鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計在混凝土框架頂層加建的分析

于群

目前國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)加建業(yè)尚處于發(fā)展階段，技術(shù)發(fā)展仍有很大的提升空間，在城市化不斷深入的背景下，加建業(yè)的設(shè)計已經(jīng)成為業(yè)界關(guān)注的焦點。為了達(dá)到這一目的，需要準(zhǔn)確地理解混凝土框架和鋼結(jié)構(gòu)框架的特性。本文主要對混凝土框架頂層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行分析，以便進(jìn)一步優(yōu)化該施工工藝。

與混凝土框架相比，鋼結(jié)構(gòu)框架自重較小，但其延展性、耐溫性、密封性均相對較差，而且受外部環(huán)境侵蝕較大，不適合用于整體建筑框架。從力學(xué)方面來說，混凝土結(jié)構(gòu)和鋼框架結(jié)構(gòu)都是基于傳統(tǒng)的力學(xué)原理，用相應(yīng)的公式來計算受力，從而達(dá)到建筑設(shè)計所要求的施工標(biāo)準(zhǔn)。為了保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，兩種結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計過程中都需要加入符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的抗震體系。

對于建筑物來說，地震是主要的破壞因素，混凝土結(jié)構(gòu)由于自重較大，在面對地震時，主要表現(xiàn)為開裂和局部坍塌，而鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下，會發(fā)生整體扭曲變形。相關(guān)部門及工作人員在設(shè)計、施工過程中，應(yīng)充分把握兩種結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主體，充分發(fā)揮鋼架結(jié)構(gòu)的輔助作用，以提高建筑物的整體穩(wěn)定性。

一、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計在混凝土框架頂層應(yīng)用要點

1.合理計算頂層平面設(shè)計

在進(jìn)行平面設(shè)計時，必須科學(xué)、合理地進(jìn)行計算，另外在平面設(shè)計時，還應(yīng)注意空間的布置與設(shè)計，還要對鋼結(jié)構(gòu)的各項工程內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的計算，以便于根據(jù)科學(xué)的資料和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。

2.重視建筑物承載重量的負(fù)荷設(shè)計

加建鋼結(jié)構(gòu)在混凝土框架頂層設(shè)計時，應(yīng)著重于基礎(chǔ)承載物重量的設(shè)計，更重要地是要保證基礎(chǔ)承載物的設(shè)計符合相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以保證其能夠承受建筑頂層的整體重量，同時又能滿足整個建筑的荷載要求，從而進(jìn)一步提高整個建筑的穩(wěn)定性。另外，基礎(chǔ)設(shè)計所承受的荷載必須大于建筑物實際承載物的重量，如果建筑物的實際承載物大于建筑物的實際承載物，則會在很大程度上會增加整個建筑物的安全隱患，不能有效地保證建筑物的安全，從而對人類的生命安全造成極大的威脅。

3.樓板開洞面積的設(shè)計要準(zhǔn)確

對建筑樓板的開孔，首先要進(jìn)行專業(yè)、準(zhǔn)確的設(shè)計；其次還要考慮實際情況，計算樓板的開孔面積。經(jīng)過計算和設(shè)計，我們需要注意的是，樓板開洞的面積不到總樓頂面積的30%，只有這樣才能保證整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。但是，當(dāng)樓板開孔面積大于30%時，可以在樓板開孔邊緣開30%以上的孔口，設(shè)計出一些彈性節(jié)點，這是最有效的解決方法。

二、混凝土框架頂層鋼結(jié)構(gòu)加建的特點

1.優(yōu)點

（1）在建筑工程中對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加建，可以在很大程度上解決占用土地的問題，節(jié)約土地資源，提高土地利用率，并能進(jìn)一步縮短工程建設(shè)周期。

（2）由于建筑工程施工中，鋼結(jié)構(gòu)本身的重量一般都比較輕，所以可以在很大程度上減少建筑工程的工作量，同時還可節(jié)約建筑工程中一部分施工費用。

（3）由于鋼結(jié)構(gòu)本身的多樣性很大，在建筑工程施工中可以充分利用鋼結(jié)構(gòu)空間的靈活性，從而進(jìn)一步減少對原有建筑結(jié)構(gòu)的影響。

（4）在建筑工程施工中，對鋼結(jié)構(gòu)的加建有著十分廣泛的應(yīng)用，不僅在住宅建筑中，還可對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加建，既可在工業(yè)建筑中加建，也可對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加建。

2.缺點

（1）加建建筑物的工程完成后，整個建筑物的主要結(jié)構(gòu)將變成剛度分布呈頭輕腳輕的現(xiàn)象，這將極大地降低建筑物的整體質(zhì)量，進(jìn)一步降低建筑物的抗震能力，從而降低建筑物的安全。

（2）鋼結(jié)構(gòu)耐久性差是鋼結(jié)構(gòu)的一些致命缺陷，因此，在建筑施工過程中，必須充分考慮鋼結(jié)構(gòu)的防腐防火措施，以便在一定程度上增加建筑材料的使用量。在此期間，不僅要考慮原材料的來源和質(zhì)量問題，而且還要考慮原材料的成本問題，這樣可以進(jìn)一步增加整個項目的資金預(yù)算。

三、混凝土框架頂層加建鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點

1.注重建筑物的抗震設(shè)計

加建鋼結(jié)構(gòu)在建筑頂層設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)建筑的抗震性能，區(qū)分不同用途的建筑和不同地區(qū)的建筑。同時，加建鋼結(jié)構(gòu)對已有結(jié)構(gòu)體系抗震性能的影響也不容忽視，必須加強(qiáng)對加建鋼結(jié)構(gòu)的抗震計算和構(gòu)造措施。在加建頂層的鋼結(jié)構(gòu)中，其整體質(zhì)量、剛度和使用壽命都會發(fā)生很大的變化，因此，既要對加建結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計，又要按照現(xiàn)行規(guī)范對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計。

2.注意溫度的控制

由于原建筑的頂層溫度較高，因此在設(shè)計時很容易忽視頂層溫度控制，而這往往會使加建的鋼結(jié)構(gòu)頂層受到溫度因素的破壞，造成室內(nèi)墻裂，影響室內(nèi)保溫效果，縮短使用壽命，對鋼結(jié)構(gòu)溫度要嚴(yán)格控制，減少溫度應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)的影響。

3.基礎(chǔ)承重的負(fù)荷設(shè)計

加裝結(jié)構(gòu)的自重對原有基礎(chǔ)有一定的承載力，設(shè)計時應(yīng)使整個結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)荷載低于原有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的設(shè)計承載力，以免出現(xiàn)安全隱患。按現(xiàn)行規(guī)范的要求，可通過復(fù)核原結(jié)構(gòu)圖紙中基礎(chǔ)的設(shè)計尺寸、加固要求等，對原結(jié)構(gòu)和加建的結(jié)構(gòu)總重進(jìn)行承載能力復(fù)核。如基礎(chǔ)承載力不足，應(yīng)采取加固措施。

4.樓板設(shè)計要點

設(shè)計工作中可根據(jù)具體情況，采用多種方法進(jìn)行處理，目前主要采用的加固技術(shù)是現(xiàn)澆混凝土技術(shù)，這樣可以有效地提高鋼結(jié)構(gòu)樓板的穩(wěn)定性和安全性，同時在鋼結(jié)構(gòu)樓板的選型上，為防止混凝土外壓對鋼板的破壞，可以選擇延展性好、自重小的輕質(zhì)鋼板或花紋鋼板。就鋼板頂?shù)脑O(shè)計而言，從建筑本身的重量考慮，可以在設(shè)計施工中采用輕質(zhì)鋼板頂，既減輕了建筑的整體重量，又使造價與施工環(huán)境相適應(yīng)，還可以采用組合式樓板頂設(shè)計，使壓型鋼板與澆注混凝土的配比更好，從而提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。當(dāng)前在施工工藝選擇過程中，一般采用復(fù)合工藝，經(jīng)實踐研究證實，壓型鋼板與澆注混凝土工藝組合的方式彈性較大，可根據(jù)施工工程的實際情況，確定具體工藝組合程度，實時保證施工安全。

5.鋼結(jié)構(gòu)柱設(shè)計要點

鋼構(gòu)頂層加建結(jié)構(gòu)柱的施工技術(shù)主要有兩種：一種是鉆孔連接法，即用過渡鋼板將結(jié)構(gòu)柱插入建筑的混凝土柱頭，鉆孔后再用錨固鋼筋焊接，使錨固柱與鋼結(jié)構(gòu)柱連接。本發(fā)明可以提高施工效率，大大提高施工可操作性，但其缺點是穩(wěn)定性差，柱體的耐久性能差。在這方面，我們可以采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣砑訌?qiáng)。

現(xiàn)在比較常用的方法是把鋼柱內(nèi)的鋼筋加熱，然后通過底板開洞焊接到底板上。然后用細(xì)集料混凝土調(diào)平。但是，這一方法也有其缺點，會導(dǎo)致建筑的整體抗震性能下降，因此在施工過程中應(yīng)根據(jù)地理環(huán)境酌情采用。

另一種是U 形箍連接法，其基本原理是通過鋼柱子下部的U 形箍將鋼柱子與底板連接，這種方法具有很好的穩(wěn)定性和耐久性，但僅適用于小規(guī)模建筑，大型建筑的應(yīng)用空間并不大。

另外需注意的是，鋼結(jié)構(gòu)柱在施工過程中，需要根據(jù)建筑物的性質(zhì)和附加的具體規(guī)定，制定柱腳的連接方式。如某建筑物的混凝土結(jié)構(gòu)為5 層，加建鋼結(jié)構(gòu)為2 層，兩個結(jié)構(gòu)間采用大底盤式連接方式，采用抗震縫作為單體結(jié)構(gòu)中的隔斷。根據(jù)地區(qū)抗震設(shè)防烈度要求，可采用混凝土外包柱腳進(jìn)行設(shè)計，并利用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進(jìn)行模型計算，從而了解柱腳受內(nèi)力變形的情況，計算出柱腳的抗形變承載力公式。

與此同時也要注意把握截面設(shè)計的要點，一般柱子的截面寬度和高度保證大于300 mm，柱子直徑保證大于350 mm，還需要計算截面短、長邊比，一般情況下其比值不能大于3，柱子縱向的鋼筋比例必須保證在0.2%以上。對于鋼梁的設(shè)計而言，這些參數(shù)的控制尤為重要，只有嚴(yán)格參照標(biāo)準(zhǔn)，才能使鋼結(jié)構(gòu)柱發(fā)揮最大的作用，為工程施工提供穩(wěn)定的安全保障。

6.梁設(shè)計要點

在梁的設(shè)計工作中，應(yīng)結(jié)合施工規(guī)范與施工實際，靈活運用。從具體參數(shù)來看，梁的截面寬度應(yīng)保證在200 mm 以上，寬高比應(yīng)在4 以下，而且在梁的設(shè)計過程中還需要有鋼筋支撐，以有效地保證鋼結(jié)構(gòu)梁的穩(wěn)定性，因此在配筋時應(yīng)注意對材料的選擇和配比，使鋼結(jié)構(gòu)梁的整體穩(wěn)定性和安全性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。另外，在設(shè)計過程中還應(yīng)注意梁中線和柱中線之間的銜接問題，采用雙向布置結(jié)構(gòu)，并通過結(jié)構(gòu)模型對扁梁參數(shù)進(jìn)行相關(guān)計算，以保證整個工程的穩(wěn)定。

7.連接設(shè)計要求

根據(jù)相關(guān)設(shè)計要求，鋼制柱腳的設(shè)計主要可分為鉸接式和剛接式。對于沒有吊車的輕鋼結(jié)構(gòu)，一般采用鉸接式柱腳。使用化學(xué)植筋，鋼柱可以與原始混凝土柱進(jìn)行有效的連接，在這種情況下，化學(xué)植筋的作用就是鉸接，其作用是柱腳錨栓，而在混凝土柱中，錨栓的埋設(shè)深度可以達(dá)到不同的拉力，從而能夠有效地傳遞柱子與混凝土之間的粘結(jié)力。本實用新型主要用于下翼緣板與鋼柱翼緣的連接，并將摩擦型高強(qiáng)度螺栓應(yīng)用于鋼梁腹板與鋼柱翼緣之間，從而實現(xiàn)栓焊的剛性連接。此外，在連接過程中，還可以采用鋼梁端部的焊接端板和柱翼緣穿孔螺栓，使連接梁柱具有剛性。在“人”字形屋脊采用剛性連接，鋼梁可與傳統(tǒng)梁端焊接端板連接，并可上安裝高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行屋脊的剛化處理。

8.其他設(shè)計要點

對于混凝土框架頂蓋加建鋼結(jié)構(gòu)，從宏觀上看，需要對基礎(chǔ)承重構(gòu)件是否合理進(jìn)行綜合判斷。對施工現(xiàn)場設(shè)計工作中出現(xiàn)的問題及時進(jìn)行調(diào)整。一般情況下，在加建鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不考慮混凝土框架對鋼結(jié)構(gòu)的承載力，因此，在進(jìn)行加建鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮混凝土框架和加建鋼結(jié)構(gòu)的承載力，充分利用建筑模型的評價作用，以判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理。在混凝土框架結(jié)構(gòu)中，應(yīng)避免鋼結(jié)構(gòu)的加建。當(dāng)模型計算過程中發(fā)現(xiàn)問題時，需要對加建鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，當(dāng)加建鋼結(jié)構(gòu)缺少變化空間時，可與建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計者進(jìn)行充分的溝通，對混凝土框架進(jìn)行加固，最終達(dá)到建筑的整體穩(wěn)定。

四、結(jié)語

綜上所述，加建鋼結(jié)構(gòu)的合理使用，有助于提高建筑的穩(wěn)定性，因此加建鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作應(yīng)充分把握設(shè)計要點，從整體上和細(xì)節(jié)上入手，以科學(xué)合理的設(shè)計工作來指導(dǎo)施工，從而達(dá)到建筑經(jīng)濟(jì)效益的最大化。本文通過對混凝土結(jié)構(gòu)和鋼架結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行對比分析，提出了頂層加建鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點，希望有關(guān)部門結(jié)合實際情況，加以有效應(yīng)用。