探讨既有房屋建筑扩建结构设计的相关问题
时间：2022-08-21 03:53:10
摘要:本文根据作者多年建筑结构设计经验，并结合工程实例，介绍某钢筋混凝土框架房屋增层扩建结构设计，并对结构方案的确定、新老桩基的沉降差控制、老承台的验算与加固、钢结构与混凝土连接节点的构造处理、上部结构的加固等进行了分析和探讨。
1工程概况
在某老厂区的改建工程中，一幢4层成品仓库改扩建为6层商场。该建筑原为钢筋混凝土框架结构，原标准层结构平面见图1。改扩建设计将原建筑两端楼梯拆除，新建5.6 m开间的楼、电梯间;屋顶增加2层;在建筑中间楼板开洞增设自动扶梯，直通5层楼面。改扩建后的标准层结构平面见图2，典型剖面见图3。
原建筑采用400 mm×400 mm钢筋混凝土预制方桩基础，单桩承载力标准值650 kN，独立承台，承台之间设地梁拉结。原设计基础混凝土强度等级C25，上部结构混凝土强度等级C30。根据该建筑的“房屋质量检测报告”，基础混凝土实测强度等级C23，上部结构混凝土实测强度等级C25;混凝土中氯离子含量、碱含量和混凝土保护层厚度均满足规范要求;混凝土构件上无结构性裂缝，仅局部存在温度收缩裂缝;房屋的相对不均匀沉降和倾斜均较小，远小于规范允许值。
2结构方案的确定
为了尽量减少加层荷载，加层部分采用钢框架结构(框架柱为工字形柱，断面为350 mm×300 mm×10 mm×14 mm，柱脚刚接)，这一点与建筑师的想法不谋而合。建筑师要求加层和扩建部分采用钢结构、玻璃幕墙，与原有建筑的钢筋混凝土结构、砖围护墙形成强烈对比。因此，建筑两端扩建的楼、电梯间也应采用钢框架结构。为减少扭转效应，避免周期比、位移比不满足规范要求，应加大①轴和⑩轴的钢框架抗侧刚度，设置支撑是最佳方案，但建筑师认为影响美观，未被采用;最终选用了刚度较大的方管柱，方管柱尺寸为300 mm×300 mm，壁厚14 mm。
为完整保留原结构，建筑设计在原屋面之上做了一个高0.6 m的架空层来作为改扩建后的5层楼面，原屋面板保留作为4层顶棚。如果把架空层作为一个结构层，由于层高太小，该层的抗侧刚度很大，将造成结构竖向刚度突变，对结构不利，因此不能将架空层作为一个结构层。结构设计采取如下办法解决这个问题:将原混凝土框架柱延伸至架空层楼板面，延伸框架柱用做锚固加层钢柱;原屋面梁由于荷载增加较多，原配筋远不足，需采用加大截面法进行加固，直接将屋面梁加高至架空层楼板底，与架空层楼板整浇;这样架空层楼板成为改扩建后的5层楼板，只是改扩建后的5层楼面梁与两层楼板相连(类似于箱形楼板)，架空层则不需作为一个结构层，只要将4层层高增加0.60 m即可。
采用SATWE软件对结构进行整体分析计算，混凝土强度等级按C25考虑，钢结构部分的材质按Q235-B考虑。由于本建筑原有部分为钢筋混凝土结构，新扩建部分为钢结构，故首先要确定合适阻尼比。GB 50011―2001《建筑抗震设计规范》［1］规定，钢结构在多遇地震下的阻尼比，对不超过12层的结构可采用0.035; JGJ 3―2002《高层建筑混凝土结构技术规程》［2］规定，混合结构在多遇地震下的阻尼比可取为0.04;所以，结构计算时阻尼比取0.038。
SATWE分析结果如下:扭转为主的第一自振周期Tt=1.4939s，平动为主的第一自振周期T1=1.820 s，Tt/T1=0.82，小于0.90。在考虑偶然偏心影响的地震作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与楼层平均值之比的最大值为1.27，小于1.50。
地震作用下，X方向楼层最大弹性层间位移角为1/515(发生在5层，钢结构框架;1～4层钢筋混凝土框架楼层最大弹性层间位移角为1/1 101，发生在2层)，Y方向楼层最大弹性层间位移角为1/1 157(发生在5层);风载作用下，X方向楼层最大弹性层间位移角为1/1 151(发生在5层)，Y方向楼层最大弹性层间位移角为1/1 250(发生在6层)。正常使用条件下，钢筋混凝土框架楼层最大弹性层间位移角限值为1/550;纯钢结构框架在多遇地震作用下，楼层最大弹性层间位移角限值为1/300［3］，在风荷载作用下，楼层最大弹性层间位移角限值为1/400;楼层最大弹性层间位移角均满足要求。以上结果表明，结构方案是可行的。
3基础设计
本工程原采用的是钢筋混凝土预制方桩基础，是一种质量易于保证的桩基;根据房屋质量检测报告，原房屋的相对不均匀沉降和倾斜均较小，远小于规范允许值，因此原桩基可充分利用。原桩单桩承载力标准值(相当于特征值)650 kN，原试桩资料显示单桩承载力极限值大于1 300 kN，考虑原建筑已竣工十多年、沉降基本稳定、桩端土和桩间土长期固结作用，将原桩承载力提高10%，实际取单桩承载力特征值700 kN来进行桩基设计，经计算②轴至⑨轴柱下原桩数满足要求。新扩建的楼、电梯间柱下采用钻孔灌注桩，桩尖持力层与原桩相同，为⑤～①层粉质黏土层，该层土可塑，物理力学性质较好，中等压缩性。由于原建筑为仓库，楼面使用活荷载很大，现虽然增加2层，但对基础而言增加荷载并不多，故原桩基在加层后只会产生极少量沉降，因此必须控制新增桩基的沉降，避免新老桩基沉降差过大。设计中采取以下措施:计算单桩承载力时不计桩端土的作用，按纯摩擦桩考虑;但施工时仍要求严格清孔，控制孔底残渣厚度不大于5 cm。布桩时上部荷载全部由桩承担，并留适量余量。
由于设计规范变化、改扩建后原桩承受的净反力发生变化，故应对原承台按混凝土实测强度等级C23进行抗冲切、抗剪和抗弯验算。由于原承台底部受力钢筋已存在且难以改变，抗弯验算可通过验算承台厚度来进行，承台有效厚度为:
h0≥M/0.9•fy•As
式中:M为承矩设计值;fy为承台底部受力钢筋的设计强度;As为原承台底部受力钢筋的面积。
抗冲切、抗剪和抗弯验算分别求得的承台厚度的较大值即为承台要求的厚度，若原承台厚度不足，则应加高承台厚度(增大截面)满足。为保证新老混凝土整体共同工作，处理好新老混凝土交接面，提高交接面的受剪强度是关键。本工程采取了如下措施:老混凝土表面应凿毛，使之形成凹凸不小于6 mm的粗糙面;在老混凝土表面设置 12@200(纵横向)剪力销，植入老混凝土内120 mm，露出120 mm;新浇混凝土采用C30微膨胀细石混凝土，最小厚度150 mm;并按文献［4］的方法对新老混凝土交接面进行受剪承载力验算。
4连接节点的构造处理
由于计算时加层钢结构框架柱柱脚按刚接考虑，所以柱脚的连接构造应能保证柱脚形成刚接，保证钢柱底的弯矩、剪力和轴力能有效传递。本工程利用架空层混凝土框架柱延伸段，将钢柱脚埋于混凝土柱内，形成类似外包式刚接柱脚;由于建筑允许边钢柱外边与其混凝土柱外边留120 mm距离，使得所有钢柱脚都能采用前述方法连接，柱脚构造见图4。M24的地脚螺栓采用化学锚栓锚入原框架柱内，钢柱底板用结构胶与原框架柱顶粘牢;在钢柱埋于混凝土柱的范围内，沿钢柱截面周边加焊一些 16抗剪栓钉，以增加钢柱在混凝土中的锚固力。
房屋两端新扩建的楼、电梯间钢梁与原混凝土梁、柱采用铰接连接。这是考虑到:虽然采取了措施来控制新、老桩基的沉降差异，但仍可能会产生一定的沉降差;采用铰接连接就是为了减小新、老桩基可能产生的沉降差异而导致的节点内力。钢梁与混凝土柱的连接见图5，钢梁与混凝土梁的连接见图6。先将钢板通过化学锚栓或对拉螺栓固定于混凝土柱、梁侧面，钢梁就位后，按正确位置将连接钢板焊在已固定的钢板上，再用高强螺栓将连接钢板与钢梁腹板(开水平长圆孔)相连。以上连接方法施工简便，易于操作。
5上部结构的加固
由于加层、原混凝土实测强度等级为C25未达到原设计强度等级C30的要求，经过整体分析计算，原框架柱配筋均不足，采用增大截面法进行加固，柱加固大样见图7。将新老混凝土结合面粉刷层铲除干净并凿毛，使之形成凹凸不小于6 mm的粗糙面;在每个结合面植入2 12钢筋，一端与新增钢筋钩住，沿柱高间距与箍筋相同，此钢筋起拉筋兼剪力销作用;对于边柱，先将原柱箍筋凿出10 d(箍筋直径)，再将新增箍筋焊于原箍筋上，焊缝长度10 d(箍筋直径);新增混凝土采用C30无收缩灌浆料，新增厚度至少75 mm，振捣密实，加强养护。按照GB 50367―2006《混凝土结构加固设计规范》［5］，新旧混凝土组合截面的混凝土轴心抗压强度设计值fcc=12.38 Mpa2相当于C26。
2～4层楼面梁大多数梁原配筋已满足，仅局部几根稍有不足，采用粘贴碳纤维布进行加固。粘贴碳纤维布加固法的优点是施工方便，几乎不增加结构荷载;缺点是只能用于构件承载力相差不多时的补强，加固设计规范GB 50367―2006规定，加固后其正截面受弯承载力的提高幅度，不应超过40%。粘贴碳纤维布的结构面应打磨平整，直至露出混凝土坚固面;粘贴要均匀牢固，总有效粘贴面积不应低于95%，避免气泡的存在。粘贴碳纤维布加固法的计算和构造措施则按照加固设计规范GB 50367―2006［5］要求进行。
由于在建筑中间楼板开洞增设自动扶梯，使得部分中跨框架梁成为两段悬挑梁，经计算利用原框架梁的负筋作为悬挑梁的负筋已足够。为避免原框架梁被损坏，要求采用专用切割工具对混凝土进行切割。为保证悬挑梁负筋在梁端的锚固，原框架梁切割好后，将挑梁负筋与钢板焊牢。
原屋面框架梁由于荷载增加较多，原配筋远不足，需采用加大截面法进行加固，向上加高450 mm，经计算原框架梁底筋已满足，新增负筋，加固大样见图8。新增箍筋植入原梁内至少10 d(箍筋直径)，新增混凝土采用C30微膨胀细石混凝土。为保证新老混凝土整体共同工作，将原框架梁顶面粉刷层完全凿除至结构面并凿毛，使之形成凹凸不小于6 mm的粗糙面，在结合面植入2 14@200钢筋(外露140 mm)作为剪力销。
6 结论
1)增层改扩建设计应建整体模型进行空间分析，并要控制周期比、位移比和层间弹性位移角，使之满足规范要求。
2)对新建部分与老建筑结构连为一体的扩建项目，应采取措施减小新建部分的沉降，控制新老建筑的沉降差。
3)对增层老建筑，应验算原桩数和承台承载力，单桩承载力可适当提高;承台承载力若不足，可通过加厚承台来加固。
4)应采用合理的节点构造保证增层钢柱柱脚形成固结，并保证柱脚的弯矩、剪力和轴力的传递。扩建部分钢梁与混凝土构件宜采用铰接连接。
5)对于不同的结构构件，应根据具体情况采取合理的加固方法，同一工程可采用多种加固方法;构造处理应能保证加固前后的部分可共同工作。
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