轻钢结构在房屋增层改造中的应用研究

刘星

【摘 要】轻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，它具有自重轻、抗震性能好和施工方便等优点；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，在国内逐渐获得广泛的应用。但对于这种结构形式的结构计算，目前没有统一的设计规范和相应的设计标准。本文针对目前出现的问题，参照建筑抗震设计规范和建筑荷载规范通过对上部结构作为附加荷载的可行性分析，分析整体计算楼层的底部水平地震力和把加层部分作为附加荷载乘以放大系数来计算楼层的底部水平地震力，当两者相等或接近时，即可确定放大系数，从而提出简化计算方法。

【关键词】钢结构；增层；研究

近年来，随着经济的发展，城市工业化和商业化的迅速发展，人们对建筑的需求量也迅猛增长。同时，随着国家经济的迅速增长，社会的不断进步，工程建设项目也逐年增多，特别是住宅商业化的迅猛发展及房地产开发商追求高的商业利润，寸土寸金的商业理念已根深蒂固，从而原有的建筑规模已经不能满足社会发展的需求，也不能满足房地产开发商的利益需求。加之政府大力对城市的面貌进行美化，特别对于临街的建筑进行平改坡以达到美化城市的目的。从而就对建筑设计在有限的空间里发挥其最大经济效益并同时达到美化城市面貌的目的，提出了更高的要求。因此，从地域性和经济性等方面综合考虑，在设计的建筑物上增加一层或数层，不失为一种经济、快捷并能缓解目前供需矛盾及满足开发商利益的一种好方法。

从当前国内加层改造的工程实例来看，很大部分直接加层改造的工程均采用的是钢结构体系，这主要是利用了钢结构自重轻、抗震性能好和施工方便等特点。

1.与普通的钢筋混凝土加层结构相比，钢结构加层技术具有如下特点

（1）重量轻。钢结构重量轻，同种结构形式下相比，钢结构加层仅为混凝土结构重量的l/2-2/3，减轻了结构自重，同时也减小了上部结构对基础的作用力，降低了基础及其加固的工作量。

（2）良好的抗震性能。钢结构强度高，可以减轻加层结构的重量，从而减轻结构所受的地震作用；而且钢材的延性好，加层在地震作用下具有很大的弹塑性变形能力，能吸收大量的能量，从而保证了结构的抗震安全性。

（3）施工方便，钢构件工厂加工制作，现场拼接安装。构件连接工艺简单，形式灵活，且大部分是干作业，易于各工种交叉作业和现场施工管理。

（4）钢结构加层工程施工速度快、工期短，便于业主尽早投入使用，创造效益。

（5）钢结构加层可以做到新老建筑物外侧统一装修，保证加层建筑立面风格与原有立面一致，与周围环境协调。

2.钢结构房屋加层改造的对象

在选择改造对象时，更应着重于其安全性设计，满足下列条件的房屋可进行改造：

（1）经综合技术经济分析，加层改造房屋的造价低于新建房屋造价。

（2）3-4层砖混结构或混合结构房屋。

（3）房屋结构状态良好，未因基础不均匀下沉、地震和其他人为因素引起裂缝。

（4）加层改造后房屋高度，应满足房屋对日照的要求。

（5）需要进行加固或抗震加固的房屋，应结合旧房加固改造进行加层设计。

轻钢加层技术即利用轻型钢结构在设计房屋的顶层增加楼层。目前，国内对砖混结构、混凝土框架结构等采用轻钢加层的设计进行了多方面的研究，主要从结构方案、抗震设计、地震作用影响等方面进行研究。

（1）底部剪力放大系数计算法，即考虑鞭稍效应，按底部剪力计算出的地震力乘以放大系数β，这种计算按直线振动忽略振型组合，计算出的结果存在较大误差。

（2）振型分解反应谱法，计算是采用集中质量法，对结构进行离散化，整个结构考虑前2-3个振型计算，该方法较全面考虑了结构的动力特性、地面加速度作用、近、远震等因素，与底部剪力法比较有较高的计算精度，为满足工程设计精度提供了参考；加层结构方案分为平面结构和空间结构，平面结构有门式刚架和平面排架等结构形式，空间结构有钢框架等结构形式。目前对于砌体结构的加层结构形式，对门式刚架这种结构形式研究的较多。

轻钢加层可以有效地减少加层对下部结构带来的地震作用效应。但值得注意的是：加层部分与下部结构的质量和刚度有很大突变，产生了较为明显的局部振动（鞭梢效应现象）。因此采用底部剪力法进行设计时，一般可将计算得到的水平地震力乘以动力放大系数β，其取值范围2.0～2.5。

轻钢加层房屋阻尼的确定及其对地震反应的影响：许多地震观测资料表明，当建筑物阻尼较小时，阻尼的变化，甚至是很微小的变化，都会引起地震反应谱较大的变化。阻尼越小，地震反应谱值越大；阻尼愈大，地震反应谱值愈小。

轻钢结构直接加层，上部加层结构采用轻钢结构，其阻尼比ξ=0.02左右甚至更小，而原结构一般为钢筋混凝土结构或砌体结构、对于一般常用的钢筋混凝土结构，其阻尼比ξ=0.05左右；而对于多层砌体结构，其阻尼比ξ=0.06左右，但两者的地震反应谱曲线相差不大，所以我国抗震规范中偏于安全地采用阻尼比ξ=0.05的地震加速度反应谱曲线。因而轻钢加层后房屋总体阻尼比应在0.02和0.05之间。而此阻尼比范围内地震反应谱曲线变化较大。我国抗震规范中的地震反应谱曲线仅适用于阻尼比为0.05的结构，因而在进行轻钢结构直接加层房屋的抗震计算时，需考虑阻尼的影响，应对抗震规范中的地震反应谱进行相应的修正，使计算结果更精确、更接近实际。工程实例计算分析表明，加层部分阻尼的影响使其所受的水平地震剪力增大，因而在加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，加层部分层数愈多，则整个加层房屋的阻尼比愈小，加层部分底部所受水平地震剪力愈大。

轻钢加层在应用中存在优点很多，但它在具体工程中仍然存在不少问题。

（1）加层前未对旧有结构进行安全鉴定。

虽然轻钢结构与传统的混凝土结构和砖混结构相比较，在自重上有很大的降低，但仍具有较大的质量。当前许多人认为只要是轻钢结构，就可以随便加层，这种观点是错误的，导致的后果也是严重的。

原有建筑物在其使用寿命内由于地震、湿度、风力、日照、雨水及各种有害介质的侵蚀影响，不同程度地降低了建筑物的安全度。在确定增层方案前，首先要弄清该建筑物的增层可行性程度，要对建筑物做全面的安全鉴定，包括对建筑的地基承载力和承重构件的验算。一个建筑物能否加层，能加几层，关键取决于该建筑物是否有加层的潜力，潜力究竟有多大。应由专业人员在对原设计进行审校验算，并详细检查鉴定该建筑物的使用现状基础上，经过全面的鉴定与综合分析，认为确有可能时，方可加层。

（2）在地震区采用钢结构直接加层这种结构形式还缺乏足够的参考资料。

目前国内的研究工作，主要以具体的工程实例为背景，由于现行《建筑抗震鉴定标准》（GB50023-95）考虑到房屋加层的情况比较复杂，对此问题未做明文规定，仅在条文说明中做了简要说明，致使地震区房屋加层的抗震设计和鉴定至今仍无章可循，各地在进行房屋加层设计时所采用的标准很不一致，没有系统的此类建筑的地震资料及试验资料可供参考，而且抗震设计规范中对该体系也无明确规定，在地震区采用这种结构方案缺乏可靠的设计根据，因此，需要在大量进行计算分析和理论分析的基础上找到此类结构设计上存在的共性和特点以供设计者参考。

【参考文献】

[1]王燕，李金成.轻钢增层结构的研究与应用.青岛建筑工程学院学报，1998，19（3）：10-12.

[2]谢建平.砖混房屋结构的加层设计与施工.广东水利水电，2002，（6）：30-31.

[3]周学军，王示，王建明.轻型钢结构在房屋加层改造工程中的应用.工业建筑，1999（10）：64-66.