老舊房屋屋頂加設大型水箱的結構性能研究

于永修

摘 要：一些老舊房屋由于使用功能提高，后期加設大型水箱，水箱重幾噸到十幾噸，這么重的水箱對30年樓齡的老舊房屋將產生不小的荷載。這些荷載對房屋的結構安全是否會造成影響，梁、板、柱、基礎是否安全，文章以真實工程分析大型水箱對老舊房屋的結構性能影響。

關鍵詞：老舊房屋；大型水箱；結構性能

在我國20世紀七八十年代城市規模無規劃發展，一些醫院、學校等單位建了很多樓房，且沒有正規的規劃批建，容積率很高。后來隨著城市的不斷發展，規劃報批規范，容積率不能超過規定的要求，一些單位的老舊房屋即使使用功能、結構安全等不能滿足現代的需要，也不能重建，因為一旦拆除，由于原有容積率太高也不能被批建，因此現在很多老舊房屋有加固、重裝修、增加使用功能等需求。在學校、醫院等宿舍因熱水需求的加大，會在屋頂增加較多較大的水箱，如圖1，一個水箱一般5-10噸重，一棟7層樓的宿舍一般需增加7-8個水箱，這么多的水箱對30年樓齡的老舊房屋將產生不小的荷載，這些荷載對房屋的結構安全是否會造成影響，本文以真實工程分析大型水箱對老舊房屋屋頂的結構性能影響。

一、工程介紹

本工程為廣州某高校于1994年建設的一棟學生宿舍樓，共7層，層高3m，框架結構，標準層平面圖如圖2，因增加熱水供應及消防供水需在屋頂增設總計50多噸重的水箱。

二、設計方案

本工程有兩排縱向柱，每一排橫向框架帶兩邊懸挑梁，分別挑出陽臺和洗手間，由于洗手間荷載比陽臺大，故將水箱安排在靠近陽臺一側的柱，如圖3。

水箱重心盡量靠近柱，減少對梁板的影響，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取C25，由于柱軸壓比為0.8，比三級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個熱水水箱每個重為7噸，2個消防水箱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、結構性能分析

應用SATWE軟件對沒有水箱荷載和有水箱荷載分別建模分析，就多種結構方案的軸壓比、框架梁的彎矩和剪力、懸挑梁的彎矩和剪力、梁的配筋量分別進行分析，得出加設水箱產生的荷載對房屋的影響，為實際工程提供參考。

（一）柱軸壓比的影響

由于水箱的重心較接近柱的位置，因此水箱對柱的影響主要是軸壓比的影響，通過兩種情況建模分析，無水箱時柱的軸壓比為0.8，有水箱時柱的軸壓比為0.84，滿足三級框架柱軸壓比小于0.85的要求。

（二）框架梁內力及配筋的影響

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，分別對橫向框架梁、縱向框架梁、懸挑梁進行對比分析。如表1：

通過表1數據可以得到以下結論：（1）由于縱向框架梁較短，水箱荷載作用點距跨中較近，而且縱向框架梁兩點均作用水箱荷載，所產生的彎矩增量較大，增大1倍，剪力增加77%，說明水箱荷載對框架梁的內力影響很大。（2）懸挑梁的彎矩增大20%，剪力增大34%，說明水箱荷載對懸挑梁的內力影響很大。（3）從配筋量來說，由于梁的尺寸為200X500，頂層梁的內力較小，所以對于框架梁來說有無水箱荷載均取構造配筋，配筋量不變；對于懸挑梁由于荷載較大，已經按計算配筋，所以所配筋量也應相應增大。

工程建議，增設的水箱荷載對梁的內力影響很大，應核對梁的配筋量，對于頂層框架梁一般為構造配筋，水箱荷載一般不會影響梁的配筋量，而對于懸挑梁一般會影響梁的配筋量，因此工程中應避免懸挑梁承受增加的水箱荷載。

（三）柱內力及配筋的影響

頂層柱內力無水箱時N=-242.4KN，M=-1.8KN·m，單側縱筋面積為7cm2，箍筋面積為1cm2。有水箱時N=-325.4KN，M=-1.8KN·m，單側縱筋面積為7cm2，箍筋面積為1cm2。頂層柱軸力增加80KN，彎矩無影響，配筋量無影響。

底層柱內力無水箱時N=-2060KN，M=124KN·m，單側縱筋面積為9cm2，箍筋面積為2.6cm2。有水箱時N=-2150KN，M=124.3KN·m，單側縱筋面積為11cm2，箍筋面積為3.1cm2。頂層柱軸力增加90KN，彎矩無影響，縱筋配筋量增加22.2%，箍筋筋量增加19.3%。

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

（四）基礎的影響

由于水箱噸位取柱軸向承載力的5%，因此增設的水箱荷載使基底壓力增大5%，一般基礎設計的安全系數不小于20%，因此基礎可以不需核對承載力。

四、結語

在老舊房屋屋頂增設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，并為水箱設計鋼架支承，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。

水箱荷載一般對梁的內力會有較大影響，應核對梁的配筋，但由于頂層梁內力較小，一般是構造配筋，所以水箱荷載一般不會影響梁的配筋。

水箱荷載會增加柱的軸力，彎矩基本沒有影響。由于頂層柱一般為大偏心受壓柱，增加壓力不會產生不利配筋，因此水箱荷載對頂層柱承載力一般不會有影響，而底層柱為小偏心受壓柱，增加壓力會產生不利配筋，因此應核對水箱荷載對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%，因此對基礎來說一般是安全的。

參考文獻：

[1]梅全亭，王建國.舊房加層中地基基礎的設計與施工技術[A].重慶巖石力學與工程學會第一屆學術討論會，1992.

[2]曾鐵梅，袁海慶.淺談外套式框架舊房加層改造中的應用[A].第十屆全國結構工程學術會議論文集第Ⅲ卷，2001：512-514.

[3]陳繼紅.淺談屋頂水箱設置[J].工程與建設，2000，（04）：35-36.

[4]孫建平.屋頂水箱設計探討[J].當代建設，2000，（06）：23.