【建筑材料论文】既有建筑轻钢增层结构的设计与应用

摘要：钢结构加层是目前逐步被推广的一种房屋增层与改造形式，在技术、经济以及安全性等方面较混凝土结构具有明显的优点。本文介绍了轻钢增层结构的研究现状和发展优势，并对既有建筑轻钢增层结构的设计与应用提出了自己的看法。

　　　关键词：既有建筑 加层改造 抗震性能 计算模型

　　既有建筑加层改造在我国的发展及应用

　　　国内对既有房屋的加层改造的研究的是比较早的，其中具有代表性的既有建筑加层改造工程为1915年的上海工艺美术品服务部的旧建筑改建，该改造项目工程是我国对既有建筑进行加层改造最早的工程之一，也是既有建筑加层改造工程加层层数最多的建筑物之一[1]。它把最初的二层钢筋混凝土框架结构，陆续进行了三次加层改造，逐步加层到四层，五层，六层的新建筑结构，大概在1949年以前全面完成加层改造任务。该工程的实践为我国在加层改造方面的理论研究和工程实践工作和我国以后的加层改造工程留下了宝贵的实践经验和技术资料[2,3]。此后，我国的房屋加层改造技术发展就非常缓慢了，一直到上世纪70年代我国的房屋加层改造技术才迅速发展起来，全国各地都纷纷展开加层改造的实践。既有建筑增层改造后既美观大方、装修考究，又风格新颖、立面错落有致，具有时代感。在全国各地开展的房屋增层工程实践中，出现了一批杰出的、有代表性的、建筑设计和结构设计独具匠心的工程，其中部分加层工程统计见表 1.1，

表1.1 部分加层工程实例

序号 工程名称 原建筑 加层建筑

1 保定市电力学校综合楼 4 层砖混 1层门式刚架结构

2 北京京西宾馆 2 层框架 1层钢框架

3 新乡百货大厦 4层 4层组合网架架

4 郑州黄金大厦局部楼层 3层框架 3层钢框架

5 郑州某大学食堂 2层框架 1层刚框架

6 保定电力学校学生宿舍楼 4 层砖混 1层门式刚架结构

7 华北电力学院教学楼 4 层砖混 1层门式刚架结构

8 哈尔滨海燕大酒店 学生宿舍 星级宾馆酒店

9 北京城建集团总公司办公楼 6层框架 增至12层

10 郑州金博大 7层框架 2层钢框架

11 南京某大学图书馆 7层框架 1层钢框架+1层门市钢架

12 上海徐家汇区精神卫生中心 5层框架 2层轻钢

13 河南荥阳市女子监狱 3层框架 2层钢框架

14 漯河某食品厂 6层框架 3层钢框架

既有建筑轻钢整层结构的优越性

　　　钢结构加层是目前逐步被推广的一种房屋加固与改造形式，在技术、经济以及安全性等方面较混凝土结构具有明显的优点：

　　　(1)钢结构建筑采用先进的设计和加工工艺以及大规模的生产方式，所以可大大地降低造价。同时由于安装简单迅速而节省大量的施工费用，有效地缩短了工期。并使企业或开发商得以更快投产见效，有效地缩短了工期，

　　　(2)钢结构加层形式多样，建筑内部空间宽敞，可以更好地满足建筑上大开间、灵活分隔的要求，又可灵活布设各种工业管线，且可以保持原结构的布置不变，很好的与周围环境相协调。

　　　(3)由于钢构件强度高，构件截面尺寸小，采用钢结构加层可以充分利用空间，使用面积比钢筋混凝土住宅提高约5％～8％，提高了建筑空间利用率，缓解当前住房紧张，充分利用城市空间，有效地保护耕地。

　　　(4)采用钢结构加层在施工期间不影响旧房屋的正常使用，避免了由于施工带来的旧房屋的停止使用，造成的经济损失。

　　　(5)重量轻与传统的钢筋混凝土结构相比，钢结构房屋的重量仅为钢筋混凝土房屋结构的l／2～1／3。且充分利用旧房屋在长期荷载作用下地基承载力的增长值，在地基不需要处理或略微处理的情况下，实现房屋的直接加层，其经济效益十分显著。

　　　(6)采用钢结构加层不需要购置新地，很好地节约了土地面积，大量节省了征地费、拆迁费、减少住户搬迁的安置费。

　　　(7)抗震性能好相对于混凝土结构，钢结构重量轻，且具有很好的延性，能够很好地吸收地震能量，有效地减小了地震力，从而保证了房屋结构的安全。

　　　(8)相对于混凝土结构施工而言，在施工过程中钢结构建筑基本上没有建筑垃圾产生，施工过程中噪音污染微小，对周边居民的生活和工作基本上不产生影响。同时钢结构建筑便于拆卸、回收，可实现重复利用等优点，这些都完全符合国家对建筑环保节能的要求及理念。

　　　所以，采用钢结构加层技术对旧房屋进行加层改造，具有非常好的综合优势，有利于整个社会和国家的可持续发展。从我国的国情讲是必要的，从技术经济方面讲也是可行的，相对于传统的钢筋混凝土结构也是十分优越的。

既有建筑轻钢整层结构在我国的研究概况

　　　随着增层技术在我国房屋增层与改造中的应用，与之相关的技术问题的研究越来越受到工程界的普遍重视。先后成立了“中国老教授协会全国房屋加层改造技术研究委员会”和“中国工程建设标准化协会建筑物鉴定与加固技术标准委员会”等学术团体[4]，使加展改造工程的经验交流、学术研究日益活跃。

　　　国内的相关技术规程规范有：《现有建筑抗震鉴定与加固规程》（DGJ08-81-2000）、《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）、《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）、《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)、《砌体结构设计规范》（GB5003-2011）、《钢结构设计规范》（GB50017-2003）、《混凝土结构加固技术规范》(CECS25:90)、《砖混结构房屋加层技术规范》（CECS78:96）、《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS102:2002)、《建筑结构荷载规范》（GB50017-2003）、《钢结构加固技术规范》（CECS77:96）。

　　　目前我国针对混凝土结构上部加钢结构的代表性研究成果有:

　　　(1)袁文章,何小燕[5,6]以北京某医院的住院楼加层为背景,对钢筋混凝土结构上进行钢结构加层的整体结构的计算方法进行了分析,推导出了整体结构等效阻尼比的公式,并在下部为14层的钢筋混凝土结构,上部为一层钢结构的实际工程中得到了很好的运用。

　　　(2)吕凤伟[7]分析了钢筋混凝土框架结构和钢结构连接节点。对比三类加层连接节点:错栓生根加层节点,焊接生根加层节点,增大截面生根加层节点。通过拟静力试验和低周反复试验，,提出了适用于混凝土框架结构体系的钢框架加层的加层节点、抗震评估和设计方法。

　　　(3)王小平、李孝钰等[8,9]运用能量法推导出轻钢增层房屋不同振型的阻尼比的计算公式及其地震反应谱的修正方法，工程实例计算分析表明，增层部分阻尼的影响使其所受的水平地震剪力增大，因而在增层房屋进行抗震计算时，阻尼的修正是很必要的。在原结构不变的情况下，增层部分层数愈多，则整个增层房屋的阻尼比越小，增层部分底部所受水平地震剪力越大。

　　　(4)张 涛,王元清,石永久,麻建锁[10]采用有限元软件ANSYS,对某四层钢筋混凝土框架结构办公楼顶部加两层纯钢框架的抗震性能进行反应谱分析。计算表明,由于加层后结构周期加长,整体框架的底层层剪力变化较小。而且加层设计的同时应进行抗震加固验算,并结合实际工程的需要进行整体结构的耗能减震设计。

　　　(5)王元清,宋 锋,石永久,钱晓键[11]通过建立空间三维有限元模型分析了采用隔震技术的跃层加层框架的动力特性,并用时程分析法对隔震结构及其相应的非隔震结构进行了地震反应分析,得出：铅芯橡胶隔震支座能够明显地减小结构的地震反应。橡胶隔震垫的水平刚度和阻尼对结构地震响应的影响较大。

　　　(6)宋建学，程河山，王非[12]以工程实例为背景，研究了一个4层钢筋混凝土框架的顶部增加了不同层数的钢框架后，结构抗震性能指标的变化规律，结果表明，加层越多，底层层间剪力值反而越小，这一规律可以为被动抗震设计提供一种新思路。

我国轻钢增层结构进一步研究的问题

　　　建筑轻钢结构增层在国内逐渐获得广泛的应用，显示出很好的技术经济效益和社会效益。但目前设计方法也不够完善，对其进一步发展还存在一些问题，在房屋钢结构加层技术的研究中主要表现在着如下关键问题：

　　　国内外对钢结构加层结构的破坏机理、抗震性能、抗震薄弱环节等还缺乏深入的研究。对这种由混凝土结构和钢结构所组成的混合结构的破坏机理、抗震性等都还缺乏深入的理论研究，仅靠一些相关行业标准，没有一套统一的标准。

　　　(2)由于钢结构和混凝土结构两种结构的阻尼比不同，在实际工程设计中阻尼比如何取，还缺乏一定的研究。不同的设计人员取值不同，取值比较混乱，没有一个统一的规定。因此就这种混合结构的阻尼比如何取值还有待于深入研究。

　　　(3)钢结构加层后如何能保证混凝土结构和钢结构协同工作也有待于更进一步研究。

　　　为促进轻钢增层结构进一步的发展，还需要加大对其研究的投入，采用钢结构加层后整个混合结构的整体质量、刚度、周期、阻尼比等都发生较大的变化，应该对整个混合结构的整体抗震性能进行分析，最后总结出规律。

结论

　　　加层改造是一项既符合我国国情又适合现有经济技术条件的技术手段。由于在加层中要尽量减少对下部建筑物和地基的影响,钢结构加层作为一项新型的加层技术越来越受到工程界的青睐。但由于目前我国对这种新型结构的工作性质、破坏机理等关键技术问题研究还不透彻，理论研究远远落后于工程应用，因此必须大力加大对其研究的投入。

参考文献

[1] 田慧.钢筋混凝土框架顶钢结构加层抗震分析[D].[硕士学位论文].天津：天津 大学,2007

[2] 王晓呜．国外城市技术管理的发展IJ]．住宅科技，1990，(3)：18～20

[3] 李伟．既有房屋加层改造的技术经济分析[D]．西安：西安建筑科技大学，2004

[4] 骆甜.轻钢加层结构的地震分析与研究[D].[硕士学位论文].合肥:合肥工业大 学,2007

[5] 袁文章,何小燕.北京某医院住院楼钢结构增层设计[J].山西建筑,2008, 34 ( 8):103 ～104

[6] 程河山.既有钢筋混凝土框架顶部钢结构加层体系受力分析[D].[硕士学位论 文].郑州:郑州大学,2009

[7] 吕凤伟.混凝土框架顶部钢结构加层连接节点抗震性能试验研究[D].[博士学 位论文].南京:东南大学,2009

[8] 王小平，李孝钰等.阻尼对加层房屋抗震反应的影响与修正.武汉工业大学 学报，1996，18(3)：98-100.

[9] 王维.建筑轻钢增层结构与既有结构共同作用分析[D].[硕士位论文].西安：西 安科技大学,2008

[10] 张 涛,王元清,石永久,麻建锁.钢筋混凝土框架顶部钢结构加层的抗震性能 反应谱分析[J].工程抗震与加固，2006,28(3)

[11] 王元清,宋锋,石永久.钱晓键.基础隔震钢结构跃层加层体系地震反应分析[J]. 工程抗震与加固改造.2005,27(3): 55～58

[12] 宋建学，程河山，王非.钢筋混凝土框架顶部钢结构加层层数对结构抗震性 能影响研究.世界地震工程.2013,29(4)