鋼結構加層方法的研究

蒲 靜

（楊凌職業(yè)技術學院， 陜西 楊凌 712100）

0 前言

隨著全球經濟加速發(fā)展，城市建設的規(guī)模不斷擴大，增長和擴展城市用地成為必然要求。而且社會的發(fā)展也促使人們對建筑功能和居住條件要求的提高，住宅建筑需要較大的室內活動中心，商業(yè)建筑需要較大空間的會議室，而現有的低層和多層的建筑已不能滿足人們的需求。如何開辟新的發(fā)展空間、地域范圍和保護環(huán)境已成為各大都市可持續(xù)發(fā)展的必然要求。在這些疑問下出現在原有結構上加鋼結構這一加層方法，直接有效的解決了以上問題。

1 加層方法

對于不同形式的既有建筑物，需要采用合適的方法來進行加層改造。因為對于結構設計工作者而言，既要保證設計的輕鋼加層結構具有較高可靠性、安全性和抗震性能，并且要達到高性價比，避免鋼材的浪費。輕鋼結構加層方法主要可以分為三種方法，即直接加層法、改變荷載傳遞法和外套結構加層法。

1.1 直接加層法

指在原建筑平面布置和原結構承重體的系不改變的前提下，直接在原有建筑上加層的方法。但是這種加層方法要求原結構擁有較多的承載力，因為加層的全部或部分荷載將由原建筑的基礎、梁和柱來承擔。所以使用這種加層方法的條件是原結構和基礎的承載力和變形必須滿足規(guī)范要求；或者是僅對局部進行加固處理。直接加層具體包括以下四種情形：（1）原結構不需要加固；（2）原結構需要抗震加固；（3）原結構需要承重強度加固；（4）原結構需要抗震和強度加固。這種加層形式的優(yōu)點是工程造價較低、施工方便以及工期較短，但需注意加層結構的層數一般不超過3層。

清華大學在2000年時，對建于50年代的主樓直接進行加層，中間主體部分增加兩層，局部增加三層，加層后整體結構如圖1。

圖1 清華大學主樓加層后全景

1.2 改變荷載傳遞法

若原有建筑的基礎承載力或承重結構不能滿足加層后的承載力要求，或因改變建筑使用功能而改變建筑平面和結構布置，進而使荷載傳遞途徑發(fā)生改變時，可以增設部分墻體、柱或進行局部加固等方式來滿足房屋的加層要求。

1.3 外套結構加層法

外套結構加層法是在原有結構外部新建一個獨立的承載基礎，將加層結構的上部荷載通過合理構件傳至新建基礎的加層改造方法。加層結構基礎既可以與原有結構公用，還可以獨立重新布置。此方法適用于在改變建筑的使用功能后，原有建筑結構的承載力不能滿足加層后的荷載條件，需重新設置滿足上部加層結構承載力的基礎。這種方式的加層層數、建筑造型不受約束；并且不受原有建筑不合理的平面和結構的約束；解決了原有建筑結構與加層部分之間使用壽命的差別。

2 加層結構的優(yōu)勢

近幾年我國不斷加強對既有建筑的加層改造，加層數量不斷增大，加層適用范圍更大、更廣，新的加層工藝和材料不斷出現，而輕鋼結構獨特的優(yōu)勢使它在加層結構中得到了很大的應用。

(1) 良好的抗震性能【1】。鋼結構屬于柔性結構，延性好、強度高，在地震作用下其變形能力具有很大的彈塑性，這樣能吸收大量的能量，減輕結構所受地震作用，保證了結構安全性。

(2) 重量輕。鋼結構加層部分相比同類混凝土結構減輕了1/3～1/2的自重，降低了結構重心，同時也減輕了上部加層結構對基礎的作用力，以及其加固的工作量。

(3) 新加層數不受限制，加層部分的建筑平面不受原建筑平面的限制。

(4) 施工方便，無需支架和大型施工機械，需要的施工場地較小，全部干作業(yè)施工。

(5) 施工周期短，綜合經濟效益好。鋼構件在工廠標準化生產，質量穩(wěn)定，在現場進行拼接安裝，不受季節(jié)環(huán)境影響。

(6) 綠色環(huán)保。鋼材可拆卸，回收利用，符合國家環(huán)保政策、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略以及土地資源政策。并且無噪聲、無污染。

(7) 鋼結構加層可以做到加層整體結構的外側統(tǒng)一裝修，增強建筑表現力。隨著近年來鋼結構住宅建筑的優(yōu)勢不斷受到青睞，如使用方便舒適、造型優(yōu)美、平面布置靈活，使這種新形式的輕鋼結構體系前景更加廣闊。

3 加層結構的不足

輕鋼加層因具有獨特的優(yōu)勢而被廣泛應用。但是輕鋼加層后，原有結構自重和側向剛度比上部輕鋼加層結構的大，建筑物成為了“下部重上部輕”，“下部剛上部柔”的質量與剛度不均勻分布，具有突變的復合結構體系。在水平荷載作用下，加層部分的鋼結構會產生明顯的鞭梢效應【2】，加層結構首層易產生薄弱層。這些都會影響到建筑物的整體協作抗震能力。原結構與加層結構的連接(即柱腳節(jié)點)是保證加層部分的內力能很好地傳遞到原結構以及保證加層結構整體受力性能的重要影響因素。而節(jié)點是結構傳力的關鍵部位，同時是結構抗震的重要部位。輕鋼加層柱腳節(jié)點的特殊性，即此復合材料節(jié)點由混凝土和鋼材組成，對輕鋼加層復合結構的整體性抗震性能有重要作用，所以一般對柱腳節(jié)點進行加固處理。而加固形式中，外包鋼加固強化節(jié)點具有優(yōu)于其它加固形式的特點。