某框架結(jié)構(gòu)辦公樓鋼結(jié)構(gòu)加層設(shè)計

荀士佐，楊 武

1.中國建筑科學研究院，北京 100013

2.北方-漢沙楊建筑工程設(shè)計有限公司，北京 100089

1 工程概況

如圖1 所示，某三層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)辦公樓（②-⑧/B-L 軸），基礎(chǔ)形式為鋼筋混凝土獨基，各層樓板均為預(yù)應(yīng)力空心樓板，梁柱均為現(xiàn)澆。工程在2000 竣工并投入使用，經(jīng)過專業(yè)機構(gòu)檢測，結(jié)構(gòu)安全。

因為單位擴編，原建筑房間數(shù)量不夠，需要在原建筑上加層，方案為直接在③-⑧/B-L 軸部位增加二層鋼結(jié)構(gòu)，使建筑的層數(shù)由三層變成五層，增設(shè)的樓板改為鋼筋混凝土的樓板，建筑的屋面采用130mm 的彩鋼板，加層部分的外墻裝飾選擇玻璃幕墻。

圖1 標準層平面圖

2 結(jié)構(gòu)分析

由于該辦公樓的加層采用鋼結(jié)構(gòu)，所以建立模型和具體的節(jié)點設(shè)計采用鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計軟件-STS，同時采用有限元分析軟件SATWE 進行結(jié)構(gòu)的驗算和分析。承受的荷載嚴格按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009--2012)進行取值。當?shù)氐膱龅仡悇e按照規(guī)范取III 類，設(shè)計的地震分組是第一組，當?shù)氐目拐鹪O(shè)防烈度查規(guī)范為6 度，基本加速度是0.5g，建筑的抗震設(shè)防類別是丙類。對于舊有建筑的加層設(shè)計，除了要對建筑的承載能力和正常使用極限狀態(tài)進行設(shè)計以外，還必須要考慮地基和基礎(chǔ)的強度是否滿足規(guī)范的要求。

2.1 建模計算的簡化

建立模型：

1）對于原有建筑的1-3 層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)必須按照實際的使用情況進行布置，包括現(xiàn)有的各種荷載，加層部分則按照鋼框架結(jié)構(gòu)建模，填充墻不用考慮；

2）由于樓梯的剛度很小，在進行加層設(shè)計的時候，沒有考慮樓梯間的剛度，建模的時候按照假定的厚度等于零的樓板上去布置樓梯的荷載；

3）對于原有建筑和鋼結(jié)構(gòu)的連接問題，由于原來的屋頂處的鋼筋混凝土的柱子頂部配筋很密，采用植筋這種通行的做法比較困難，考慮實際情況，采用了鋼結(jié)構(gòu)柱子下部鉸接在原混凝土柱子上。對于鋼結(jié)構(gòu)部分，鋼柱和鋼梁之間采用剛接的方式，鋼主梁和鋼次梁之間采用鉸接的的方式；

4）鋼結(jié)構(gòu)加層的地震驗算，還是采用底部剪力放大計算法。

2.2 鋼結(jié)構(gòu)的計算

由于本設(shè)計是在舊建筑的構(gòu)件上直接加層，而舊建筑是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，加層是鋼結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致最終結(jié)構(gòu)體系會出現(xiàn)變化，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的自重和剛度比上部的鋼結(jié)構(gòu)大很多，最終的結(jié)構(gòu)是混合結(jié)構(gòu)的體系，上柔下剛，連接處出現(xiàn)了剛度的變化，為了解決這一問題，在結(jié)構(gòu)的兩端必須增設(shè)一定的柱間支撐，目的是增加整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

如前所述，采用底部剪力系數(shù)放大法計算鋼結(jié)構(gòu)加層部分的地震效應(yīng)和風荷載效應(yīng)。鋼結(jié)構(gòu)和下部的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度變化很大，上柔下剛，所以在軟件中發(fā)現(xiàn)高階陣型對于鋼結(jié)構(gòu)的影響很大，會導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之間的振動周期不一樣，鋼結(jié)構(gòu)的振動加速度會大于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。導(dǎo)致出現(xiàn)了很明顯的鞭梢效應(yīng)。如果按照底部剪力法對抗震進行驗算，其要求各個樓層按照一個自由度設(shè)計，但是假設(shè)的直線振型往往會忽略高階振型的影響因素，本結(jié)構(gòu)上下部分的質(zhì)量和剛度變化很大，必須要考慮高階振型的影響，所以按照底部剪力法進行驗算的時候必須要乘以一個動力放大系數(shù)。這樣符合實際情況，能夠很好的滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求。

3 新舊結(jié)構(gòu)之間的連接

3.1 混凝土框架柱與鋼柱的連接

對于本工程而言，鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)之間的連接，設(shè)計的關(guān)鍵問題是原有結(jié)構(gòu)柱子和新加層的鋼柱之間的連接，為了保證結(jié)構(gòu)的安全，連接必須穩(wěn)定，才能保證傳力。

鋼結(jié)構(gòu)加層部分的柱子、梁、和支撐全部都是強度是Q345 的H 型鋼，如前所述，加層鋼結(jié)構(gòu)中的鋼柱與下部鋼筋混凝土框架柱之間是采用鉸接的形式，這樣，柱腳部分受力合理，只承受軸心力和水平剪力。水平方向的剪力是靠底板與混凝土基礎(chǔ)之間的摩阻力提供。本工程在鋼柱底部設(shè)置了墊板和加勁肋，通過植筋的方式與鋼筋混凝土柱頂連接。如圖2 所示。

圖2 柱腳節(jié)點

3.2 樓板與鋼梁的連接

本結(jié)構(gòu)中樓板與鋼梁的連接相對比較簡單，不用按照組合梁的方式連接，只需要做構(gòu)造連接，不用設(shè)抗剪鍵，樓板與鋼梁之間依靠平頭焊接錨栓連接

本工程中混凝土板與鋼梁的連接不考慮組合梁的作用，僅做構(gòu)造連接，不需要設(shè)置抗剪鍵，混凝土板與鋼梁連接節(jié)點用平頭焊接錨栓連接。

4 結(jié)論

本工程對框架結(jié)構(gòu)進行加層的設(shè)計，得出了重要的結(jié)論。新舊結(jié)構(gòu)之間的連接方式是其設(shè)計中必須要注意的重點，通過可靠的構(gòu)造措施，來保證新舊構(gòu)件之間的連接，使其能夠共同工作，同時在施工的過程中，必須嚴格控制施工的質(zhì)量，保證結(jié)構(gòu)的安全。

加層鋼結(jié)構(gòu)與原有混凝土結(jié)構(gòu)的剛度相差較大，須重點考慮地震作用效應(yīng)的影響，加強支撐體系。在既有結(jié)構(gòu)加層中，應(yīng)注意結(jié)構(gòu)受力體系的改變，加層后的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算簡圖必須與實際結(jié)構(gòu)及構(gòu)造相符，應(yīng)有明確的傳力路線、合理的計算方法和可靠的構(gòu)造措施。

加層設(shè)計中要盡量減少對原有建筑物結(jié)構(gòu)、裝飾的破環(huán)。設(shè)計需要與施工密切配合，根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整設(shè)計。同時要注意采用合理的施工技術(shù)，加強現(xiàn)場安全文明施工管理，以達到最大程度的保護原結(jié)構(gòu)。

鋼結(jié)構(gòu)加層施工，無需腳手架及大面積施工場地，在鋼構(gòu)件加工廠制作，現(xiàn)場進行拼接安裝，施工比較方便。

[1]朱炳寅.建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計問答及分析.中國建筑工業(yè)出版社，2009，1.

[2]胡國璽.淺議輕鋼結(jié)構(gòu)加層中的若干問題.山西建筑，2007，10.

[3]李錦普.多高層混凝土結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)加層設(shè)計與施工問題的研究.建筑技術(shù)，2011，10.