摘要：輕鋼結(jié)構(gòu)加層是目前逐步被推廣的一種房屋加固與改造形式，它具有自重輕、抗震性能好和施工方便等優(yōu)點(diǎn)；在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)以及安全性等方面較混凝土結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)逐漸獲得廣泛的應(yīng)用。但對(duì)于這種結(jié)構(gòu)形式的結(jié)構(gòu)計(jì)算，目前沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范和相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
本文針對(duì)目前出現(xiàn)的問(wèn)題，參照建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和建筑荷載規(guī)范通過(guò)對(duì)上部結(jié)構(gòu)作為附加荷載的可行性分析，分析整體計(jì)算樓層的底部水平地震力和把加層部分作為附加荷載乘以放大系數(shù)來(lái)計(jì)算樓層的底部水平地震力，當(dāng)兩者相等或接近時(shí)，即可確定放大系數(shù)，從而提出簡(jiǎn)化計(jì)算方法。
關(guān)鍵詞：加層；輕鋼結(jié)構(gòu)；
近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市工業(yè)化和商業(yè)化的迅速發(fā)展，人們對(duì)建筑的需求量也迅猛增長(zhǎng)。同時(shí)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng)，社會(huì)的不斷進(jìn)步，工程建設(shè)項(xiàng)目也逐年增多，特別是住宅商業(yè)化的迅猛發(fā)展及房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商追求高的商業(yè)利潤(rùn)，寸土寸金的商業(yè)理念已根深蒂固，從而原有的建筑規(guī)模己經(jīng)不能滿足社會(huì)發(fā)展的需求，也不能滿足房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商的利益需求。加之政府大力對(duì)城市的面貌進(jìn)行美化，特別對(duì)于臨街的建筑進(jìn)行平改坡以達(dá)到美化城市的目的。從而就對(duì)建筑設(shè)計(jì)在有限的空間里發(fā)揮其最大經(jīng)濟(jì)效益并同時(shí)達(dá)到美化城市面貌的目的，提出了更高的要求。因此，從地域性和經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮，在設(shè)計(jì)的建筑物上增加一層或數(shù)層，不失為一種經(jīng)濟(jì)、快捷并能緩解目前供需矛盾及滿足開(kāi)發(fā)商利益的一種好方法。
從當(dāng)前國(guó)內(nèi)加層改造的工程實(shí)例來(lái)看，很大部分直接加層改造的工程均采用的是鋼結(jié)構(gòu)體系，這主要是利用了鋼結(jié)構(gòu)自重輕、抗震性能好和施工方便等特點(diǎn)。
1.與普通的鋼筋混凝土加層結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)加層技術(shù)具有如下特點(diǎn)[4]：
(1) 重量輕。鋼結(jié)構(gòu)重量輕，同種結(jié)構(gòu)形式下相比，鋼結(jié)構(gòu)加層僅為混凝土結(jié)構(gòu)重量的 1/2～2/3，減輕了結(jié)構(gòu)自重，同時(shí)也減小了上部結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)的作用力，降低了基礎(chǔ)及其加固的工作量。
(2) 良好的抗震性能。鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，可以減輕加層結(jié)構(gòu)的重量，從而減輕結(jié)構(gòu)所受的地震作用；而且鋼材的延性好，加層在地震作用下具有很大的彈塑性變形能力，能吸收大量的能量，從而保證了結(jié)構(gòu)的抗震安全性。
(3) 施工方便，鋼構(gòu)件工廠加工制作，現(xiàn)場(chǎng)拼接安裝。構(gòu)件連接工藝簡(jiǎn)單，形式靈活，且大部分是干作業(yè)，易于各工種交叉作業(yè)和現(xiàn)場(chǎng)施工管理。
(4) 鋼結(jié)構(gòu)加層工程施工速度快、工期短，便于業(yè)主盡早投入使用，創(chuàng)造效益。
(5) 鋼結(jié)構(gòu)加層可以做到新老建筑物外側(cè)統(tǒng)一裝修，保證加層建筑立面風(fēng)格與原有立面一致，與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)。
2.鋼結(jié)構(gòu)房屋加層改造的對(duì)象[4]
在選擇改造對(duì)象時(shí)，更應(yīng)著重于其安全性設(shè)計(jì)，滿足下列條件的房屋可進(jìn)行改造：
(1) 經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，加層改造房屋的造價(jià)低于新建房屋造價(jià)；
(2) 3～4層磚混結(jié)構(gòu)或混合結(jié)構(gòu)房屋；
(3) 房屋結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好，未因基礎(chǔ)不均勻下沉、地震和其他人為因素引起裂縫；
(4) 加層改造后房屋高度，應(yīng)滿足房屋對(duì)日照的要求；
(5) 需要進(jìn)行加固或抗震加固的房屋，應(yīng)結(jié)合舊房加固改造進(jìn)行加層設(shè)計(jì)。
輕鋼加層技術(shù)即利用輕型鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)房屋的頂層增加樓層。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)磚混結(jié)構(gòu)、混凝土框架結(jié)構(gòu)等采用輕鋼加層的設(shè)計(jì)進(jìn)行了多方面的研究，主要從結(jié)構(gòu)方案、抗震設(shè)計(jì)、地震作用影響等方面進(jìn)行研究。
(1) 底部剪力放大系數(shù)計(jì)算法，即考慮鞭稍效應(yīng)，按底部剪力計(jì)算出的地震力乘以放大系數(shù)β，這種計(jì)算按直線振動(dòng)忽略振型組合，計(jì)算出的結(jié)果存在較大誤差。
(2) 振型分解反應(yīng)譜法，計(jì)算是采用集中質(zhì)量法，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，整個(gè)結(jié)構(gòu)考慮前2～3個(gè)振型計(jì)算，該方法較全面考慮了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、地面加速度作用、近、遠(yuǎn)震等因素，與底部剪力法比較有較高的計(jì)算精度，為滿足工程設(shè)計(jì)精度提供了參考。加層結(jié)構(gòu)方案分為平面結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)，平面結(jié)構(gòu)有門式剛架和平面排架等結(jié)構(gòu)形式，空間結(jié)構(gòu)有鋼框架等結(jié)構(gòu)形式。目前對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)的加層結(jié)構(gòu)形式，對(duì)門式剛架這種結(jié)構(gòu)形式研究的較多。
輕鋼加層可以有效地減少加層對(duì)下部結(jié)構(gòu)帶來(lái)的地震作用效應(yīng)。但值得注意的是：加層部分與下部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度有很大突變，產(chǎn)生了較為明顯的局部振動(dòng)（鞭梢效應(yīng)現(xiàn)象）。因此采用底部剪力法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一般可將計(jì)算得到的水平地震力乘以動(dòng)力放大系數(shù)β，其取值范圍2.0～2.5。
輕鋼加層房屋阻尼的確定及其對(duì)地震反應(yīng)的影響: 許多地震觀測(cè)資料表明，當(dāng)建筑物阻尼較小時(shí)，阻尼的變化，甚至是很微小的變化，都會(huì)引起地震反應(yīng)譜較大的變化。阻尼越小，地震反應(yīng)譜值越大;阻尼愈大，地震反應(yīng)譜值愈小。
輕鋼結(jié)構(gòu)直接加層，上部加層結(jié)構(gòu)采用輕鋼結(jié)構(gòu)，其阻尼比ζ=0.02左右甚至更小，而原結(jié)構(gòu)一般為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或砌體結(jié)構(gòu)、對(duì)于一般常用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其阻尼比ζ=0.05左右；而對(duì)于多層砌體結(jié)構(gòu)，其阻尼比ζ=0.06左右，但兩者的地震反應(yīng)譜曲線相差不大，所以我國(guó)抗震規(guī)范中偏于安全地采用阻尼比ζ=0.05的地震加速度反應(yīng)譜曲線。因而輕鋼加層后房屋總體阻尼比應(yīng)在0.02和0.05之間。而此阻尼比范圍內(nèi)地震反應(yīng)譜曲線變化較大。我國(guó)抗震規(guī)范中的地震反應(yīng)譜曲線僅適用于阻尼比為0.05的結(jié)構(gòu)，因而在進(jìn)行輕鋼結(jié)構(gòu)直接加層房屋的抗震計(jì)算時(shí)，需考慮阻尼的影響，應(yīng)對(duì)抗震規(guī)范中的地震反應(yīng)譜進(jìn)行相應(yīng)的修正，使計(jì)算結(jié)果更精確、更接近實(shí)際。工程實(shí)例計(jì)算分析表明，加層部分阻尼的影響使其所受的水平地震剪力增大，因而在加層房屋進(jìn)行抗震計(jì)算時(shí)，阻尼的修正是很必要的。在原結(jié)構(gòu)不變的情況下，加層部分層數(shù)愈多，則整個(gè)加層房屋的阻尼比愈小，加層部分底部所受水平地震剪力愈大。
輕鋼加層在應(yīng)用中存在優(yōu)點(diǎn)很多，但它在具體工程中仍然存在不少問(wèn)題。
(1) 加層前未對(duì)舊有結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全鑒定
雖然輕鋼結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)相比較，在自重上有很大的降低，但仍具有較大的質(zhì)量。當(dāng)前許多人認(rèn)為只要是輕鋼結(jié)構(gòu)，就可以隨便加層，這種觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，導(dǎo)致的后果也是嚴(yán)重的。
原有建筑物在其使用壽命內(nèi)由于地震、濕度、風(fēng)力、日照、雨水及各種有害介質(zhì)的侵蝕影響，不同程度地降低了建筑物的安全度。在確定增層方案前，首先要弄清該建筑物的增層可行性程度，要對(duì)建筑物做全面的安全鑒定，包括對(duì)建筑的地基承載力和承重構(gòu)件的驗(yàn)算。一個(gè)建筑物能否加層，能加幾層，關(guān)鍵取決于該建筑物是否有加層的潛力，潛力究競(jìng)有多大。應(yīng)由專業(yè)人員在對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行審核驗(yàn)算，并詳細(xì)檢查鑒定該建筑物的使用現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)全面的鑒定與綜合分析，認(rèn)為確有可能時(shí)，方可加層。
(2) 在地震區(qū)采用鋼結(jié)構(gòu)直接加層這種結(jié)構(gòu)形式還缺乏足夠的參考資料
目前國(guó)內(nèi)的研究工作，主要以具體的工程實(shí)例為背景，由于現(xiàn)行《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB50023-95)考慮到房屋加層的情況比較復(fù)雜，對(duì)此問(wèn)題未做明文規(guī)定，僅在條文說(shuō)明中做了簡(jiǎn)要說(shuō)明，致使地震區(qū)房屋加層的抗震設(shè)計(jì)和鑒定至今仍無(wú)章可循，各地在進(jìn)行房屋加層設(shè)計(jì)時(shí)所采用的標(biāo)準(zhǔn)很不一致，沒(méi)有系統(tǒng)的此類建筑的地震資料及試驗(yàn)資料可供參考，而且抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)該體系也無(wú)明確規(guī)定，在地震區(qū)采用這種結(jié)構(gòu)方案缺乏可靠的設(shè)計(jì)根據(jù)，因此，需要在大量進(jìn)行計(jì)算分析和理論分析的基礎(chǔ)上找到此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在的共性和特點(diǎn)以供設(shè)計(jì)者參考。
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