既有建筑頂部鋼結構加層的結構設計與抗震性能分析

（甘肅省慶陽市建筑設計院， 甘肅 慶陽 745000）

1 鋼結構加層的重要作用

在社會經濟快速發展下，我國鋼結構產業的發展得到了有力的推動，因此，房屋加固加層行業也逐漸發展起來[1]。所謂房屋加固加層就是對既有的房屋進行加固改造加層，如圖 1所示。在改革開放以前，我國大部分房屋都是低層建筑，這些建筑的抗震設防等級都比較低，這不僅對人們的生活造成了一定的安全隱患，同時這些既有的建筑也無法滿足社會發展需求。因此，對于已有的建筑物進行加層加固改造是完善建筑功能的一種重要途徑。房屋加層改造技術不僅可以有效緩解城市建設用地緊張的問題，同時也能提高既有建筑的安全性和穩定性。比如通過房屋鋼結構加層改造，可以有效增加土地面積使用率，緩解當前城市土地資源緊缺的局面。另外，鋼結構加層可以充分利用已有的建筑設施進行施工，這樣一來又可以在很大程度上節省城市配套設施費、拆遷費等。通過對建筑進行鋼結構加層，還可以把原有的簡易并具有安全隱患的建筑改造成現代化標準建筑，不僅提高了既有建筑的安全性和可靠性，同時也能使原來的舊房屋煥然一新。

圖1 鋼結構施工圖

2 鋼結構加層的不同方案分析

不同的建筑根據不同的需求需要選擇不同的鋼結構加層方案，要想保證建筑物的質量和可靠性，就必須合理選擇鋼結構的加層方式。很多施工單位在房屋增層中主要是根據施工經驗選擇加層形式，然而這就會使鋼結構加層施工缺乏可行性、嚴謹性、科學性，有時候如果選擇了錯誤的加層形式，就會嚴重影響到建筑的質量和安全性。目前我國房屋鋼結構加層主要有3種加層方案，即直接加層法、改變荷載傳遞加層法、外套結構加層法。（1）直接加層法就是在不改變建筑既有的結構模式下，直接在頂部進行鋼結構加層[2]。這種鋼結構加層方法施工簡單，但并不適合原有建筑物基礎承載力較差的建筑。（2）改變荷載傳遞加層法就是通過適當的改變房屋平面布置以及荷載傳遞途徑的一種加層方案。由于需要對房屋平面進行一定的調整，所以這種鋼結構加層方法具有一定的復雜性和專業性。外套結構加層法是使新建加層建筑與原有的房屋不存在承重關系，新增加層荷載通過外套結構直接傳給原有結構基礎的一種加層方法。對于結構承重以及適用要求需要改變的建筑，就可以采用這種加層方案進行鋼結構加層。

3 既有建筑頂部鋼結構加層的結構設計分析

3.1 鋼結構加層結構形式

科學合理的鋼結構加層結構形式對提高鋼結構加層質量以及整體建筑質量而言具有重要的意義。因此，在建筑頂部鋼結構加層施工中，需要根據實際情況確定加層結構形式，合理的鋼結構加層結構形式應保證結構布置規則的統一性，同時還要保證抗側剛度與質量對稱均勻，這樣可以有效減少地震作用下建筑結構的扭轉，進而提高建筑物的抗震性能。對于鋼結構加層數量較多的情況，為了提高加層結構的穩定性和可靠性，可以在豎向位置進行加固，避免出現薄弱層，這樣可以促進加層架構抗側剛度得到提高。當既有建筑為鋼筋混凝土框架結構時，可以采用植筋等形式錨固加層結構的柱腳錨栓，而當既有建筑為磚混結構時，則可以在房屋頂層承重墻上設置上翻梁，以此來達到提高加層結構穩定性的目的。

3.2 柱腳節點設計

在既有建筑頂部鋼結構加層的結構設計中，柱腳節點的設計也是尤為關鍵的內容。柱腳一般分為鉸接和剛接兩種形式，無論哪一種柱腳形式，都會受到來自水平剪力與軸向壓力的影響，因此，這就需要在柱腳節點設計中充分考慮到諸多因素的影響。比如在對柱腳進行設計過程中，應該對錨栓的拉應力與混凝土的壓應力增加進行綜合考慮計算。對于柱腳形式的選擇也需要根據是否傳遞彎矩的原則確定是屬于剛接還是鉸接。

3.3 下部結構加固

建筑頂部鋼結構加層設計具有一定的難度和復雜性，因為，鋼結構加層結構設計需要考慮到既有建筑的實際情況，以及加層后對既有建筑產生的變化和影響。為了更好地保證鋼結構加層的質量和可靠性，就必須要在開始加層前對原來建筑的設計和施工等具體情況進行詳細的分析，同時根據原有建筑的抗震性能鑒定報告對建筑是否需要加固進行決定。一般來說，在對建筑頂部進行鋼結構加層時，都需要對既有建筑進行加固，以此來更好地保證建筑物的抗震性能和可靠性。因此，在既有建筑頂部鋼結構加層的結構設計過程中，設計人員還需要根據實際情況進行下部結構加固設計。首先應計算基礎的承載能力是否滿足上部加層的要求，如果不能滿足，首先應對基礎做加固處理。對于主體結構，如果建筑下部的結構是磚混結構，那么在加層結構設計過程中就需要對原來建筑的承載力進行驗算，進而選擇鋼筋混凝土板墻等加固方式。如果建筑下部的結構為鋼筋混凝土框架結構，那么則可以使用外部粘鋼加固法、預應力加固法等進行下部結構加固。

4 鋼結構加層結構設計中抗震性能分析

（1）對不同的加層層數產生的影響來說，如果建筑層數增加，那么既有建筑物的結構周期和剛度都會發生較大的變化，進而就會對水平地震系數產生影響。對此，就需要在鋼結構加層結構設計過程中，加強對新鋼結構與舊建筑結構整體性的強化，比如通過加固措施來提高鋼結構加層結構的穩定性和牢固性。（2）就有無側移框架形式產生的影響而言，對此可以在鋼結構框架中增設柱間支撐，以此來提高結構層的抗側力性能。由于設計了柱間支撐，層間的位移角變化趨于均勻，這對于提高建筑的抗震性能也具有重要的意義。（3）就不同的阻尼比產生的影響而言，由于鋼結構加層的不同，所以阻尼比也發生了變化，對此就需要在鋼結構加層結構設計過程中，將既有建筑的減震耗能設計與加層架構設計相結合，對加層的結構和側向的剛度進行科學合理的調整，以此來保證建筑的抗震性能。

5 結束語

綜上所述，在既有建筑頂部鋼結構加層的結構設計過程中，為了更好地保證建筑工程的質量和可靠性，就必須對整體建筑結構進行綜合考慮及分析，比如要將鋼結構加層設計與抗震加固進行充分結合，在保證建筑頂部鋼結構加層的質量基礎上，還需要保證整體建筑的抗震性能。在建筑工程建設過程中，不同的結構類型、加層層數對結構整體抗震性能都會產生直接的影響，對此就需要在加層設計過程中綜合考慮這些因素，通過不斷地對設計進行優化和完善，使加層的作用得到充分的發揮，同時也能保證建筑質量。

[1]張濤.既有建筑頂部鋼結構加層的結構設計與抗震性能分析[D].清華大學，2005.

[2]王旭欣.既有建筑頂部鋼結構加層的結構設計[J].建材與裝飾，2016（36）：64-65.