工程实例-纺织工业部办公大楼加恒加层的结构设计
一、工程概况
纺织工业部办公楼位于繁华的北京市长安衡南侧和北京饭店对面，是一座政府级办公大楼。该工程建于20 世纪 50年代初期，建筑面积为 9054m²，三层砖混结构，层高4.1～4.4m。一、二层内外墙均为 370厚;三层外墙厚370，内墙 240。本楼板现浇钢筋混凝土走道板，砖砌条基，持力层为素填土，地基承载力取 100kPa，基础埋深1.5m。
由于业务扩大，办公楼不敷使用，因此于1990年提出征求抗震、加固、增层方案，并进行方案招标，要求;
（一）建筑造型和立面装修应朴素大方。与长安街环境相适应，既要尊重历史。又要有时代感;
（二）平面布局合理，功能上满足使用要求;
（三）在原建筑上增加二层.局部加三层.改造后的总建筑面积要求达到15500m²左右;二、对原建筑物的鉴定意见
根据《工业与民用建筑抗震鉴定标准》（TI 23-一77）对该建筑物进行了鉴定.鉴定结果如下∶
（一）该建筑物为纵横承重结构，平面分三段，中间段长 84m，未设伸缩缝，横墙最大间距14m，超过8度地震区的横墙最大间距的 9m 限值，砂浆标号均低于25号，砖标号取样测定为 25号。未设置圈梁及构造柱，外墙、内横墙及山墙转角处均有裂缝出现;
（二）墙体面积率验算∶中楼一至三层的内墙及二层的内外纵墙不满足;东西楼一至三层的内横墙，一、二层的内纵墙及二层的外纵墙均不满足;
（三）原建筑砌体砂浆标号低，墙体能增加的承载力有限，内纵墙已不能再增加荷载。
三、增层结构方案
（一）直接增层法
地基经数十年压密重新勘探后，地基承载力可达110kPa.基础尚有一定潜力可挖。而墙经过抗震加固后其承载力也有所提高。如实施本方案时，其基本出发点就是一个挖潜方案。
具体做法是∶
加层结构采用轻钢框架。水平荷载由钢支撑传至砖墙，加层的垂直荷载由外墙直接传到原有外纵墙上。内墙则由新加走道柱传至地基。外墙为200mmi厚加气混凝土，内墙为轻钢龙骨石膏板。楼屋面板均用压型钢板上铺陶粒混凝土，在压型钢板的凹槽中适当配筋形成连续多跨单向板，混凝土平均厚度为 70mm，随打随抹，屋面保温采用 50mm 厚聚苯乙烯板，五层防水做法。
此方案的最大优点是;造价低、施工方便。但由于原内墙无富余的承载力而需加柱，这样就会影响走道的使用与美观。加层荷载的传递对内外墙是不均匀的，对填土地基的变形不易控制，可能会产生新的墙体裂缝。
（二）外套框剪结构增层法
贴外墙设框架柱，断面为 400×500，六层柱为 400×600;高出原有建筑物后连成双向刚接框架。由于横向跨度较大，分别为15.43m和 19.39m。为了减少梁高，采用部分预应力框架梁，梁断面尺寸分别为 300×850 和300×1000，楼屋面板及次梁采用现浇陶粒混凝土。
为了不使加层结构的刚度太弱，适当增加钢筋混凝土剪力墙;如图 5-45a 所示。
为了减轻结构自重。外墙采用 250mnm 厚加气混凝土，内墙采用150mm 厚加气混凝土。为了减少框架柱基础的沉降。采用太孔径挖孔桩，持力于砂卵石层上。根据物察报告提供的资料，自然地面下12~14m为稳定砂卵石层，桩端承载力可达1000kPa，地下水位较低。
此方案的优点是∶充分利用原结构的抗力，将加固与增层结合在一起处理，传力明确，加层后整体建筑沿高度的刚度比较均匈，有利于抗震。主要的缺点是∶抗震缝处梁柱布置较为复杂。
（三）外套框架结构增层法
为了使旧楼的加固与新楼的建造完全分开。本方案沿外墙距离 2m 加框架柱，柱距约7ma左右，高出原楼屋面连成框架，将原有的砖混结构完全罩在新建的框架结构之内，如图5-45所示。
将原楼的屋面改造为楼面，在四层楼板及墙顶设新老楼的抗震缝。这样不论是垂直荷载作用下的沉降还是地震作用下的水平变形，新老楼均无变形协调要求，对原有建筑仅涉及抗震加固，相对比较简单。而且加固与新建施工互不干扰。但是由于底层框架的高度大，初算柱截面需要 500×1000.而日占地面积大。对面临长安街且内院狭窄的实际情况.是不容易实现的。此方案的另一缺点是，在抗震缝处同样结构难以处理。
（四）内筒体结构增层法
沿房间内壁四周加钢筋混凝土墙使其形成筒体，筒壁厚 160mm，与砖墙按夹板墙的要求进行拉结。在建筑平面中话当布置筒体位置.以使结构刚摩均匀及控制筒体间的距离.使楼屋面梁系布置合理。筒体高出原有屋面，在五层楼面标高处布置主次梁，现浇陶粒混凝土楼屋面板，形成剪力筒结构如图5-45c 所示。
筒体既是抗震加固需要的抗剪墙体，又是加层结构的支撑构件。通过筒体将加层荷载传至大孔径挖孔桩。这种结构的刚度比较好，而且简体的位置可以任意调整，梁可以不施加预应力。由于筒体墙偏向砖墙的内侧，因此加层的纵向梁与筒体墙也应偏轴。为了不使梁的跨度太大，就需要布置一定数量的简体。即使沿走道的两侧交错布置，梁的跨度达 10m左右，仍然需要不少个简体，因为在房屋的端部及楼梯间的两侧均需要有支撑筒体。筒体过多会带来施工困难，而且筒体与外墙间形成较厚的距离，造成不良的使用感觉。
在分析比较上述四种方案的基础上，结合现场工程实际，最后决定在方案二的基础上加入六个筒体，以解决抗震缝处需设置大跨度托梁的问题。加层后的新建筑是一幢底下三层为砖混和上部二层（局部三层）为框剪结构的混合结构体系。加层的结构平面如图 5-46所示。
四、原建筑物的加固处理
原有砖混结构按《工业与民用建筑抗震加固技术规范》进行夹板墙加活。考虑到施T时尽量不影响或少影响原建筑的使用.采用沿外墙的外侧加 80mm 厚钢筋网现浇混凝十单面夹板墙。
在内墙较弱的墙段也加了单面或双面夹板墙，夹板墙内配 φ6@200 双向单片钢筋网;沿外墙在楼面标高处增设暗圈梁，断面为110×180，混凝土标号为200号;由于原楼横墙间距较大，加厚砖墙不足以承受地震剪力，因此增加钢筋混凝土墙。为了能有效地传递剪力，将墙两侧的木楼板改为现浇钢筋混凝土楼板;沿外墙每隔 7m有框架柱，它与内横墙或进深梁用钢筋或螺栓锚接。而目外墙的夹板、暗圈梁与框架柱整体浇筑。防 I十地震时外墙外闪的可能性。
有关本增层建筑的结构计算和抗震分析从略。五、基础设计及沉降观测
根据地质勘察报告，场地地面下约2，5m 深为杂填土及素填土层;再往下2.5～7m为粉土及粉质粘土;7～12m为中细砂层，12~17m为卵石层，以下又是粉土。
由于施工场地狭小，周围绿化珍贵树种，大型施工设备无法进场，场地附近住有居民，应考虑防止施工时的噪声，因此决定采用大直径人工挖孔扩底灌注桩，一柱一桩或一筒一桩，直径为1.0m、1.2m、1.4m和1.9m四种。扩大头直径分别为1.4m、1.6ma、2.6m、2.8m和3.5m五种。桩周作100mm厚混凝土护壁，桩长 12m左右，持力层为卵石层。桩身直径和扩大头直径受桩基沉降量控制。
本工程是砖混和框剪的混合结构体系，目前国内尚无类似工程对允许沉降量的规定，只能参照北京地区相似地质情况的试桩资料，采用调整扩底的办法把沉降值限定在 5mm 以内，新体系依靠内力重分布来协调此变形是可能的。