平改坡屋面結構設計

李春芳 王 東

將既有建筑的平屋面改為坡屋面建筑簡稱為“平改坡”,“平改坡”工程一般情況屬于對屋面修繕整治,現在大量出現的“平改坡”工程多是對年代相對較長的建筑進行外觀美化,在不影響建筑安全使用的前提下改善其屋面防水隔熱的性能,極大改善了城市的住宅景觀效果。

1 “平改坡”設計時應該注意的問題

“平改坡”涉及到的建筑大多為年代相對較早的老建筑,且多為普通多層住宅,鑒于老建筑的情況多種多樣,為了保證“平改坡”工程安全實施,對計劃進行“平改坡”的建筑應觀察是否有裂縫、沉降不均勻等現象,判斷建筑物的沉降是否已經穩定或者尚在進行中,如果存在以上問題,應慎重處理,以免建筑物沉降時損壞新作屋面的防水層。對于底框結構(即底層為框架結構,上部為磚混結構,底層的1層～2層框架托起上面3層～4層的磚混結構)、超長結構或者層差較大的結構以及單元拼接有過大彎折且未設置沉降縫的多層住宅非常容易出現裂縫、沉降不均勻的現象,對這些情況要對結構進行認真復核,然后再考慮能否及如何實施“平改坡”。“平改坡”工程可以明顯改善城市的建筑景觀,所以城市中的大量臨街多層住宅被列為“平改坡”對象,這類建筑可能存在破墻開店作商業用房,有些還存在違規搭建的現象,此類建筑在進行復核時要注意檢查是否有拆除承重墻的現象,如果有則需要謹慎處理。

“平改坡”工程的詳細復核需要對工程的原始資料進行收集,這項工作繁瑣但是非常重要,需要收集的必備資料包括:總平面圖(了解“平改坡”建筑與周圍建筑的相對關系),建筑平、立、剖面圖,結構基礎平面圖,屋面結構布置圖等全套的結構設計圖紙及竣工圖紙,原有的屋面防水隔熱措施及作法。對結構形式復雜的建筑設計單位應進行實地踏勘,對收集到的資料進行認真分析后才可以進行“平改坡”設計工作。

2 “平改坡”建筑屋面的結構布置

1)僅在原有建筑屋面外墻的圈梁植入鋼筋,然后新澆筑一圈鋼筋混凝土圈梁,新、舊圈梁通過植入的鋼筋連接為整體,并以此新增加的鋼筋混凝土圈梁作為上部輕型剛架的支座。在此圈梁上需要支撐輕型剛架的位置預先做好埋設件,再將輕型剛架與埋設件連接,上部剛架的計算可按兩端簡支的桁架進行內力和截面設計(見圖1),各榀桁架之間再通過系桿、支撐等聯系起來,使其成為完整的受力體系。這種結構布置方案的特點是:僅在外墻一周新增鋼筋混凝土圈梁與原有圈梁對齊,新舊屋面的連接及整體工作性能相對較弱,對于雙坡屋面上部的輕型剛架采用三角形桁架,兩端支座為鉸接,屋面的整體橫向剛度較低,荷載作用下三角形桁架的拋物線彎矩圖與屋架的三角形外形相差懸殊,致使這種屋架的弦桿受力不均,支座處內力較大,跨中內力小,弦桿截面不能充分發揮作用[1]。

三角形屋架的腹桿布置方式通常有人字式(見圖2a))和芬克式(見圖2b))。芬克式的腹桿較多,但是它的壓桿短、拉桿長,受力相對合理,而且可以分兩個小桁架制作和運輸,較為方便。人字式腹桿的節點較少,受壓腹桿較長,適用于跨度較小的情況,但是人字式屋架的抗震性能優于芬克式屋架,所以在強地震烈度地區,常用人字式腹桿的屋架[2]。

“平改坡”工程中一方面考慮工程造價需要盡量減少用鋼量,另一方面,新增加的上部結構的重量盡量要小,以減小對建筑物地基基礎的影響,所以對跨度較小(≤15 m)的建筑[3],可以采用在建筑物外墻一周新增圈梁,其上支撐兩端鉸接三角形桁架的方案。

2)在原有建筑屋面外墻一周布置圈梁,同時在需要支撐上部輕型剛架的橫向承重墻位置布置鋼筋混凝土臥梁,新布置的臥梁位置盡量與承重墻重合,不能重合時,需設置架空梁,架空梁的兩端應支撐在原有承重墻上,其余梁底均用20 mm厚聚苯乙烯泡沫塑料墊起,不與原屋面直接接觸。在圈梁、臥梁及架空梁上設置埋設件來支承輕型剛架的小立柱,再由小立柱支承屋面斜梁,此輕型剛架可按多跨連續梁進行內力和截面設計(見圖3)。采用這種方式進行結構布置,增加了臥梁及架空梁,與外墻圈梁連成整體,增加屋面整體剛度,整體工作性能得到改善,對結構的抗震性能有較大提高。同時通過內力計算及截面尺寸比較,在合理的位置布置輕型剛架的小立柱,通過控制立柱的間距來調節屋面斜梁的跨度及截面尺寸,已達到受力合理,截面經濟的效果。

所以,當“平改坡”建筑物的跨度較大時,可以在合適的位置增加臥梁和架空梁支承小立柱,在小立柱上架設屋面斜梁的結構布置方式,屋面斜梁的跨度宜控制在2 m～3 m內,小立柱的高度控制在3 m之內較經濟[3]。

3 “平改坡”建筑的地基承載力

“平改坡”建筑在原有建筑基礎上增加了荷載,一般情況下“平改坡”使用輕質材料,荷載增加較小,而且進行“平改坡”的建筑物大多建成年代相對較長,對于沉降已經穩定的建筑或者經過預壓的地基,可以適當提高地基承載力[4]。對于一般的砂性土、黏性土的地基承載力提高值見表1[6]。

表1 地基承載力提高系數取值

性質不同的土體在外荷載作用下完成沉降固結的時間也不相同。土體中控制其壓縮和抗剪強度的應力稱為有效應力[5]。土中應力狀態變化引起的土體積變形即土體的壓縮和地基最終固結沉降,都只依賴于土中的有效應力,而與時間無關;然而,研究外荷載作用下地基土體壓縮、孔隙中部分水量視土透水性強弱和排水條件以不同速率排出時,土體固結速率和相應的有效應力增長速率則是時間的函數,在固結過程中,土體強度逐漸增長,而透水性也逐漸降低。在荷載作用下,透水性大的飽和無黏性土,其壓縮過程在短時間內就可以結束。相反,黏性土的透水性低,飽和黏性土中的水分只能慢慢排出,因此其壓縮穩定所需的時間要比砂土長得多,其完成固結沉降的時間也相應較長。

4 結語

1)對舊有建筑實施“平改坡”工程時,要仔細調查了解建筑物的結構體系、使用狀況,查找原始資料并結合實地踏勘,充分掌握待改工程的歷史、現狀后制定科學的施工計劃,以確保“平改坡”工程的實施既經濟又合理。2)針對“平改坡”建筑的不同建筑功能、結構形式,制定合理的結構布置形式,比較文中所述兩種結構布置方式,因地制宜,合理選擇。3)“平改坡”建筑會增加地基的荷載,通過控制外加荷載大小來盡量降低經濟指標,地基原有的承載力就可滿足新的承載要求時,則方案較為經濟,施工也比較方便。

[1] 魏明鐘.鋼結構[M].第2版.武漢:武漢理工大學出版社,2002.

[2] 包頭鋼鐵設計研究總院,中國鋼結構協會房屋建筑鋼結構協會.鋼結構設計與計算[M].第2版.北京:機械工業出版社,2006.

[3] 03J 203,平屋面改坡屋面建筑構造[S].

[4] GB 50007-2002,建筑地基基礎設計規范[S].

[6] 張禮順,張力偉.對房屋增層地基承載力的評定[J].黑龍江科技信息,2002(12):62.