采用樓承板，鋼框架柱軸線位置與下部混凝土結構豎向構件（框架柱及剪力墻）一一對應，框架柱與框架梁均采用剛接，次梁與主梁節點采用鉸接，如圖 2～4 所示。

圖2 剪力墻變更后結構平面布置示意圖（單位：mm）

圖3 新增鋼結構平面布置示意圖（單位：mm）

圖4 增層及局部變更后模型

2.2 地基基礎

根據 GB/T 50784－2013《混凝土結構現場檢測技術標準》的規定，首先查閱該辦公樓地基基礎相關工程資料。結果表明，該辦公樓樁基礎端部施工至持力層，單樁承載力滿足設計要求，樁身完整。然后現場采用水準儀對該辦公樓相鄰柱基間相對沉降量進行檢測，并對上部結構構件進行檢查。檢測結果表明，該辦公樓相鄰柱基相對沉降量滿足 GB 50007－2011《建筑地基基礎設計規范》［2］規定的限值要求，且上部結構構件未發現因地基變形引起的反應。

2.3 上部結構檢測

經現場檢測，該辦公樓結構構件混凝土強度、鋼筋配置、截面尺寸均滿足設計圖紙要求，構件變形滿足規范要求，未發現混凝土構件存在外觀缺陷，上部結構工程質量滿足 GB 50204－2015《混凝土結構工程施工質量驗收規范》［3］的相關規定。

3 結構改造對安全性影響分析

3.1 上部承重結構影響分析

依據圖紙及實際增層和局部變更情況，結合現場檢測結果，本文采用盈建科軟件分別創建改造前后的上部承重結構整體計算模型，并進行復核計算，對比分析兩個模型的計算結果。荷載、結構構件截面尺寸及材料強度值均按原設計取值，其中改造后模型中 9 層樓板活荷載按 GB 50009－2012《建筑結構荷載規范》［4］會議室活荷載 2.0 kN/m2選取，新增鋼結構屋面活荷載取不上人屋面荷載 0.5 kN/m2。結構阻尼比按照材料區分，混凝土為 0.05，鋼結構為 0.04。

3.1.1 整體計算控制參數對比及影響分析

3.1.1.1 部分參數計算結果

1）振動周期。本文基于盈建科軟件對改造前后兩個模型分別進行了模態分析，在考慮強制剛性樓板假定下，得到各振型振動周期、X+Y 方向的平動系數、扭轉系數，如表 1～2 所示。

2）層間位移角。根據 JGJ 3－2010《高層建筑混凝土結構技術規程》［5］第 3.7.3 條的規定，在考慮強制剛性樓板假定，不考慮偶然偏心的影響下，得到改造前后兩個模型的 X 向和 Y 向樓層最大層間位移角，如圖5～6 所示。

表1 考慮扭轉耦聯時的振動周期（秒）、X+Y 方向的平動系數、扭轉系數（改造前模型）

表2 考慮扭轉耦聯時的振動周期（秒）、X，Y 方向的平動系數、扭轉系數（改造后模型）

圖5 改造前模型樓層層間位移

3）剪重比。考慮地震作用下改造前后兩個模型各樓層 X 向和 Y 向樓層剪重比如表 3～4 所示。

3.1.1.2 對比分析

通過對比該辦公樓增層及局部變更前后整體結構計算控制參數，分析結構改造對各項控制參數的影響程度。具體對比情況如表 5 所示。

圖6 改造后模型樓層層間位移角

表3 各層 X、Y 方向的作用力（改造前）

由計算結果對比可知，該辦公樓增層及局部變更對整體結構各項計算控制參數存在一定程度影響，但各項參數仍符合規范限值規定。經計算，新增鋼結構樓層 X 向最大層間位移角為 1/412，Y 向最大層間位移角為1/668，X 向最大層間位移角不滿足 GB 50011－2010《建筑抗震設計規范》（2016 年版）［6］的規定，建議在 X 向框架柱間增設支撐，提高自身剛度，進一步改善增層引起的剛度突變。

3.1.2 結構構件承載力對比及影響分析

通過對比改造前后上部結構混凝土構件計算配筋量，分析結構改造對結構構件承載力的影響程度。根據計算結果，上部結構增層及局部變更后結構混凝土構件計算鋼筋量有所增大，但混凝土構件實配鋼筋量仍滿足計算要求，即結構改造后未造成結構構件承載力不足。

表4 各層 X、Y 方向的作用力（改造后）

表5 上部承重結構整體計算控制參數對比結果

3.1.3 抗震構造措施對比及影響分析

根據 JGJ 3－2010《高層建筑混凝土結構技術規程》，對改造前后的抗震構造措施進行對比。增層后，該辦公樓主體結構高度增加為 35.25 m，＜60 m。因此，改造后框架及剪力墻抗震構造措施的抗震等級未發生變化。以底層框架柱及剪力墻墻肢軸壓比為例，如圖 7～8 所示。框架柱最大軸壓比由 0.60 增加為 0.66，墻肢最大軸壓比由 0.20 增加為 0.21，但仍滿足規范要求。對比結果表明，結構改造對抗震構造措施造成一定影響。

3.2 地基基礎影響分析

經基礎承載力復核，該辦公樓增層及局部變更后，樁基承載力仍滿足設計要求。根據樁基承載力計算結果，結合樁基礎相關工程資料以及現場檢測結果，上部結構增層及變更未對樁基礎造成影響，樁基礎仍能滿足承載力要求。

圖7 改造前模型底層豎向構件軸壓比

4 結語

圖8 改造后底層豎向構件軸壓比

根據現場檢測及復核計算結果的對比，該辦公樓增層及局部變更后對地基基礎未造成影響，對上部整體結構各項控制參數造成一定影響，對結構構件承載力造成微弱影響，對結構抗震構造措施造成一定影響，但各項指標仍能滿足規范相關規定。經綜合分析，該辦公樓增層及局部變更后不影響混凝土結構的安全性。

建議對該辦公樓新增鋼結構縱向框架柱間增設鋼支撐，從而增強屋頂新增輕鋼結構自身的剛度，進一步改善增層引起的剛度突變，確保該辦公樓整體結構安全性。