某高层建筑屋顶玻璃阳光房结构分析及加固

郭昭胜

1 工程概况

某高层建筑屋顶(标高为 98.0 m)局部设置一玻璃阳光房。阳光房平面尺寸为宽 6.3m，长 13m，高 8m，该阳光房围护、地面及屋面均为中空玻璃，临街南立面采用铝合金框和中空玻璃制作，结构采用型钢钢架，设计使用年限 30年。该玻璃阳光房自建成后，业主发现阳光房钢结构在遇大风时水平侧移较大已造成阳光房中空玻璃裂碎，本文针对该情况对阳光房现有结构进行验算分析，并提出加固方案。

2 阳光房现有结构验算

2.1 主框架计算简图及荷载取值

根据阳光房设计施工图纸与资料，结合已建阳光房的现场实际情况，对于阳光房主框架取出以下两榀分别验算，框架柱头、柱脚及钢梁与梁柱处现有的连接措施，只应视为铰接(节点 3，6，7，8)，框架 1，2简图分别见图 1，图 2。

恒荷载按照 GB 50009-2001建筑结构荷载规范的规定，根据材料容重分别计算，屋面及楼面活荷载分别取 0.50 kN/m2和 2.0 kN/m2，风荷载标准计算时，基本风压取 0.40 kN/m2，并考虑该阳光房位于高层建筑顶层位置(标高 98.0m)的风压高度系数。基本雪压取 0.35 kN/m2。考虑到阳光房质量较轻，地震作用微小，故此处不计入地震作用。

2.2 结构计算结果

2.2.1 钢框架结构验算结果

框架 1钢柱及钢梁的强度计算应力均不能满足现行规范要求，钢柱最大计算应力 3.04，钢梁最大计算应力为 2.29;框架 2钢柱及钢梁的强度计算应力亦均不能满足 GB 50017-2003钢结构设计规范要求，钢柱最大计算应力 2.70，钢梁最大计算应力为 2.10。目前钢架结构杆件计算应力超过钢材设计强度值的 2倍～3倍，计算结果表明现有框架钢构件截面偏小，其中框架 2计算结果比框架 1略小，是因为框架 2中间多一道横梁，其结构自由度较多，承载能力稍强。

框架 1及框架 2中钢梁、钢柱的平面外稳定应力比及长细比可由屋面檩条和立面横梁给以保证。

框架 1及框架 2顶点在风荷载标准值的作用下，其侧移分别达到柱高的 1/14(518 mm)和 1/16(469 mm)，该值远超过了 GB 50017-2003钢结构设计规范规定的限值(柱高的 1/150)。考虑到该阳光房面层材料均为玻璃，而玻璃对于变形的抵抗能力较差，因此该限值应适当提高，从严控制。

2.2.2 柱根锚固验算结果

依据计算结果，框架 1及框架 2的柱根部轴力不大，不超过30 kN。钢柱与屋顶混凝土梁的连接做法为:采用化学锚栓锚入混凝土梁 150mm～200mm，依据 JGJ 145-2004混凝土结构后锚固规范表 6.1.4锚栓受拉混凝土锥体破坏承载力标准值，当锚入深度150mm，基材混凝土强度为 C20时，承载力标准值为 57.61 kN，且实际锚固时锚板下弯至混凝土梁侧面，进一步加强了锚固，故可认为现有锚固措施是安全的。

2.2.3 南立面构件截面承载力及根部锚固验算结果

经计算，南立面方钢管的截面承载力可满足要求。在向北的风荷载及上部竖向荷载的作用下，可将南立面方钢管视为压弯构件，在该计算假定下，该构件根部柱脚不会出现拉力，故中部几根钢管根部的锚固问题可不必考虑，但应注意，靠近东西两侧的方钢管的锚固，两侧构件还同时受到来自东西向的风荷载，应对这两点的锚固予以加强。

3 加固方案确定

本工程阳光房位于地面高度达 98.0m的高层顶部，因此风荷载成了起控制作用的荷载。依验算结果，阳光房所采用的钢柱截面尺寸偏小，且在风荷载作用下，框架顶点位移较大，远超过了钢结构规范的侧移限值。

过大的侧移将直接导致玻璃面层挤压破坏，玻璃破碎后从百米高空掉落，极可能伤人，非常之危险。

针对构件承载力不足，如采用常规的加大钢柱截面的方法，考虑到该阳光房钢结构完全外露，加固后截面改变，将较大的影响建筑的平立面造型、建筑使用功能和外观视觉效果，且加固后反而可能会给使用者带来不适感。

同时考虑到目前钢框架的柱脚构造为铰接，柱脚铰接情况下，即使截面加大，也难以控制柱顶位移。框架柱脚下为上翻混凝土梁，若将柱铰接改为柱刚接，则对混凝土梁会产生较大的弯矩，施工时也难以实现。

考虑到目前结构最大的问题是柱顶侧移过大，经过同业主协商，确定了采用钢索将现有钢框架结构在两侧拉紧的方案。钢索一端在框架顶点同钢柱连接，另一端在远处已有混凝土梁锚固连接。该方案工艺简便，基本不需对现有结构做过多改造，造价也较低，基本不影响阳光房的外观视觉效果，可以满足该结构的加固要求。钢框架两侧设置钢索示意图见图 3。

经过对设置钢索后的框架1和框架 2进行验算，可知设置钢索后，同时解决了现有钢柱截面偏小和柱顶侧移过大的问题，现有结构各构件控制截面的计算应力均小于钢材设计强度值，框架顶点侧移分别为 1/1 045及 1/1 050，均小于 1/300，满足规范要求。

采用上述结构加固方案后，同时应对南立面铝合金玻璃墙的连接锚固采用可靠的构造措施予以加强，对中空玻璃建议更换为夹胶玻璃或贴玻璃钢化膜，避免玻璃掉落伤人。南立面东西两侧立柱采用的方钢截面过小，建议更换，同时应加强该立柱的柱脚锚固措施。

4 加固方案实施

为提高现有结构的抗风承载力，减小结构顶点侧移，本方案采用增加钢索的方法在两侧拉住钢框架。钢索可采用镀锌钢索，并施加预拉力，以钢索绷紧为度，必须确保每条钢索的预拉力相当，避免在施工时将结构拉偏。对钢索应定期采取防腐措施。钢材为 Q235B，焊条采用 E43XX，化学锚栓应采用成品，必须保证现场焊接质量和锚栓锚固质量。应先在混凝土梁上植入锚栓定位后，再在锚固板上开孔，孔开好后，不得随意扩孔。施工安装完毕后，必须对连接耳板和锚固板等外露钢件进行防腐处理。具体加固方案见图 4。

5 结语

该高层建筑屋顶玻璃阳光房经采用本文提出的加固方案后，立面效果美观，使用效果良好，特别是在加固措施完成后次年的五月，当地出现暴雨飓风极端天气，风力达 7级 ～8级，该结构经受了较大风荷载的考验，避免了事故发生。

[1] YB 9257-96，钢结构检测评定及加固技术规程[S].

[2] GB 50011-2001，建筑抗震设计规范[S].

[3] GB 50009-2001，建筑结构荷载规范[S].

[4] GB 50017-2003，钢结构设计规范[S].