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摘要：既有建筑物由于改变用途，需要对其检测并未加固改造提供依据。文章中的实例是一个安全可行的结构加固方案，对于其他类似的工程也有一定的借鉴价值。
关键词：外套框架增层；结构设计；预应力转换梁
中图分类号：TU352 文献标志码：A
The Enclosure Frame Method And Detection Of Existing Building
ZHANG Xue1，ZHANG Jing - jing1
(1． School of Civil Engineering,Shandong jianzhu University，Jinan250101 ，China)
Abstract: In order to cater to new functions or purposes , existing buildings need to be consolidated and storey-added. Detect the strength of main load-bearing menbers based for the structure design.The sample present the safe and feasible consolidating projects which is good for the other project.
Keywords: outer frame and storey-adding；structure design；prestressed concrete transform girder
现阶段国内有大量建于上世纪八九十年代的旧建筑，如何有效的充分利用这些既有建筑，一直以来是土木工程学科的一个研究方向增层改造成为了一份十分有吸引力的工作，但采用何种增层方案是一个重要问题，本文主要对一实际工程所采用方案展开，分析外套增层方案[1]。
1工程概况
德州禹城市某三层框架结构办公楼，总长58.2m宽14.4m，主体为现浇混凝土梁板结构，基础形式为柱下混凝土独立基础，高14.4m总建筑面积约2700,建于1999年。因公司规模变大办公面积,不能满足目前的需求决定在现有三层旧房上增层变成五层楼房，以达到增加使用面积，同时改善办公环境也可减少建设投资的目的故委托对该建筑物进行检测鉴定并提供增层方案。
2主要检测结果
为给楼增层改造加固设计提供可靠依据，本项目现场检测范围应为建筑物的主要承重构件[2]。针对加层改造特点，主要检测项目为：现场测量柱网尺寸、填充墙和隔墙位置，绘制出建筑物现状建筑平面图；建筑物倾斜检测；构件混凝土强度检测；钢筋混凝土构件钢筋配置数量和保护层厚度检测；构件外观尺寸检测；其它宏观检测等。
2．1该建筑物倾斜检测
用经纬仪对该建筑物进行倾斜检测，测点位置如图1所示。其中1、3、4点以首层室内地坪为基点，2点以二层挑梁下沿为基点。检测调度中心楼四角X、Y两个方向的水平位移，检测结果列入表1。
表1 建筑物倾斜检测值
图1倾斜测点位置示意图
2．2混凝土强度检测
表2 混凝土强度检测值
根据检测结果，该楼钢筋混凝土梁、柱各测点的混凝土强度值分布较分散，分析认为这与混凝土配合比和施工质量控制有一定关系，经调查，该项目混凝土为现场搅拌，故混凝土质量受人为因素影响较多。
2．3该建筑物外观检测
外墙面均出现走向不同的龟裂和局部的通裂，建筑物纵墙窗下墙八字裂缝较多，每层框架边梁与填充墙连接处均有裂缝，没有发现因地基不均匀沉降引起的钢筋混凝土承重构件损伤。
图2龟裂情况 图3八字裂缝
3增层方案的确定
3．1直接加层方案
原结构上直接增层[3]，当经计算原框架柱的承载力不能满足要求需要加固时，新增柱纵筋必须穿越中间楼层。非抗震时，新增柱纵筋搭接位置可以从楼面板开始，抗震时搭接位置宜避开柱端箍筋加密区。
当经计算原框架柱的承载力能够满足要求时，新加层的框架柱与原柱的连接构造有以下两种形式：
1）固接接头：把原框架顶层或屋面以下的一段柱凿毛并露出需要连接的原柱内纵向钢筋，新加柱的纵向钢筋伸到顶层或屋面以下并通过短钢筋与顶层或屋面以下的柱纵向钢筋焊接。
2）铰接接头：新加柱柱脚与原柱柱顶的连接采用铰接接头，这种连接无论是对节点受力还是节点构造都较为简单。具体做法：将原柱顶在新加柱的位置把混凝土表面凿毛，钻孔植入2~4根钢筋，其截面面积应能承受新加柱脚的水平剪力。
3．2外套框架方案
该方案可以使原有房屋与加层新建的建筑物之间不存在承重关系，原有房屋被包在外套框架内，外套框架的柱基在原有基础外重新布置，避免了加层部分的荷载传到原有房屋的不利影响。
从理论上讲，既有房屋套建增层改造可分为分离式套建增层和整体式套建增层2大类，分离式外套框架与旧房之间不相互联系，受力明确，但卻无法挖掘旧房的潜力；整体式外套框架与旧房相联，既可以提高旧房的抗侧移能力，又可以减小新增框架柱底层的计算长度，提高外套框架的底层空间刚度。但当采用这种方案时，应注意通过连接节点实现新、旧房屋结构竖向自由变形，水平整体工作。
经过比较分析,决定采用整体式外套框架[4],这样既可以保证甲方提出的室内大空间要求，又可以在不影响原有建筑物正常使用的情况下完成施工工作，结构平面布置图如图4所示。
图4结构平面布置图
4设计施工中具体问题的处理
4．1上部结构设计与施工
外套框架体系[5]在第四层楼面设置转换梁，四层以上框架体系在转换梁上生根形成整体框架体系见图5。新增的2层为现浇混凝土楼盖和屋盖，竖向荷载由外套框架承担，整个建筑物的水平荷载有原框架与新建外套框架共同承担。外套框架[7]下部的3层与原框架结构的连接采用化学植筋的方式，转换梁采用后张法有粘结预应力混凝土梁，预应力筋的端部的锚固区应进行局部受压承载力验算，并设置预埋垫板，配置间接钢筋，预应力筋采用框架梁跨中集中而两端分散的布筋形式。
图5结构方案 图6 外套增层建筑剖面图
图7 预应力转换梁计算简图
4. 2基础的设计与施工
地基承载力特征值[8]的确定是改造增层基础设计中关键的问题，增加层数和上部结构方案的选择往往取决于地基承载力特征值的大小，因此首先应该弄清原有房屋现在的地基承载力特征值。
在该楼的设计过程中考虑建成时间较长，考虑到地基土随时间的密实作用，结构设计过程中认为地基承载力特征值提高到原来的1.2倍。当基础承载力不满足要求时，可根据承载能力欠缺程度选择合适的加固方法。当基础承载能力欠缺较少时，可采用加大基础底面积和提高基础高度的方法仅进行基础加固；当基础承载能力欠缺较多时，采用基础加固与地基加固相结合的方法更为适宜和经济。具体可根据计算结果、地质情况、现场空间选择适宜的加固方法。常用加固方法有：基础加固结合静压钢管桩、钢筋混凝土树根桩、压力注浆及微形桩等提高地基承载能力的方式。鉴于本工程岩土工程性质，外套增层部分采用桩基础。
图8基础与原结构的连接
5结束
外套框架增层作为增层改造中的一种形式和发展方向，具有独特的优点，为多层增层提供了可能也便于建筑造型，适用于多种多样的各类平面，对旧建筑的限制较少，从而满足了增层的要求, 此类结构在大跨度房屋建筑和抗震区也得到更广泛的应用及推广。本工程通过采用外套框架体系、预应力转换梁结构形式，避免了大量的加固工作，节省了大量的资金，但外套方案在地震区的缺陷是重心偏高、头重脚轻、上刚下柔、不利于抗震，底层跨度大，相对薄弱，如何消除上刚下柔“高脚鸡”避免结构的侧向刚度发生较大的突变的有效措施是：采用旧房顶部与框架柱铰接或同时在旧房适当高度与外套框架结构水平方向铰接的整体式方案，使底层柱的计算高度降低，以提高底层柱的抗侧移刚度，减轻上刚下柔的影响，在整体式方案设计过程中应按实际进行模型简化，进行内力分析，使其符合现有国家规范及标准。
参考文献：
[1]郑文忠,王英,刘铁等.对既有房屋套建增层改造的认识与思考[J].工业建筑，2005, 35(4): 1-5.
[2]张春梅.外套框架增层改造设计方案研究[D].西安:西安建筑科技大学土木工程学院, 2003.
[3]郑文忠.黑龙江省科技攻关计划项目“既有房屋套建增层改造、功能改造及加固改造成套技术研究”可行性研究报告[J].哈尔滨工业大学土木工程学院,2004.
[4]郑文忠.哈尔滨市科学技术计划项目“既有房屋套建增层改造成套技术”可行性研究报告.哈尔滨工业大学土木工程学院[J].2004
[5]范胜芳.外套框架增层技术在工程改造中的应用[J].工业建筑，2006，36（11）109-110.
[6]GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010．30
[7] 韩选江.房屋增层改造外框架增层建筑的合理计算方法[J].建筑结构，1996,26（3）：32-35
[8]GB5007-2002,建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002
[9]GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010
[10]GB50367-2006,混凝土结构加固设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2006
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：外套框架增层；结构设计；预应力转换梁
中图分类号：TU352 文献标志码：A
The Enclosure Frame Method And Detection Of Existing Building
ZHANG Xue1，ZHANG Jing - jing1
(1． School of Civil Engineering,Shandong jianzhu University，Jinan250101 ，China)
Abstract: In order to cater to new functions or purposes , existing buildings need to be consolidated and storey-added. Detect the strength of main load-bearing menbers based for the structure design.The sample present the safe and feasible consolidating projects which is good for the other project.
Keywords: outer frame and storey-adding；structure design；prestressed concrete transform girder
现阶段国内有大量建于上世纪八九十年代的旧建筑，如何有效的充分利用这些既有建筑，一直以来是土木工程学科的一个研究方向增层改造成为了一份十分有吸引力的工作，但采用何种增层方案是一个重要问题，本文主要对一实际工程所采用方案展开，分析外套增层方案[1]。
1工程概况
德州禹城市某三层框架结构办公楼，总长58.2m宽14.4m，主体为现浇混凝土梁板结构，基础形式为柱下混凝土独立基础，高14.4m总建筑面积约2700,建于1999年。因公司规模变大办公面积,不能满足目前的需求决定在现有三层旧房上增层变成五层楼房，以达到增加使用面积，同时改善办公环境也可减少建设投资的目的故委托对该建筑物进行检测鉴定并提供增层方案。
2主要检测结果
为给楼增层改造加固设计提供可靠依据，本项目现场检测范围应为建筑物的主要承重构件[2]。针对加层改造特点，主要检测项目为：现场测量柱网尺寸、填充墙和隔墙位置，绘制出建筑物现状建筑平面图；建筑物倾斜检测；构件混凝土强度检测；钢筋混凝土构件钢筋配置数量和保护层厚度检测；构件外观尺寸检测；其它宏观检测等。
2．1该建筑物倾斜检测
用经纬仪对该建筑物进行倾斜检测，测点位置如图1所示。其中1、3、4点以首层室内地坪为基点，2点以二层挑梁下沿为基点。检测调度中心楼四角X、Y两个方向的水平位移，检测结果列入表1。
表1 建筑物倾斜检测值
图1倾斜测点位置示意图
2．2混凝土强度检测
表2 混凝土强度检测值
根据检测结果，该楼钢筋混凝土梁、柱各测点的混凝土强度值分布较分散，分析认为这与混凝土配合比和施工质量控制有一定关系，经调查，该项目混凝土为现场搅拌，故混凝土质量受人为因素影响较多。
2．3该建筑物外观检测
外墙面均出现走向不同的龟裂和局部的通裂，建筑物纵墙窗下墙八字裂缝较多，每层框架边梁与填充墙连接处均有裂缝，没有发现因地基不均匀沉降引起的钢筋混凝土承重构件损伤。
图2龟裂情况 图3八字裂缝
3增层方案的确定
3．1直接加层方案
原结构上直接增层[3]，当经计算原框架柱的承载力不能满足要求需要加固时，新增柱纵筋必须穿越中间楼层。非抗震时，新增柱纵筋搭接位置可以从楼面板开始，抗震时搭接位置宜避开柱端箍筋加密区。
当经计算原框架柱的承载力能够满足要求时，新加层的框架柱与原柱的连接构造有以下两种形式：
1）固接接头：把原框架顶层或屋面以下的一段柱凿毛并露出需要连接的原柱内纵向钢筋，新加柱的纵向钢筋伸到顶层或屋面以下并通过短钢筋与顶层或屋面以下的柱纵向钢筋焊接。
2）铰接接头：新加柱柱脚与原柱柱顶的连接采用铰接接头，这种连接无论是对节点受力还是节点构造都较为简单。具体做法：将原柱顶在新加柱的位置把混凝土表面凿毛，钻孔植入2~4根钢筋，其截面面积应能承受新加柱脚的水平剪力。
3．2外套框架方案
该方案可以使原有房屋与加层新建的建筑物之间不存在承重关系，原有房屋被包在外套框架内，外套框架的柱基在原有基础外重新布置，避免了加层部分的荷载传到原有房屋的不利影响。
从理论上讲，既有房屋套建增层改造可分为分离式套建增层和整体式套建增层2大类，分离式外套框架与旧房之间不相互联系，受力明确，但卻无法挖掘旧房的潜力；整体式外套框架与旧房相联，既可以提高旧房的抗侧移能力，又可以减小新增框架柱底层的计算长度，提高外套框架的底层空间刚度。但当采用这种方案时，应注意通过连接节点实现新、旧房屋结构竖向自由变形，水平整体工作。
经过比较分析,决定采用整体式外套框架[4],这样既可以保证甲方提出的室内大空间要求，又可以在不影响原有建筑物正常使用的情况下完成施工工作，结构平面布置图如图4所示。
图4结构平面布置图
4设计施工中具体问题的处理
4．1上部结构设计与施工
外套框架体系[5]在第四层楼面设置转换梁，四层以上框架体系在转换梁上生根形成整体框架体系见图5。新增的2层为现浇混凝土楼盖和屋盖，竖向荷载由外套框架承担，整个建筑物的水平荷载有原框架与新建外套框架共同承担。外套框架[7]下部的3层与原框架结构的连接采用化学植筋的方式，转换梁采用后张法有粘结预应力混凝土梁，预应力筋的端部的锚固区应进行局部受压承载力验算，并设置预埋垫板，配置间接钢筋，预应力筋采用框架梁跨中集中而两端分散的布筋形式。
图5结构方案 图6 外套增层建筑剖面图
图7 预应力转换梁计算简图
4. 2基础的设计与施工
地基承载力特征值[8]的确定是改造增层基础设计中关键的问题，增加层数和上部结构方案的选择往往取决于地基承载力特征值的大小，因此首先应该弄清原有房屋现在的地基承载力特征值。
在该楼的设计过程中考虑建成时间较长，考虑到地基土随时间的密实作用，结构设计过程中认为地基承载力特征值提高到原来的1.2倍。当基础承载力不满足要求时，可根据承载能力欠缺程度选择合适的加固方法。当基础承载能力欠缺较少时，可采用加大基础底面积和提高基础高度的方法仅进行基础加固；当基础承载能力欠缺较多时，采用基础加固与地基加固相结合的方法更为适宜和经济。具体可根据计算结果、地质情况、现场空间选择适宜的加固方法。常用加固方法有：基础加固结合静压钢管桩、钢筋混凝土树根桩、压力注浆及微形桩等提高地基承载能力的方式。鉴于本工程岩土工程性质，外套增层部分采用桩基础。
图8基础与原结构的连接
5结束
外套框架增层作为增层改造中的一种形式和发展方向，具有独特的优点，为多层增层提供了可能也便于建筑造型，适用于多种多样的各类平面，对旧建筑的限制较少，从而满足了增层的要求, 此类结构在大跨度房屋建筑和抗震区也得到更广泛的应用及推广。本工程通过采用外套框架体系、预应力转换梁结构形式，避免了大量的加固工作，节省了大量的资金，但外套方案在地震区的缺陷是重心偏高、头重脚轻、上刚下柔、不利于抗震，底层跨度大，相对薄弱，如何消除上刚下柔“高脚鸡”避免结构的侧向刚度发生较大的突变的有效措施是：采用旧房顶部与框架柱铰接或同时在旧房适当高度与外套框架结构水平方向铰接的整体式方案，使底层柱的计算高度降低，以提高底层柱的抗侧移刚度，减轻上刚下柔的影响，在整体式方案设计过程中应按实际进行模型简化，进行内力分析，使其符合现有国家规范及标准。
参考文献：
[1]郑文忠,王英,刘铁等.对既有房屋套建增层改造的认识与思考[J].工业建筑，2005, 35(4): 1-5.
[2]张春梅.外套框架增层改造设计方案研究[D].西安:西安建筑科技大学土木工程学院, 2003.
[3]郑文忠.黑龙江省科技攻关计划项目“既有房屋套建增层改造、功能改造及加固改造成套技术研究”可行性研究报告[J].哈尔滨工业大学土木工程学院,2004.
[4]郑文忠.哈尔滨市科学技术计划项目“既有房屋套建增层改造成套技术”可行性研究报告.哈尔滨工业大学土木工程学院[J].2004
[5]范胜芳.外套框架增层技术在工程改造中的应用[J].工业建筑，2006，36（11）109-110.
[6]GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010．30
[7] 韩选江.房屋增层改造外框架增层建筑的合理计算方法[J].建筑结构，1996,26（3）：32-35
[8]GB5007-2002,建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002
[9]GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010
[10]GB50367-2006,混凝土结构加固设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2006
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。