鋼結(jié)構(gòu)躍層加層技術(shù)及其工程應(yīng)用研究

摘 要：改革開(kāi)放以來(lái)，經(jīng)濟(jì)得到了較快速度的發(fā)展，城市的功能性向多方位發(fā)展，各項(xiàng)建設(shè)規(guī)模和速度都得到了較大的提升，城市發(fā)生著日新月異的變化，城市進(jìn)入了發(fā)展的快車(chē)道，城市的人口不斷激增，導(dǎo)致原有的城市建筑無(wú)論數(shù)量還是使用功能上都無(wú)法滿足現(xiàn)在使用的需求。在此情況下在原有住宅基礎(chǔ)上進(jìn)行加層倒不失為一種好辦法，既能緩解供需緊張的矛盾，又比較經(jīng)濟(jì)。文章介紹了鋼結(jié)構(gòu)躍層加層及其特點(diǎn)，并對(duì)工程實(shí)例進(jìn)行了具體的分析。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；躍層；加層技術(shù)

前言

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，帶動(dòng)了人們物質(zhì)文化生活水平的提高，人們已不滿足于原有的居住環(huán)境，對(duì)建筑的需求量有了更多的要求。以前的建筑多以低層為主，雖然經(jīng)過(guò)了幾十年的使用，但其基礎(chǔ)還比較牢固，如果直接進(jìn)行拆除，對(duì)于我國(guó)這樣的發(fā)展中國(guó)家來(lái)講，會(huì)造成經(jīng)濟(jì)上的巨大浪費(fèi)，因此對(duì)這些舊的建筑可以進(jìn)行抗震加固改造等方面的施工，在舊建筑的基礎(chǔ)上增加層數(shù)，已緩解城市用地緊張及對(duì)建筑需求量增長(zhǎng)的需求，這種技術(shù)性的改造是符合我國(guó)發(fā)展的，對(duì)我國(guó)的發(fā)展將起到明顯的促進(jìn)作用。

1 何謂鋼結(jié)構(gòu)躍層加層及其特點(diǎn)

1.1 何謂鋼結(jié)構(gòu)躍層加層技術(shù)

所謂躍層加層指在不觸動(dòng)原有結(jié)構(gòu)物及其基礎(chǔ)的前提下，通過(guò)外側(cè)框架柱的支承并躍過(guò)原有結(jié)構(gòu)物，在其上增加若干層新建筑物的技術(shù)（如圖1所示）。

躍層加層技術(shù)是在不改變房屋原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)加增外套框架而進(jìn)行加層，而不增加原有房屋的負(fù)荷，這樣的技術(shù)適應(yīng)于加層較多的改造。通過(guò)在原有建筑的外層加設(shè)框架，但是框架的荷載是直接作用在地基上的，不但能減輕對(duì)建筑的荷載，還能增強(qiáng)建筑的強(qiáng)度。這種方法比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用，不會(huì)占用太多的土地，節(jié)省成本，并且能縮短工期，在現(xiàn)有的城市建筑比較密集的情況下比較適合，并且這種技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)實(shí)中有所應(yīng)用。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)躍層加層技術(shù)的特點(diǎn)

目前我國(guó)加層改造的工程實(shí)例較多，在這些例子當(dāng)中，出于對(duì)結(jié)構(gòu)自身重量、抗震性能及施工方面的考慮，其結(jié)構(gòu)體系大多采用鋼結(jié)構(gòu)體系，鋼結(jié)構(gòu)體系的諸多優(yōu)點(diǎn)也確實(shí)適用于直接加層改造工程，但現(xiàn)在的躍層加層技術(shù)是否也適用于鋼結(jié)構(gòu)體系？答案是肯定的，因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)體系具有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，下面對(duì)鋼結(jié)構(gòu)體系在躍層加層中應(yīng)用所具有的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析：

1.2.1 重量輕。鋼結(jié)構(gòu)相比于其他的建筑材料，重量上比較輕，對(duì)建筑進(jìn)行加層之后，不會(huì)增加建筑的荷載，同時(shí)還承擔(dān)了一部分上部結(jié)構(gòu)對(duì)建筑產(chǎn)生的作用力，減輕了地基的荷載。

1.2.2 良好的抗震性能。因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)本身具有很強(qiáng)的彈塑性，在遇到強(qiáng)烈震動(dòng)的情況下，可以吸收很大的能量，減輕震動(dòng)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成的傷害，增強(qiáng)了建筑的抗震性能。

1.2.3 施工方便。利用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工，操作安裝工藝比較簡(jiǎn)單，只需要在廠家將鋼結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)造做出，然后在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝即可。在操作的過(guò)程中，不需要進(jìn)行腳手架的安裝也不需要大面積施工場(chǎng)地，操作手段簡(jiǎn)單。鋼結(jié)構(gòu)加層不會(huì)受到原有建筑平面的限制，并且工期短，能夠在短時(shí)間內(nèi)創(chuàng)造出巨大的效益。

1.2.4 鋼結(jié)構(gòu)躍層施工時(shí)，可以對(duì)新老建筑的外層統(tǒng)一裝修，增強(qiáng)建筑的美觀性，施工簡(jiǎn)便的方式將會(huì)在建筑市場(chǎng)中具有更加廣闊的空間。

2 工程實(shí)例設(shè)計(jì)分析

2.1 工程概況

某建筑是在五十年代建成的內(nèi)廊式多層磚混結(jié)構(gòu)房屋。房屋共5層，總長(zhǎng)77m，寬12·86m，高17·48m。建造時(shí)未考慮8度抗震，經(jīng)過(guò)40多年的使用，現(xiàn)需要進(jìn)行抗震加固。甲方與開(kāi)發(fā)商計(jì)劃在對(duì)原結(jié)構(gòu)抗震加固的基礎(chǔ)上，在其上增加5層鋼結(jié)構(gòu)框架，層高3·6m，柱距6·6m，共13榀。鋼框架跨度13·76m，首層高18·03m，總高度為36·03m。焊接H型鋼梁、柱，縱橫向剛接，采用Q345鋼材。各節(jié)點(diǎn)全部采用焊接，樓板采用壓型鋼板組合樓蓋。該地區(qū)基本風(fēng)壓0·45kN/m2，樓蓋恒載3·5kN/m2，房間活荷載2·0kN/m2，走廊活荷載2·5kN/m2，屋面活荷載0·5kN/m2，外墻體自重1·0kN/m2，內(nèi)墻體自重0·3kN/m2；Ⅱ類場(chǎng)地，8度抗震設(shè)防；剛架柱與基礎(chǔ)為剛接。

2.2 工程計(jì)算分析

2.2.1 本工程亦利用有限元分析軟件Ansys完成，計(jì)算模型為平面結(jié)構(gòu)。

2.2.2 分別采用分離式和整體式外套框架躍層加層結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算并加以比較。本文計(jì)算暫時(shí)未考慮外套框架與舊房橫墻共同工作的潛在作用，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2。

按《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ99-98）有關(guān)規(guī)定取以下三種工況組合：

工況一：1·2恒荷載+1·4活荷載

工況二：1·2恒荷載+1·4×0·85（活荷載+風(fēng)荷載）

工況三：1·2自重+1·3地震作用

2.3 計(jì)算結(jié)果

通過(guò)計(jì)算分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）由于本工程躍層層數(shù)較高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是由剛度和穩(wěn)定性起控制作用。

（2）整體式躍層加層方案通過(guò)系梁的連接雖然加強(qiáng)了底層框架的整體剛度，減小了框架梁、柱的截面尺寸，但是由于框架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)同橫梁的線剛度之和與柱子的線剛度之和的比值有關(guān)，因此，為了確保框架柱的穩(wěn)定性，就必定要提高橫梁的線剛度，造成系梁截面尺寸過(guò)大，用鋼量反而比分離式躍層加層方案用鋼量高，但它有一個(gè)好處就是可以和舊房的加固改造結(jié)合起來(lái)，提高舊房的抗側(cè)移能力。

2.4 基礎(chǔ)方案選擇

鑒于新增層數(shù)較多，建議采用分離式基礎(chǔ)，施工場(chǎng)所狹窄，打樁施工工作面欠小，因此，決定采用錨桿靜壓技術(shù)進(jìn)行樁基施工。

3 結(jié)論

通過(guò)以上在鋼結(jié)構(gòu)躍層加層技術(shù)的分析及實(shí)例可以看出，在原結(jié)構(gòu)上加少量層數(shù)時(shí)，這時(shí)的結(jié)構(gòu)主要是由強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行控制，用鋼量具有很好的性價(jià)比；當(dāng)躍層層數(shù)較高時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起主要控制作用的則時(shí)剛度和穩(wěn)定性，這時(shí)用鋼量則不合理。因此在對(duì)躍層加層進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮原結(jié)構(gòu)層數(shù)和加層的層數(shù)，只有層數(shù)達(dá)到一個(gè)最佳點(diǎn)時(shí)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者才能做到一個(gè)最優(yōu)化的方案。

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