改变结构体系在加层改造工程中的应用

摘要4层框架结构在改造中增加3层变为高层建筑，结构位移不能满足要求。通过改变结构体系，在适当部位增设剪力墙，可减少原有框架梁、柱的加固量，达到提高其综合抗震能力的目的。同时将一期、二期合并成一个结构单元，取消伸缩缝，使结构布置简单，便于剪力墙均匀布置。

关键词框架结构 抗震加固 剪力墙

中图分类号：TU323.5文献标识码： A 文章编号：

一、工程概况

北京顺义西单商场是一幢四层的钢筋混凝土框架结构房屋，一层至三层的层高均为5.1m，四层层高4.5m，建筑总高为19.80m。原建筑分为两期建设，中间设置伸缩缝分开。基础形式为独立基础。商场平面示意图见图1。

图1 商场平面示意图

根据甲方要求对原有建筑进行加层改造，加建五、六层为商场，七层为办公，取消原有建筑的中庭。原有建筑进行加层改造后，五、六层层高3.90m，七层层高3.60m，建筑总高为31.20m。

为保证该建筑改建计划顺利实施，需对该建筑进行抗震鉴定和结构安全性分析，并提供合理可行的改造方案。

二、设计条件

2.1基本条件

本工程位于北京市顺义区，抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组为第一组，建筑抗震设防类别为丙类。结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级；地基基础设计等级为丙级。建筑场地类别为III类。地面粗糙度：B类，基本风压：Wo=0.45kN/m2。基本雪压：So=0.40kN/m2。楼面活荷载按现行《建筑结构荷载规范》取值。

2.2地质概况

场地土层：1层填土层(厚度1.3-2.0米)、2层粉质粘土(厚度1.6-2.5米)、3层砂质粉土、4层粘质粉土、5层粉质粘土。原建筑采用独立基础，持力层2层粉质粘土层，地基承载力为130kPa，基础埋深约3.4m。

2.3原有建筑主要材料

混凝土强度等级：

基础：C30

现浇钢筋混凝土柱、板、梁：C30

钢材强度等级：

钢筋：HPB235级钢筋；HRB335级钢筋；

三、结构加固方案的选择、设计

原框架结构从4层加到7层后一期、二期位移均不能满足要求，最大层间位移角为1 /424，大于规范框架结构限值1 /550，且大部分梁、柱配筋比实配钢筋大出较多。单纯加固梁柱，加固的工作量很大，工程造价很高并不经济。故加固方案考虑增设剪力墙。考虑到剪力墙需均匀布置，且不影响商业布局，结合楼梯间设置，故将一二期合为一整体进行设计。取消结构缝，将结构缝两侧梁柱分别连成一体。一至七层增加部分剪力墙；新增楼层采用钢框架结构体系。新增楼板采用天基板。加固后结构为框架剪力墙结构体系，抗震等级框架部分为二级，剪力墙部分为一级。部分梁柱不满足要求的，采取植筋法和增大截面法加固。根据地质情况，本工程柱子仍然采用原来的独立基础；新增剪力墙采用筏板基础。本文只对剪力墙在加固过程中的问题进行阐述。

利用新增的剪力墙承担上部垂直荷载和主要的地震力，减小结构的变形，降低框架柱的配筋构造要求，从而使加固工作量大大减少。采用增设剪力墙加固时，需处理好新增墙体与原有结构构件的连接。既要保证连接的可靠性，又要避免对原结构构件造成过多的损伤。新增剪力墙部位平面示意图见图2。

图2 新增剪力墙部位平面示意图

四、节点处理方法

4.1新增剪力墙与原框架梁、楼板的连接

为了使新增剪力墙充分发挥传递上部垂直荷载的作用，应使剪力墙与原框架梁中心线重合。当上部与下部梁中心线不在同一个铅垂面上时，为使新增墙应与下部梁中心线重合，新增墙纵筋从梁两侧走，并与梁箍筋焊接，然后浇筑在一起。剪力墙与原框架梁、楼板的连接见图3。

抗震墙竖向分布筋穿越原框架梁时，其中一排筋从梁边穿楼板直接伸入上一楼层，另一排竖向筋则在原框架梁位置按等强度原则等代，以减少穿筋数量，从而减少对原框架梁的损伤。与原框架梁连接为一体，既加强了新增抗震墙的稳定性，又保证抗震墙的上下连续性。

从理论上讲，墙体四周的边框梁、柱是墙体的一部分，上部荷载是通过墙体向下传递的。但实际情况是，梁、柱已经存在，墙体是后增加的。按照变形协调一致的条件，必须让框架梁和柱卸荷，使其消除一部分应变，待墙体施工完之后，再加荷，使其变形与新增的墙体变形相一致，同时也使墙体的强度能得到充分发挥。

图3 新增剪力墙与原框架梁、楼板连接示意图

4.2结构缝两侧梁柱的连接

考虑到剪力墙需均匀布置，且不影响商业布局，故将商场一二期合为一个整体进行设计。取消结构缝，将结构缝两侧梁柱分别连成一体。抗震缝两侧梁、柱加固连接示意图见图4、图5。

图4 抗震缝两侧梁加固连接示意图

图5 抗震缝两侧柱加固连接示意图

五、结构安全性计算分析

采用中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部的PKPM系列软件对商场进行结构验算。得知该加固后商场结构构件的承载力和变形均能满足现行规范的要求。该商场抗震构造措施也满足规范要求。房屋结构部分计算结果见表1。

表1 房屋结构部分计算结果

加墙前结构为框架结构，框架抗震等级一级。加墙后结构变为钢筋混凝土框架剪力墙结构，其中框架抗震等级为二级，剪力墙一级。加固前的周期为1.2449s，结构比较柔，加墙前的周期为0.7010s。加墙前结构的部分楼层弹性层间位移角大于1 /550，最大值为1 /424，加墙后结构最大楼层弹性层间位移角为1/1570，未超过规范限值1/800。从上可以看出，增加剪力墙的抗震加固效果比较理想。

六、 结语

通过对原有框架结构增加钢筋混凝土剪力墙及取消结构缝的加固设计与施工，可以得出以下几点结论及注意事项。

（1）在原建筑为框架结构体系，如果加固方式选择不当，可能导致加固的工作量很大、工程造价很高时。增加部分剪力墙，改变结构原有体系的方法来达到抗震加固目的，是一个比较具有经济性的选择。

（2）利用具有较大刚度且贯通结构全高的墙体等整体型关键构件控制结构变形模式进行整体加固，对构件可采用植筋法和增大截面法等。

（3）结构体系改变之后，结构构件之间的传力路径、作用方向和荷载大小也随之发生了变化，需要考虑新增构件和已有构件的协同工作。新增墙体必须考虑水平施工缝处的抗滑移能力。合理处理好新增墙体与已有构件的连接，适当的增加墙体数量是本工程的关键。