1、工程概况

某大厦高层建筑原主体楼15层，地下1层面积3980m2，主体楼面积43200m2。原主体采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系，抗震设防烈度为7度，剪力墙抗震等级为二级，框架抗震等级为三级。基础采用高强预应力混凝土管桩Φ500，壁厚125mm，AB型，桩端持力层为砂土状强风化花岗岩，桩长约25米，单桩竖向极限承载力标准值为5000kN。由于业主提出加层要求，由原15层加至21层，建筑屋面高度由50.6米加高到79.7米，增加面积约9800m2。该工程为在建时加层续建，前后两次设计均采用同一现行规范，故本工程不存在设计使用年限和新老规范衔接等相关标准问题。

2、结构加层设计分析

在建项目由15层扩建到21层，关键是解决好在新增的竖向荷载和地震作用及风荷载作用下结构体系的整体性能、已建结构构件的承载能力及加固方法等问题。首先进行结构整体分析计算，初步判断加层的可能性。为了充分发挥原已施工完成的各结构构件及抗侧力体系，先按原结构布置方案直接增加6层进行分析计算。采用刚性楼板假定，按模拟施工加载方式，考虑±5％偶然偏心及双向地震扭转效应作用，对结构进行了弹性静力分析，由计算结果可知：结构整体刚度偏柔，周期偏长，楼层层间最大位移与层高之比为1/720，超过规范1/800限值，楼层最小地震剪力系数值为1.51％，小于7度区的规范0.016限值，底部框架部分承受的地震倾覆力矩大于总力矩的50％，部分框架柱轴压比达到1.15，严重超限，框架梁、剪力墙存在超筋现象。根据原结构直接加层存在的问题，经过多轮方案试设计，确定采用增设钢筋混凝土剪力墙，加大剪力墙和框架柱截面尺寸，既提高结构刚度又提高承载力的结构加层加固的基本方法，上部续建结构也采用框架-剪力墙结构体系以保持与原结构的一致性和协调性。根据建筑使用功能的要求，以及结构加固效果的需要，设计时在建筑的角部增设剪力墙，在原中部核心筒楼电梯处增加剪力墙的长度。结合原框架柱轴压比的严重不足，采用增大截面法加固，同时适当增加刚度。结构整体分析主要结果见表1，可以看出：在风荷载和地震荷载作用下，结构的最大层间位移角均满足现行设计规范的要求；结构的第一自振周期为平动周期，且结构以扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比小于0.9；结构的剪重比、底部框架部分承担的倾覆力矩以及墙柱轴压比（柱最大轴压比0.79）均满足规范要求。

新设计方案由于建筑立面需要退台，在十四层处有五根框架柱内退1500mm，造成竖向构件不连续，按常规抬柱转换将形成高位转换，对结构抗震不利。本设计采用从十二层至十三层增设斜柱（撑），斜柱上方与十四层内退框架柱连续，其倾斜仅为1:6，下部外排框架柱又向上延伸两层至十四层楼面，并且在十二层和十四层斜柱转折处楼层框架梁予以加强（梁截面为600×1000），其剖面见图1。根据电算分析，十四层侧移刚度与下一层之比为0.93，不存在刚度突变。由于斜柱作用，对十二层处与之相连的梁板产生642kN的水平拉力，在该影响范围内楼板加厚到180mm，另加该方向受拉钢筋上下各20Φ12@100，同样与之相连的框架梁另加6Φ25通长受拉钢筋。在此范围内的各构件均相应提高配筋率和加强构造措施，提高其承载力和延性，关键构件斜柱及其下层柱和12、14层与之相连的框架梁按中震不屈服进行分析计算，确保结构安全可靠。

3、结构构件加固改造

3.1 地基基础加固

在房屋加层续建工程中，必然要遇到地基基础问题。为了减少基础改造的工作量，要最大限度挖掘上部荷载潜力。首先是墙体材料，把原先使用的保温烧结空心砖和砼空心砌块均改用容重较低的加气砼砌块，办公区内的砖砌墙改用轻质隔墙，同时首层地面回填土部分根据情况采用架空板，以及电算荷载按实际情况输入等措施，多方面多渠道合理卸载。通过在基础上埋设锚杆固定压桩架，以建筑物自重荷载作为压桩反力，用千斤顶将预制桩逐段压入土中，并与原基础连接，提高桩基总承载力。锚杆静压桩采用 ZHB30，采用焊接接头，桩身砼为C30，锚杆静压桩桩长约8-10米，持力层为土层⑤砂质粘性土，桩端进入持力层不少于2米，单桩竖向承载力特征值为500kN，施工压桩力为1000kN，共增补锚杆桩130根。为保证新补的锚杆桩能与原桩基形成有效整体，共同受力，需扩大原承台截面，使得补桩反力作用在新浇捣的混凝土扩大部分上，新旧混凝土通过凿毛和植筋方式形成一体。新承台尚应重新进行受力验算，根据计算需要利用建筑面层200-300mm厚度加高承台，满足受力要求。为了更好发挥补桩的作用，避免应力滞后，确保新、旧桩基共同受力，要求上部结构应待桩基补强结束后方可继建。

3.2 上部构件加固

考虑尽可能减少加固施工对原结构构件的损害，遵循对原有构件不动或少动的加固原则，对构件进行强度和刚度的补强。

部分框架柱存在轴压比超限严重，必须进行加固。在高层建筑结构的墙柱加固设计中，最简单、最优先采用的方法是加大截面加固法。该方法简单、可靠，符合强柱弱梁抗震原则，同时对框架梁采取粘钢加固时的节点锚固处理很有帮助，故本工程墙柱加固均采用此方法。在柱截面加大设计中，会遇到新加柱的纵筋与钢筋混凝土框架梁相碰的问题，纵筋排列应全部或大部分绕过框架梁，然后采用1:6的坡度内收至设计位置，为满足规范规定的竖筋间距要求，在框架梁上下各增加附加钢筋植入梁内。柱纵筋实配时可考虑原柱纵筋能够承担的部分弯矩。为保证加固效果，构件截面加大尺寸均不小于100mm，新浇注混凝土强度等级比原构件混凝土强度提高一级，新旧混凝土交接面均应凿毛，并在浇捣前除尘洗净后涂刷界面剂。

由于水平荷载作用增加，部分框架梁存在受弯及抗剪承载力不足。为确保施工质量，又不影响建筑使用高度，框架梁采用粘贴钢板和U型钢箍加固方法，具体措施见上图3。梁面、梁底粘钢采用Q345B材质钢板，梁箍板采用Q235B材质钢板。梁受弯承载力验算时，按保守算法，不考虑受压钢筋作用，根据钢筋差值进行换算，得出粘钢的数量。粘钢施工前先将原构件拟粘钢处凿至混凝土外露，然后将表面浮灰除去并打磨平整，除尘清洗干净后方可粘贴钢板，U型钢箍安装前还需将安装位置的构件方角打磨成圆角。梁面粘钢弯起处的柱端箍板施工要认真细致，避免形成虚设，起不到约束作用，影响加固效果。

4、结束语

对于建筑工程项目加层加固设计，应尽量减少对建筑功能和已建结构的影响，经多方案比选，在满足现行规范和建筑使用目标前提下，确定可实施加固的结构改造方案。首先，在加层改建中，对上部荷载的挖潜是非常必要的，减少竖向荷载，不但可以减少加固工作量，还可以减轻地震作用；其次，选用简单方便的构件加固方法，更容易达到预期加固效果。本工程取得了明显经济效益和良好的社会影响，同时本工程的结构加层设计经验可供类似高层加层设计以参考和借鉴。