某办公楼增层及局部变更对主体结构安全性影响分析

王 博

（陇东学院 土木工程学院，甘肃 庆阳 745000）

0 引言

建筑物在建设过程中，因建设方要求或建筑功能的改变，往往需对结构在施工过程中进行局部变更或者主体结构完工后进行增层及局部改造。在原设计基础上进行变更或改造是否会对原主体结构安全性造成影响以及改造后的结构是否能满足承载力要求，须对原主体结构进行全面的检测并进行改造前后结构承载力计算和对比分析。本文以某一钢筋混凝土框架-剪力墙结构增层及局部变更为工程实例，首先进行原有结构的检测，再分别建立改造及变更前后整体结构计算模型，通过对比构件承载力及各项结构整体参数，分析了增层及局部变更对主体结构安全性的影响。

1 工程概况

该办公楼采用全现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构形式，地上 9 层。平面布置呈“一”字形，长 19.8 m，宽 16.0 m，总建筑面积为 3 274 m2。1～9 层均为开敞式办公室。1 层层高 4.3 m，2～3 层层高均为 3.6 m，4～9 层层高均为 3.3 m，室内外高差 0.45 m，结构主体高度为 31.65 m。结构平面布置示意如图 1 所示。该办公楼所在地区抗震设防烈度为 7 度，设计基本地震加速度值为 0.15 g，设计地震分组为第三组，场地类别为 Ⅱ 类，特征周期为 0.45 s；抗震设防分类为标准设防（丙）类。结构安全等级为二级，设计使用年限为 50 年，框架抗震等级为三级，剪力墙抗震等级为二级。结构嵌固端取基础顶面，剪力墙底部加强区范围：基础顶至 2 层顶（基础顶至标高 7.800 m）；约束边缘构件范围：基础顶至 3 层顶（基础顶至标高 11.400 m）。基础采用人工成孔灌注桩，桩端持力层为砾砂层，建筑桩基设计等级为乙级。混凝土设计强度等级：桩基础采用 C30，承台及基础梁采用 C35；1 层～9 层框架柱、剪力墙、现浇梁及现浇板均采用 C35。钢筋等级：框架柱主筋、现浇梁纵筋、现浇板受力钢筋、剪力墙分布筋以及箍筋均采用 HRB400 级。钢筋混凝土保护层厚度为：一类环境现浇板和混凝土墙 15 mm，框架柱和现浇梁 20 mm。填充墙采用烧结黏土空心砌块和 M5 混合砂浆砌筑。

图1 原结构平面布置示意图（单位：mm）

2 现场检测

2.1 结构布置核查

根据 GB/T 50784－2013《混凝土结构现场检测技术标准》［1］的规定，现场对该办公楼实际结构布置情况进行核查。核查结果表明，施工过程中该办公楼 1～9 层1/3×C～D 轴线剪力墙取消，变更为框架梁，截面及配筋同相邻框架梁，出屋面屋架及花架取消，主体结构完工后在顶层新增一层轻钢框架结构，功能为会议室，屋面为不上人屋面，层高 3.6 m，钢框架柱及梁均采用焊接 H 型钢，Q345 级，屋面板采用楼承板，钢框架柱轴线位置与下部混凝土结构竖向构件（框架柱及剪力墙）一一对应，框架柱与框架梁均采用刚接，次梁与主梁节点采用铰接，如图 2～4 所示。

图2 剪力墙变更后结构平面布置示意图（单位：mm）

图3 新增钢结构平面布置示意图（单位：mm）

图4 增层及局部变更后模型

2.2 地基基础

根据 GB/T 50784－2013《混凝土结构现场检测技术标准》的规定，首先查阅该办公楼地基基础相关工程资料。结果表明，该办公楼桩基础端部施工至持力层，单桩承载力满足设计要求，桩身完整。然后现场采用水准仪对该办公楼相邻柱基间相对沉降量进行检测，并对上部结构构件进行检查。检测结果表明，该办公楼相邻柱基相对沉降量满足 GB 50007－2011《建筑地基基础设计规范》［2］规定的限值要求，且上部结构构件未发现因地基变形引起的反应。

2.3 上部结构检测

经现场检测，该办公楼结构构件混凝土强度、钢筋配置、截面尺寸均满足设计图纸要求，构件变形满足规范要求，未发现混凝土构件存在外观缺陷，上部结构工程质量满足 GB 50204－2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》［3］的相关规定。

3 结构改造对安全性影响分析

3.1 上部承重结构影响分析

依据图纸及实际增层和局部变更情况，结合现场检测结果，本文采用盈建科软件分别创建改造前后的上部承重结构整体计算模型，并进行复核计算，对比分析两个模型的计算结果。荷载、结构构件截面尺寸及材料强度值均按原设计取值，其中改造后模型中 9 层楼板活荷载按 GB 50009－2012《建筑结构荷载规范》［4］会议室活荷载 2.0 kN/m2选取，新增钢结构屋面活荷载取不上人屋面荷载 0.5 kN/m2。结构阻尼比按照材料区分，混凝土为 0.05，钢结构为 0.04。

3.1.1 整体计算控制参数对比及影响分析

3.1.1.1 部分参数计算结果

1）振动周期。本文基于盈建科软件对改造前后两个模型分别进行了模态分析，在考虑强制刚性楼板假定下，得到各振型振动周期、X+Y 方向的平动系数、扭转系数，如表 1～2 所示。

2）层间位移角。根据 JGJ 3－2010《高层建筑混凝土结构技术规程》［5］第 3.7.3 条的规定，在考虑强制刚性楼板假定，不考虑偶然偏心的影响下，得到改造前后两个模型的 X 向和 Y 向楼层最大层间位移角，如图5～6 所示。

表1 考虑扭转耦联时的振动周期（秒）、X+Y 方向的平动系数、扭转系数（改造前模型）

表2 考虑扭转耦联时的振动周期（秒）、X，Y 方向的平动系数、扭转系数（改造后模型）

图5 改造前模型楼层层间位移

3）剪重比。考虑地震作用下改造前后两个模型各楼层 X 向和 Y 向楼层剪重比如表 3～4 所示。

3.1.1.2 对比分析

通过对比该办公楼增层及局部变更前后整体结构计算控制参数，分析结构改造对各项控制参数的影响程度。具体对比情况如表 5 所示。

图6 改造后模型楼层层间位移角

表3 各层 X、Y 方向的作用力（改造前）

由计算结果对比可知，该办公楼增层及局部变更对整体结构各项计算控制参数存在一定程度影响，但各项参数仍符合规范限值规定。经计算，新增钢结构楼层 X 向最大层间位移角为 1/412，Y 向最大层间位移角为1/668，X 向最大层间位移角不满足 GB 50011－2010《建筑抗震设计规范》（2016 年版）［6］的规定，建议在 X 向框架柱间增设支撑，提高自身刚度，进一步改善增层引起的刚度突变。

3.1.2 结构构件承载力对比及影响分析

通过对比改造前后上部结构混凝土构件计算配筋量，分析结构改造对结构构件承载力的影响程度。根据计算结果，上部结构增层及局部变更后结构混凝土构件计算钢筋量有所增大，但混凝土构件实配钢筋量仍满足计算要求，即结构改造后未造成结构构件承载力不足。

表4 各层 X、Y 方向的作用力（改造后）

表5 上部承重结构整体计算控制参数对比结果

3.1.3 抗震构造措施对比及影响分析

根据 JGJ 3－2010《高层建筑混凝土结构技术规程》，对改造前后的抗震构造措施进行对比。增层后，该办公楼主体结构高度增加为 35.25 m，＜60 m。因此，改造后框架及剪力墙抗震构造措施的抗震等级未发生变化。以底层框架柱及剪力墙墙肢轴压比为例，如图 7～8 所示。框架柱最大轴压比由 0.60 增加为 0.66，墙肢最大轴压比由 0.20 增加为 0.21，但仍满足规范要求。对比结果表明，结构改造对抗震构造措施造成一定影响。

3.2 地基基础影响分析

经基础承载力复核，该办公楼增层及局部变更后，桩基承载力仍满足设计要求。根据桩基承载力计算结果，结合桩基础相关工程资料以及现场检测结果，上部结构增层及变更未对桩基础造成影响，桩基础仍能满足承载力要求。

图7 改造前模型底层竖向构件轴压比

4 结语

图8 改造后底层竖向构件轴压比

根据现场检测及复核计算结果的对比，该办公楼增层及局部变更后对地基基础未造成影响，对上部整体结构各项控制参数造成一定影响，对结构构件承载力造成微弱影响，对结构抗震构造措施造成一定影响，但各项指标仍能满足规范相关规定。经综合分析，该办公楼增层及局部变更后不影响混凝土结构的安全性。

建议对该办公楼新增钢结构纵向框架柱间增设钢支撑，从而增强屋顶新增轻钢结构自身的刚度，进一步改善增层引起的刚度突变，确保该办公楼整体结构安全性。