摘 要 以实际工程为例，对套建高层建筑改扩建结构设计的概念、计算、施工等方面进行了研究。工程已投入使用，一些设计做法可作为类似工程的参考。
关键词 砖混结构；框架－剪力墙；套建；屈曲支撑；逆作法
1 工程概况及背景
河北建筑设计研究院有限责任公司（以下称我院）科研生产作业楼改扩建工程，建筑面积为11000m2，主体高度为39.6m。共分为两期，20世纪90年代，完成了一期工程：4层砖混外套39.6m高的框架－剪力墙建筑。一期工程的平面图见图1。
2013年，经一期工程研究分析发现，一期工程存在以下问题：①20世纪70年代始建的4层砖混楼，局限于当时对抗震的认知及相关规范的缺失，经过“74、78、89、01、10系列规范”变化，此楼无任何抗震措施，已属于抗震危楼。②20世纪90年代再建的部分外套框架－剪力墙结构，与原砖混结构为两个相互独立的结构体系，外套框架－剪力墙结构的设计依据“89规范”，历经“01、10系列规范”变化，其结构体系已不满足现行规范设计要求，属于抗震不利。③随着中国建筑市场的升温，我院业务量的增大，现有办公空间已不能满足生产要求，急需扩大生产规模。
基于以上原因，2013年，开始进行我院科研生产作业楼改扩建的二期工程：拆除4层砖混楼，在1～4层增加部分框架柱、框架梁和楼板，使其部分单跨框架变为三跨，1层（层高15m）变为4层（层高约3.7m），使原套建楼形成结构完备的框架－剪力墙结构体系。
图1 一期工程平面示意图
2 结构设计
2.1 结构主要变化
二期工程平面示意图见图2，结构主要变化如下：
（1）一期工程中南北跨度约15m（轴A至轴E）的轴线间增设两排柱子（轴B、轴D），形成三跨结构，解决单跨框架对结构产生的不利影响。
（2）1～3层顶相应增设现浇梁、板，增加结构下部刚度，改变结构上刚下柔的缺陷。
（3）在抗震不利部位增设钢结构屈曲约束支撑，形成多道抗震防线，增加大震时主体结构的延性，以最大程度保全主体。
图2 二期工程平面示意图
2.2 结构主要构件
框架柱：一般采用500mm×500mm，混凝土首层C40、其余层采用C30。
梁：由于一期工程墙柱上预留有梁钢筋，故与一期工程墙柱相连的梁尺寸均按一期工程，框架梁截面为300mm×500mm，300mm×600mm，梁混凝土为C30。
板：一期工程墙柱上预留有板钢筋，故与一期工程相连的板厚均按一期工程，板厚一般为110mm，混凝土为C30。
屈曲约束钢支撑：通过比较计算，在适当部位设置钢结构屈曲约束支撑，增加建筑的抗震能力。
地下室构件：首层有局部下沉空间和局部地下室，下沉空间的底面低于A轴、E轴大直径扩底桩的顶标高，经研究计算确定，新建下沉空间和地下室挡土墙墙厚采用350mm，首层增加刚性地面（180mm， 150mm厚混凝土板及拉梁）与原结构进行连接，增加整体刚度。
3 计算分析
计算软件采用SATWE、MIDAS。大楼的计算模型见图3。
图3 大楼的计算模型
3.1 多遇地震计算结果
多遇地震下的整体计算主要指标见表1。
表1 多遇地震下的整体计算指标
3.2 静力弹塑性分析
采用MIDASGEN对结构进行了静力弹塑性分析。混凝土支撑、屈曲约束支撑、梁柱及剪力墙塑性铰示意图见图4至图6。
图4 混凝土支撑塑性铰示意图
图5 屈曲约束支撑塑性铰示意图
图6 梁柱及剪力墙塑性铰示意图
静力弹塑性分析如下：在静力弹塑性分析过程中，结构的塑性铰主要出现在连梁、剪力墙及部分混凝土支撑和屈曲约束支撑上，少量出现在框架梁及框架柱上。其中X方向没有设置屈曲支撑，塑性铰主要出现在连梁及剪力墙上；Y向设置了屈曲支撑，一部分支撑较早出现塑性铰。从进入屈服状态的构件来看，部分连梁、剪力墙、屈曲约束支撑及混凝土支撑在性能点位置进入屈服阶段，其中连梁和屈曲约束支撑屈服较早，为主要耗能构件。只有少部分梁柱构件出现塑性铰。
3.3 罕遇地震作用下静力弹塑性分析层间位移角
静力弹塑性分析层间位移见图7、图8，图中PUSHX表示X方向结构模型荷载工况，最大层间位移为10.7mm，最大层间位移角1／370。PUSHY表示Y方向结构模型荷载工况，最大层间位移为7.9mm，最大层间位移角1／456。
图7 PUSHX方向层间位移角曲线
图8 PUSHY方向层间位移角曲线
3.4 结构抗震性能的综合评价
通过以上计算分析，可以得到如下主要结论：
在X和Y方向结构模型静力弹塑性分析过程中：结构的塑性铰首先出现在连梁、屈曲约束支撑上，其次出现在剪力墙及混凝土支撑上，框架梁柱少量出铰，这是一种合理的整体型结构屈服机制。
在罕遇地震作用下，对布置有屈曲约束支撑的模型，结构的整体变形不会超过规范限值，其中的主要耗能构件屈曲约束支撑能够充分消耗地震能量。静力弹塑性分析时：X方向结构模型结构最大层间位移角为1／370，Y方向结构模型最大层间位移角1／456，满足大震不倒的抗震设防标准。
4 逆作法施工
首层结构平面示意图见图9。首层局部设有下沉空间及地下室，下沉空间（首层地面标高处无板）底板底标高为－2.93m，一期工程基础采用柱下大直径扩底桩，桩顶标高为－1.0m，下沉空间地面低于一期工程桩顶。如按一般施工方法（即先施工地下室，然后施工地上结构），会导致开挖时对桩周土产生影响，同时侧向刚度减弱，如在地下施工期间遇特殊较大水平力状况（如地震）时有较大的危险性。为避免这种情况，施工采用逆作法，即先施工桩和地下室柱，再施工地上层结构，待地上一二期工程结合为一体后再开挖施工地下室。逆作法使主体荷载由柱直接承担并通过桩基传递给地基，可有效避免减少大开挖时卸载对土层的不利影响，并可有效增加地下施工时主体结构的安全度。
图9 首层结构平面示意图
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