某高層建筑屋頂玻璃陽(yáng)光房結(jié)構(gòu)分析及加固

郭昭勝

1 工程概況

某高層建筑屋頂(標(biāo)高為 98.0 m)局部設(shè)置一玻璃陽(yáng)光房。陽(yáng)光房平面尺寸為寬 6.3m，長(zhǎng) 13m，高 8m，該陽(yáng)光房圍護(hù)、地面及屋面均為中空玻璃，臨街南立面采用鋁合金框和中空玻璃制作，結(jié)構(gòu)采用型鋼鋼架，設(shè)計(jì)使用年限 30年。該玻璃陽(yáng)光房自建成后，業(yè)主發(fā)現(xiàn)陽(yáng)光房鋼結(jié)構(gòu)在遇大風(fēng)時(shí)水平側(cè)移較大已造成陽(yáng)光房中空玻璃裂碎，本文針對(duì)該情況對(duì)陽(yáng)光房現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算分析，并提出加固方案。

2 陽(yáng)光房現(xiàn)有結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

2.1 主框架計(jì)算簡(jiǎn)圖及荷載取值

根據(jù)陽(yáng)光房設(shè)計(jì)施工圖紙與資料，結(jié)合已建陽(yáng)光房的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)于陽(yáng)光房主框架取出以下兩榀分別驗(yàn)算，框架柱頭、柱腳及鋼梁與梁柱處現(xiàn)有的連接措施，只應(yīng)視為鉸接(節(jié)點(diǎn) 3，6，7，8)，框架 1，2簡(jiǎn)圖分別見(jiàn)圖 1，圖 2。

恒荷載按照 GB 50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范的規(guī)定，根據(jù)材料容重分別計(jì)算，屋面及樓面活荷載分別取 0.50 kN/m2和 2.0 kN/m2，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算時(shí)，基本風(fēng)壓取 0.40 kN/m2，并考慮該陽(yáng)光房位于高層建筑頂層位置(標(biāo)高 98.0m)的風(fēng)壓高度系數(shù)?；狙喝?0.35 kN/m2?？紤]到陽(yáng)光房質(zhì)量較輕，地震作用微小，故此處不計(jì)入地震作用。

2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

2.2.1 鋼框架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果

框架 1鋼柱及鋼梁的強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力均不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，鋼柱最大計(jì)算應(yīng)力 3.04，鋼梁最大計(jì)算應(yīng)力為 2.29;框架 2鋼柱及鋼梁的強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)力亦均不能滿足 GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，鋼柱最大計(jì)算應(yīng)力 2.70，鋼梁最大計(jì)算應(yīng)力為 2.10。目前鋼架結(jié)構(gòu)桿件計(jì)算應(yīng)力超過(guò)鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度值的 2倍～3倍，計(jì)算結(jié)果表明現(xiàn)有框架鋼構(gòu)件截面偏小，其中框架 2計(jì)算結(jié)果比框架 1略小，是因?yàn)榭蚣?2中間多一道橫梁，其結(jié)構(gòu)自由度較多，承載能力稍強(qiáng)。

框架 1及框架 2中鋼梁、鋼柱的平面外穩(wěn)定應(yīng)力比及長(zhǎng)細(xì)比可由屋面檁條和立面橫梁給以保證。

框架 1及框架 2頂點(diǎn)在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的作用下，其側(cè)移分別達(dá)到柱高的 1/14(518 mm)和 1/16(469 mm)，該值遠(yuǎn)超過(guò)了 GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的限值(柱高的 1/150)?？紤]到該陽(yáng)光房面層材料均為玻璃，而玻璃對(duì)于變形的抵抗能力較差，因此該限值應(yīng)適當(dāng)提高，從嚴(yán)控制。

2.2.2 柱根錨固驗(yàn)算結(jié)果

依據(jù)計(jì)算結(jié)果，框架 1及框架 2的柱根部軸力不大，不超過(guò)30 kN。鋼柱與屋頂混凝土梁的連接做法為:采用化學(xué)錨栓錨入混凝土梁 150mm～200mm，依據(jù) JGJ 145-2004混凝土結(jié)構(gòu)后錨固規(guī)范表 6.1.4錨栓受拉混凝土錐體破壞承載力標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)錨入深度150mm，基材混凝土強(qiáng)度為 C20時(shí)，承載力標(biāo)準(zhǔn)值為 57.61 kN，且實(shí)際錨固時(shí)錨板下彎至混凝土梁側(cè)面，進(jìn)一步加強(qiáng)了錨固，故可認(rèn)為現(xiàn)有錨固措施是安全的。

2.2.3 南立面構(gòu)件截面承載力及根部錨固驗(yàn)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，南立面方鋼管的截面承載力可滿足要求。在向北的風(fēng)荷載及上部豎向荷載的作用下，可將南立面方鋼管視為壓彎構(gòu)件，在該計(jì)算假定下，該構(gòu)件根部柱腳不會(huì)出現(xiàn)拉力，故中部幾根鋼管根部的錨固問(wèn)題可不必考慮，但應(yīng)注意，靠近東西兩側(cè)的方鋼管的錨固，兩側(cè)構(gòu)件還同時(shí)受到來(lái)自東西向的風(fēng)荷載，應(yīng)對(duì)這兩點(diǎn)的錨固予以加強(qiáng)。

3 加固方案確定

本工程陽(yáng)光房位于地面高度達(dá) 98.0m的高層頂部，因此風(fēng)荷載成了起控制作用的荷載。依驗(yàn)算結(jié)果，陽(yáng)光房所采用的鋼柱截面尺寸偏小，且在風(fēng)荷載作用下，框架頂點(diǎn)位移較大，遠(yuǎn)超過(guò)了鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的側(cè)移限值。

過(guò)大的側(cè)移將直接導(dǎo)致玻璃面層擠壓破壞，玻璃破碎后從百米高空掉落，極可能傷人，非常之危險(xiǎn)。

針對(duì)構(gòu)件承載力不足，如采用常規(guī)的加大鋼柱截面的方法，考慮到該陽(yáng)光房鋼結(jié)構(gòu)完全外露，加固后截面改變，將較大的影響建筑的平立面造型、建筑使用功能和外觀視覺(jué)效果，且加固后反而可能會(huì)給使用者帶來(lái)不適感。

同時(shí)考慮到目前鋼框架的柱腳構(gòu)造為鉸接，柱腳鉸接情況下，即使截面加大，也難以控制柱頂位移?？蚣苤_下為上翻混凝土梁，若將柱鉸接改為柱剛接，則對(duì)混凝土梁會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩，施工時(shí)也難以實(shí)現(xiàn)。

考慮到目前結(jié)構(gòu)最大的問(wèn)題是柱頂側(cè)移過(guò)大，經(jīng)過(guò)同業(yè)主協(xié)商，確定了采用鋼索將現(xiàn)有鋼框架結(jié)構(gòu)在兩側(cè)拉緊的方案。鋼索一端在框架頂點(diǎn)同鋼柱連接，另一端在遠(yuǎn)處已有混凝土梁錨固連接。該方案工藝簡(jiǎn)便，基本不需對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)做過(guò)多改造，造價(jià)也較低，基本不影響陽(yáng)光房的外觀視覺(jué)效果，可以滿足該結(jié)構(gòu)的加固要求。鋼框架兩側(cè)設(shè)置鋼索示意圖見(jiàn)圖 3。

經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)置鋼索后的框架1和框架 2進(jìn)行驗(yàn)算，可知設(shè)置鋼索后，同時(shí)解決了現(xiàn)有鋼柱截面偏小和柱頂側(cè)移過(guò)大的問(wèn)題，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)各構(gòu)件控制截面的計(jì)算應(yīng)力均小于鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，框架頂點(diǎn)側(cè)移分別為 1/1 045及 1/1 050，均小于 1/300，滿足規(guī)范要求。

采用上述結(jié)構(gòu)加固方案后，同時(shí)應(yīng)對(duì)南立面鋁合金玻璃墻的連接錨固采用可靠的構(gòu)造措施予以加強(qiáng)，對(duì)中空玻璃建議更換為夾膠玻璃或貼玻璃鋼化膜，避免玻璃掉落傷人。南立面東西兩側(cè)立柱采用的方鋼截面過(guò)小，建議更換，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)該立柱的柱腳錨固措施。

4 加固方案實(shí)施

為提高現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)承載力，減小結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)側(cè)移，本方案采用增加鋼索的方法在兩側(cè)拉住鋼框架。鋼索可采用鍍鋅鋼索，并施加預(yù)拉力，以鋼索繃緊為度，必須確保每條鋼索的預(yù)拉力相當(dāng)，避免在施工時(shí)將結(jié)構(gòu)拉偏。對(duì)鋼索應(yīng)定期采取防腐措施。鋼材為 Q235B，焊條采用 E43XX，化學(xué)錨栓應(yīng)采用成品，必須保證現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量和錨栓錨固質(zhì)量。應(yīng)先在混凝土梁上植入錨栓定位后，再在錨固板上開(kāi)孔，孔開(kāi)好后，不得隨意擴(kuò)孔。施工安裝完畢后，必須對(duì)連接耳板和錨固板等外露鋼件進(jìn)行防腐處理。具體加固方案見(jiàn)圖 4。

5 結(jié)語(yǔ)

該高層建筑屋頂玻璃陽(yáng)光房經(jīng)采用本文提出的加固方案后，立面效果美觀，使用效果良好，特別是在加固措施完成后次年的五月，當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)暴雨颶風(fēng)極端天氣，風(fēng)力達(dá) 7級(jí) ～8級(jí)，該結(jié)構(gòu)經(jīng)受了較大風(fēng)荷載的考驗(yàn)，避免了事故發(fā)生。

[1] YB 9257-96，鋼結(jié)構(gòu)檢測(cè)評(píng)定及加固技術(shù)規(guī)程[S].

[2] GB 50011-2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[4] GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].