某高層建筑屋頂玻璃陽光房結構分析及加固

郭昭勝

1 工程概況

某高層建筑屋頂(標高為 98.0 m)局部設置一玻璃陽光房。陽光房平面尺寸為寬 6.3m，長 13m，高 8m，該陽光房圍護、地面及屋面均為中空玻璃，臨街南立面采用鋁合金框和中空玻璃制作，結構采用型鋼鋼架，設計使用年限 30年。該玻璃陽光房自建成后，業主發現陽光房鋼結構在遇大風時水平側移較大已造成陽光房中空玻璃裂碎，本文針對該情況對陽光房現有結構進行驗算分析，并提出加固方案。

2 陽光房現有結構驗算

2.1 主框架計算簡圖及荷載取值

根據陽光房設計施工圖紙與資料，結合已建陽光房的現場實際情況，對于陽光房主框架取出以下兩榀分別驗算，框架柱頭、柱腳及鋼梁與梁柱處現有的連接措施，只應視為鉸接(節點 3，6，7，8)，框架 1，2簡圖分別見圖 1，圖 2。

恒荷載按照 GB 50009-2001建筑結構荷載規范的規定，根據材料容重分別計算，屋面及樓面活荷載分別取 0.50 kN/m2和 2.0 kN/m2，風荷載標準計算時，基本風壓取 0.40 kN/m2，并考慮該陽光房位于高層建筑頂層位置(標高 98.0m)的風壓高度系數。基本雪壓取 0.35 kN/m2。考慮到陽光房質量較輕，地震作用微小，故此處不計入地震作用。

2.2 結構計算結果

2.2.1 鋼框架結構驗算結果

框架 1鋼柱及鋼梁的強度計算應力均不能滿足現行規范要求，鋼柱最大計算應力 3.04，鋼梁最大計算應力為 2.29;框架 2鋼柱及鋼梁的強度計算應力亦均不能滿足 GB 50017-2003鋼結構設計規范要求，鋼柱最大計算應力 2.70，鋼梁最大計算應力為 2.10。目前鋼架結構桿件計算應力超過鋼材設計強度值的 2倍～3倍，計算結果表明現有框架鋼構件截面偏小，其中框架 2計算結果比框架 1略小，是因為框架 2中間多一道橫梁，其結構自由度較多，承載能力稍強。

框架 1及框架 2中鋼梁、鋼柱的平面外穩定應力比及長細比可由屋面檁條和立面橫梁給以保證。

框架 1及框架 2頂點在風荷載標準值的作用下，其側移分別達到柱高的 1/14(518 mm)和 1/16(469 mm)，該值遠超過了 GB 50017-2003鋼結構設計規范規定的限值(柱高的 1/150)。考慮到該陽光房面層材料均為玻璃，而玻璃對于變形的抵抗能力較差，因此該限值應適當提高，從嚴控制。

2.2.2 柱根錨固驗算結果

依據計算結果，框架 1及框架 2的柱根部軸力不大，不超過30 kN。鋼柱與屋頂混凝土梁的連接做法為:采用化學錨栓錨入混凝土梁 150mm～200mm，依據 JGJ 145-2004混凝土結構后錨固規范表 6.1.4錨栓受拉混凝土錐體破壞承載力標準值，當錨入深度150mm，基材混凝土強度為 C20時，承載力標準值為 57.61 kN，且實際錨固時錨板下彎至混凝土梁側面，進一步加強了錨固，故可認為現有錨固措施是安全的。

2.2.3 南立面構件截面承載力及根部錨固驗算結果

經計算，南立面方鋼管的截面承載力可滿足要求。在向北的風荷載及上部豎向荷載的作用下，可將南立面方鋼管視為壓彎構件，在該計算假定下，該構件根部柱腳不會出現拉力，故中部幾根鋼管根部的錨固問題可不必考慮，但應注意，靠近東西兩側的方鋼管的錨固，兩側構件還同時受到來自東西向的風荷載，應對這兩點的錨固予以加強。

3 加固方案確定

本工程陽光房位于地面高度達 98.0m的高層頂部，因此風荷載成了起控制作用的荷載。依驗算結果，陽光房所采用的鋼柱截面尺寸偏小，且在風荷載作用下，框架頂點位移較大，遠超過了鋼結構規范的側移限值。

過大的側移將直接導致玻璃面層擠壓破壞，玻璃破碎后從百米高空掉落，極可能傷人，非常之危險。

針對構件承載力不足，如采用常規的加大鋼柱截面的方法，考慮到該陽光房鋼結構完全外露，加固后截面改變，將較大的影響建筑的平立面造型、建筑使用功能和外觀視覺效果，且加固后反而可能會給使用者帶來不適感。

同時考慮到目前鋼框架的柱腳構造為鉸接，柱腳鉸接情況下，即使截面加大，也難以控制柱頂位移。框架柱腳下為上翻混凝土梁，若將柱鉸接改為柱剛接，則對混凝土梁會產生較大的彎矩，施工時也難以實現。

考慮到目前結構最大的問題是柱頂側移過大，經過同業主協商，確定了采用鋼索將現有鋼框架結構在兩側拉緊的方案。鋼索一端在框架頂點同鋼柱連接，另一端在遠處已有混凝土梁錨固連接。該方案工藝簡便，基本不需對現有結構做過多改造，造價也較低，基本不影響陽光房的外觀視覺效果，可以滿足該結構的加固要求。鋼框架兩側設置鋼索示意圖見圖 3。

經過對設置鋼索后的框架1和框架 2進行驗算，可知設置鋼索后，同時解決了現有鋼柱截面偏小和柱頂側移過大的問題，現有結構各構件控制截面的計算應力均小于鋼材設計強度值，框架頂點側移分別為 1/1 045及 1/1 050，均小于 1/300，滿足規范要求。

采用上述結構加固方案后，同時應對南立面鋁合金玻璃墻的連接錨固采用可靠的構造措施予以加強，對中空玻璃建議更換為夾膠玻璃或貼玻璃鋼化膜，避免玻璃掉落傷人。南立面東西兩側立柱采用的方鋼截面過小，建議更換，同時應加強該立柱的柱腳錨固措施。

4 加固方案實施

為提高現有結構的抗風承載力，減小結構頂點側移，本方案采用增加鋼索的方法在兩側拉住鋼框架。鋼索可采用鍍鋅鋼索，并施加預拉力，以鋼索繃緊為度，必須確保每條鋼索的預拉力相當，避免在施工時將結構拉偏。對鋼索應定期采取防腐措施。鋼材為 Q235B，焊條采用 E43XX，化學錨栓應采用成品，必須保證現場焊接質量和錨栓錨固質量。應先在混凝土梁上植入錨栓定位后，再在錨固板上開孔，孔開好后，不得隨意擴孔。施工安裝完畢后，必須對連接耳板和錨固板等外露鋼件進行防腐處理。具體加固方案見圖 4。

5 結語

該高層建筑屋頂玻璃陽光房經采用本文提出的加固方案后，立面效果美觀，使用效果良好，特別是在加固措施完成后次年的五月，當地出現暴雨颶風極端天氣，風力達 7級 ～8級，該結構經受了較大風荷載的考驗，避免了事故發生。

[1] YB 9257-96，鋼結構檢測評定及加固技術規程[S].

[2] GB 50011-2001，建筑抗震設計規范[S].

[3] GB 50009-2001，建筑結構荷載規范[S].

[4] GB 50017-2003，鋼結構設計規范[S].