既有建筑頂部鋼結(jié)構(gòu)加層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與抗震性能分析

（甘肅省慶陽(yáng)市建筑設(shè)計(jì)院， 甘肅 慶陽(yáng) 745000）

1 鋼結(jié)構(gòu)加層的重要作用

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展下，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展得到了有力的推動(dòng)，因此，房屋加固加層行業(yè)也逐漸發(fā)展起來(lái)[1]。所謂房屋加固加層就是對(duì)既有的房屋進(jìn)行加固改造加層，如圖 1所示。在改革開(kāi)放以前，我國(guó)大部分房屋都是低層建筑，這些建筑的抗震設(shè)防等級(jí)都比較低，這不僅對(duì)人們的生活造成了一定的安全隱患，同時(shí)這些既有的建筑也無(wú)法滿足社會(huì)發(fā)展需求。因此，對(duì)于已有的建筑物進(jìn)行加層加固改造是完善建筑功能的一種重要途徑。房屋加層改造技術(shù)不僅可以有效緩解城市建設(shè)用地緊張的問(wèn)題，同時(shí)也能提高既有建筑的安全性和穩(wěn)定性。比如通過(guò)房屋鋼結(jié)構(gòu)加層改造，可以有效增加土地面積使用率，緩解當(dāng)前城市土地資源緊缺的局面。另外，鋼結(jié)構(gòu)加層可以充分利用已有的建筑設(shè)施進(jìn)行施工，這樣一來(lái)又可以在很大程度上節(jié)省城市配套設(shè)施費(fèi)、拆遷費(fèi)等。通過(guò)對(duì)建筑進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)加層，還可以把原有的簡(jiǎn)易并具有安全隱患的建筑改造成現(xiàn)代化標(biāo)準(zhǔn)建筑，不僅提高了既有建筑的安全性和可靠性，同時(shí)也能使原來(lái)的舊房屋煥然一新。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)施工圖

2 鋼結(jié)構(gòu)加層的不同方案分析

不同的建筑根據(jù)不同的需求需要選擇不同的鋼結(jié)構(gòu)加層方案，要想保證建筑物的質(zhì)量和可靠性，就必須合理選擇鋼結(jié)構(gòu)的加層方式。很多施工單位在房屋增層中主要是根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)選擇加層形式，然而這就會(huì)使鋼結(jié)構(gòu)加層施工缺乏可行性、嚴(yán)謹(jǐn)性、科學(xué)性，有時(shí)候如果選擇了錯(cuò)誤的加層形式，就會(huì)嚴(yán)重影響到建筑的質(zhì)量和安全性。目前我國(guó)房屋鋼結(jié)構(gòu)加層主要有3種加層方案，即直接加層法、改變荷載傳遞加層法、外套結(jié)構(gòu)加層法。（1）直接加層法就是在不改變建筑既有的結(jié)構(gòu)模式下，直接在頂部進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)加層[2]。這種鋼結(jié)構(gòu)加層方法施工簡(jiǎn)單，但并不適合原有建筑物基礎(chǔ)承載力較差的建筑。（2）改變荷載傳遞加層法就是通過(guò)適當(dāng)?shù)母淖兎课萜矫娌贾靡约昂奢d傳遞途徑的一種加層方案。由于需要對(duì)房屋平面進(jìn)行一定的調(diào)整，所以這種鋼結(jié)構(gòu)加層方法具有一定的復(fù)雜性和專業(yè)性。外套結(jié)構(gòu)加層法是使新建加層建筑與原有的房屋不存在承重關(guān)系，新增加層荷載通過(guò)外套結(jié)構(gòu)直接傳給原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的一種加層方法。對(duì)于結(jié)構(gòu)承重以及適用要求需要改變的建筑，就可以采用這種加層方案進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)加層。

3 既有建筑頂部鋼結(jié)構(gòu)加層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

3.1 鋼結(jié)構(gòu)加層結(jié)構(gòu)形式

科學(xué)合理的鋼結(jié)構(gòu)加層結(jié)構(gòu)形式對(duì)提高鋼結(jié)構(gòu)加層質(zhì)量以及整體建筑質(zhì)量而言具有重要的意義。因此，在建筑頂部鋼結(jié)構(gòu)加層施工中，需要根據(jù)實(shí)際情況確定加層結(jié)構(gòu)形式，合理的鋼結(jié)構(gòu)加層結(jié)構(gòu)形式應(yīng)保證結(jié)構(gòu)布置規(guī)則的統(tǒng)一性，同時(shí)還要保證抗側(cè)剛度與質(zhì)量對(duì)稱均勻，這樣可以有效減少地震作用下建筑結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，進(jìn)而提高建筑物的抗震性能。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)加層數(shù)量較多的情況，為了提高加層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性，可以在豎向位置進(jìn)行加固，避免出現(xiàn)薄弱層，這樣可以促進(jìn)加層架構(gòu)抗側(cè)剛度得到提高。當(dāng)既有建筑為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)時(shí)，可以采用植筋等形式錨固加層結(jié)構(gòu)的柱腳錨栓，而當(dāng)既有建筑為磚混結(jié)構(gòu)時(shí)，則可以在房屋頂層承重墻上設(shè)置上翻梁，以此來(lái)達(dá)到提高加層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的目的。

3.2 柱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在既有建筑頂部鋼結(jié)構(gòu)加層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，柱腳節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)也是尤為關(guān)鍵的內(nèi)容。柱腳一般分為鉸接和剛接兩種形式，無(wú)論哪一種柱腳形式，都會(huì)受到來(lái)自水平剪力與軸向壓力的影響，因此，這就需要在柱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中充分考慮到諸多因素的影響。比如在對(duì)柱腳進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該對(duì)錨栓的拉應(yīng)力與混凝土的壓應(yīng)力增加進(jìn)行綜合考慮計(jì)算。對(duì)于柱腳形式的選擇也需要根據(jù)是否傳遞彎矩的原則確定是屬于剛接還是鉸接。

3.3 下部結(jié)構(gòu)加固

建筑頂部鋼結(jié)構(gòu)加層設(shè)計(jì)具有一定的難度和復(fù)雜性，因?yàn)?，鋼結(jié)構(gòu)加層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮到既有建筑的實(shí)際情況，以及加層后對(duì)既有建筑產(chǎn)生的變化和影響。為了更好地保證鋼結(jié)構(gòu)加層的質(zhì)量和可靠性，就必須要在開(kāi)始加層前對(duì)原來(lái)建筑的設(shè)計(jì)和施工等具體情況進(jìn)行詳細(xì)的分析，同時(shí)根據(jù)原有建筑的抗震性能鑒定報(bào)告對(duì)建筑是否需要加固進(jìn)行決定。一般來(lái)說(shuō)，在對(duì)建筑頂部進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)加層時(shí)，都需要對(duì)既有建筑進(jìn)行加固，以此來(lái)更好地保證建筑物的抗震性能和可靠性。因此，在既有建筑頂部鋼結(jié)構(gòu)加層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員還需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)。首先應(yīng)計(jì)算基礎(chǔ)的承載能力是否滿足上部加層的要求，如果不能滿足，首先應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)做加固處理。對(duì)于主體結(jié)構(gòu)，如果建筑下部的結(jié)構(gòu)是磚混結(jié)構(gòu)，那么在加層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中就需要對(duì)原來(lái)建筑的承載力進(jìn)行驗(yàn)算，進(jìn)而選擇鋼筋混凝土板墻等加固方式。如果建筑下部的結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，那么則可以使用外部粘鋼加固法、預(yù)應(yīng)力加固法等進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)加固。

4 鋼結(jié)構(gòu)加層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中抗震性能分析

（1）對(duì)不同的加層層數(shù)產(chǎn)生的影響來(lái)說(shuō)，如果建筑層數(shù)增加，那么既有建筑物的結(jié)構(gòu)周期和剛度都會(huì)發(fā)生較大的變化，進(jìn)而就會(huì)對(duì)水平地震系數(shù)產(chǎn)生影響。對(duì)此，就需要在鋼結(jié)構(gòu)加層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，加強(qiáng)對(duì)新鋼結(jié)構(gòu)與舊建筑結(jié)構(gòu)整體性的強(qiáng)化，比如通過(guò)加固措施來(lái)提高鋼結(jié)構(gòu)加層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和牢固性。（2）就有無(wú)側(cè)移框架形式產(chǎn)生的影響而言，對(duì)此可以在鋼結(jié)構(gòu)框架中增設(shè)柱間支撐，以此來(lái)提高結(jié)構(gòu)層的抗側(cè)力性能。由于設(shè)計(jì)了柱間支撐，層間的位移角變化趨于均勻，這對(duì)于提高建筑的抗震性能也具有重要的意義。（3）就不同的阻尼比產(chǎn)生的影響而言，由于鋼結(jié)構(gòu)加層的不同，所以阻尼比也發(fā)生了變化，對(duì)此就需要在鋼結(jié)構(gòu)加層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，將既有建筑的減震耗能設(shè)計(jì)與加層架構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，對(duì)加層的結(jié)構(gòu)和側(cè)向的剛度進(jìn)行科學(xué)合理的調(diào)整，以此來(lái)保證建筑的抗震性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在既有建筑頂部鋼結(jié)構(gòu)加層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了更好地保證建筑工程的質(zhì)量和可靠性，就必須對(duì)整體建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合考慮及分析，比如要將鋼結(jié)構(gòu)加層設(shè)計(jì)與抗震加固進(jìn)行充分結(jié)合，在保證建筑頂部鋼結(jié)構(gòu)加層的質(zhì)量基礎(chǔ)上，還需要保證整體建筑的抗震性能。在建筑工程建設(shè)過(guò)程中，不同的結(jié)構(gòu)類型、加層層數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震性能都會(huì)產(chǎn)生直接的影響，對(duì)此就需要在加層設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合考慮這些因素，通過(guò)不斷地對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和完善，使加層的作用得到充分的發(fā)揮，同時(shí)也能保證建筑質(zhì)量。

[1]張濤.既有建筑頂部鋼結(jié)構(gòu)加層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與抗震性能分析[D].清華大學(xué)，2005.

[2]王旭欣.既有建筑頂部鋼結(jié)構(gòu)加層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].建材與裝飾，2016（36）：64-65.