老舊房屋屋頂加設(shè)大型水箱的結(jié)構(gòu)性能研究

于永修

摘 要：一些老舊房屋由于使用功能提高，后期加設(shè)大型水箱，水箱重幾噸到十幾噸，這么重的水箱對(duì)30年樓齡的老舊房屋將產(chǎn)生不小的荷載。這些荷載對(duì)房屋的結(jié)構(gòu)安全是否會(huì)造成影響，梁、板、柱、基礎(chǔ)是否安全，文章以真實(shí)工程分析大型水箱對(duì)老舊房屋的結(jié)構(gòu)性能影響。

關(guān)鍵詞：老舊房屋；大型水箱；結(jié)構(gòu)性能

在我國(guó)20世紀(jì)七八十年代城市規(guī)模無(wú)規(guī)劃發(fā)展，一些醫(yī)院、學(xué)校等單位建了很多樓房，且沒(méi)有正規(guī)的規(guī)劃批建，容積率很高。后來(lái)隨著城市的不斷發(fā)展，規(guī)劃報(bào)批規(guī)范，容積率不能超過(guò)規(guī)定的要求，一些單位的老舊房屋即使使用功能、結(jié)構(gòu)安全等不能滿足現(xiàn)代的需要，也不能重建，因?yàn)橐坏┎鸪?，由于原有容積率太高也不能被批建，因此現(xiàn)在很多老舊房屋有加固、重裝修、增加使用功能等需求。在學(xué)校、醫(yī)院等宿舍因熱水需求的加大，會(huì)在屋頂增加較多較大的水箱，如圖1，一個(gè)水箱一般5-10噸重，一棟7層樓的宿舍一般需增加7-8個(gè)水箱，這么多的水箱對(duì)30年樓齡的老舊房屋將產(chǎn)生不小的荷載，這些荷載對(duì)房屋的結(jié)構(gòu)安全是否會(huì)造成影響，本文以真實(shí)工程分析大型水箱對(duì)老舊房屋屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)性能影響。

一、工程介紹

本工程為廣州某高校于1994年建設(shè)的一棟學(xué)生宿舍樓，共7層，層高3m，框架結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)層平面圖如圖2，因增加熱水供應(yīng)及消防供水需在屋頂增設(shè)總計(jì)50多噸重的水箱。

二、設(shè)計(jì)方案

本工程有兩排縱向柱，每一排橫向框架帶兩邊懸挑梁，分別挑出陽(yáng)臺(tái)和洗手間，由于洗手間荷載比陽(yáng)臺(tái)大，故將水箱安排在靠近陽(yáng)臺(tái)一側(cè)的柱，如圖3。

水箱重心盡量靠近柱，減少對(duì)梁板的影響，特別是懸挑梁的影響。水箱噸位選擇，柱尺寸400X500，C30混凝土由于碳化降低一級(jí)取C25，由于柱軸壓比為0.8，比三級(jí)框架柱軸壓比限制值0.85小0.05，故取小于0.05倍軸壓比的噸位，， 6個(gè)熱水水箱每個(gè)重為7噸，2個(gè)消防水箱8噸，水箱下安裝鋼架，使水箱荷載作用在每根梁距支座1/6處。

三、結(jié)構(gòu)性能分析

應(yīng)用SATWE軟件對(duì)沒(méi)有水箱荷載和有水箱荷載分別建模分析，就多種結(jié)構(gòu)方案的軸壓比、框架梁的彎矩和剪力、懸挑梁的彎矩和剪力、梁的配筋量分別進(jìn)行分析，得出加設(shè)水箱產(chǎn)生的荷載對(duì)房屋的影響，為實(shí)際工程提供參考。

（一）柱軸壓比的影響

由于水箱的重心較接近柱的位置，因此水箱對(duì)柱的影響主要是軸壓比的影響，通過(guò)兩種情況建模分析，無(wú)水箱時(shí)柱的軸壓比為0.8，有水箱時(shí)柱的軸壓比為0.84，滿足三級(jí)框架柱軸壓比小于0.85的要求。

（二）框架梁內(nèi)力及配筋的影響

與一根柱相連有四根梁：一根橫向框架梁、兩根縱向框架梁、一根懸挑梁，如圖4，分別對(duì)橫向框架梁、縱向框架梁、懸挑梁進(jìn)行對(duì)比分析。如表1：

通過(guò)表1數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論：（1）由于縱向框架梁較短，水箱荷載作用點(diǎn)距跨中較近，而且縱向框架梁兩點(diǎn)均作用水箱荷載，所產(chǎn)生的彎矩增量較大，增大1倍，剪力增加77%，說(shuō)明水箱荷載對(duì)框架梁的內(nèi)力影響很大。（2）懸挑梁的彎矩增大20%，剪力增大34%，說(shuō)明水箱荷載對(duì)懸挑梁的內(nèi)力影響很大。（3）從配筋量來(lái)說(shuō)，由于梁的尺寸為200X500，頂層梁的內(nèi)力較小，所以對(duì)于框架梁來(lái)說(shuō)有無(wú)水箱荷載均取構(gòu)造配筋，配筋量不變；對(duì)于懸挑梁由于荷載較大，已經(jīng)按計(jì)算配筋，所以所配筋量也應(yīng)相應(yīng)增大。

工程建議，增設(shè)的水箱荷載對(duì)梁的內(nèi)力影響很大，應(yīng)核對(duì)梁的配筋量，對(duì)于頂層框架梁一般為構(gòu)造配筋，水箱荷載一般不會(huì)影響梁的配筋量，而對(duì)于懸挑梁一般會(huì)影響梁的配筋量，因此工程中應(yīng)避免懸挑梁承受增加的水箱荷載。

（三）柱內(nèi)力及配筋的影響

頂層柱內(nèi)力無(wú)水箱時(shí)N=-242.4KN，M=-1.8KN·m，單側(cè)縱筋面積為7cm2，箍筋面積為1cm2。有水箱時(shí)N=-325.4KN，M=-1.8KN·m，單側(cè)縱筋面積為7cm2，箍筋面積為1cm2。頂層柱軸力增加80KN，彎矩?zé)o影響，配筋量無(wú)影響。

底層柱內(nèi)力無(wú)水箱時(shí)N=-2060KN，M=124KN·m，單側(cè)縱筋面積為9cm2，箍筋面積為2.6cm2。有水箱時(shí)N=-2150KN，M=124.3KN·m，單側(cè)縱筋面積為11cm2，箍筋面積為3.1cm2。頂層柱軸力增加90KN，彎矩?zé)o影響，縱筋配筋量增加22.2%，箍筋筋量增加19.3%。

工程建議，增設(shè)水箱荷載對(duì)柱的軸力增加，由于底層柱為小偏壓柱，增加軸力對(duì)底層柱的配筋量有明顯影響，工程中應(yīng)核對(duì)底層柱縱筋和箍筋的配筋量。

（四）基礎(chǔ)的影響

由于水箱噸位取柱軸向承載力的5%，因此增設(shè)的水箱荷載使基底壓力增大5%，一般基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的安全系數(shù)不小于20%，因此基礎(chǔ)可以不需核對(duì)承載力。

四、結(jié)語(yǔ)

在老舊房屋屋頂增設(shè)大型水箱一般可按照不大于柱0.05倍軸向承載力選取水箱噸位，并為水箱設(shè)計(jì)鋼架支承，水箱荷載一般宜集中在柱中心，但不可使懸臂梁承受增加的水箱荷載。

水箱荷載一般對(duì)梁的內(nèi)力會(huì)有較大影響，應(yīng)核對(duì)梁的配筋，但由于頂層梁內(nèi)力較小，一般是構(gòu)造配筋，所以水箱荷載一般不會(huì)影響梁的配筋。

水箱荷載會(huì)增加柱的軸力，彎矩基本沒(méi)有影響。由于頂層柱一般為大偏心受壓柱，增加壓力不會(huì)產(chǎn)生不利配筋，因此水箱荷載對(duì)頂層柱承載力一般不會(huì)有影響，而底層柱為小偏心受壓柱，增加壓力會(huì)產(chǎn)生不利配筋，因此應(yīng)核對(duì)水箱荷載對(duì)底層柱承載力的影響。由于選取水箱荷載不超柱軸向承載力的5%，因此對(duì)基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)一般是安全的。

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