轻钢隔振增层混合结构的抗震研究*

刘 伟 姜 昊 于海涛 张 雄 席 位

(吉林建筑大学土木工程学院，长春 130118)

我国是人口大国，目前大中型城市正经历着寸土寸金的状态，土地能否高效的利用已成为阻碍城市建设发展的一大难题．据不完全统计，截至1985年底，我国城镇住房面积已达46亿m2，按设计基准期50年计算，这些建筑已经进入“老龄化”阶段．如今，对已有建筑增层改造的案例不断涌现，这种改造方式改善了城市用地的紧张，降低了工程造价，延长了建筑的使用周期．实践表明，对已有建筑进行增层改造是一条符合我国国情且具有明显社会经济效益的道路，对缓解城市用地紧张具有现实意义．

1 增层改造的发展历史及现状

1．1 国外增层结构历史及现状

第二次世界大战后，发达国家的恢复建设大体可分为三个阶段:

(1)战后以新建筑为主的建设时期;

(2)新建与改造并存时期．既有建筑的承载能力随着时间而降低，体量也难以满足发展的需求，进而需要对原有建筑进行加固、改造;

(3)以维护、改造、加固为核心的时期．20世纪70年代末期，经济发达国家便已经迈入了这个时期．在改造、维护等方面的投资约占总建设投资的70%以上．

目前，建筑业作为美国国民经济三大支柱产业之一，分为新建建筑业和维修改造业两部分;日本在1977年就制定了旧房改造的相关政策;自20世纪80年代，瑞典的建筑行业便将对原有建筑的改造列入首要目标;1980年英国用于对原有建筑修缮改造的费用占总工程投资的1/3，并在1985年进入建筑行业改造市场的全盛时期;其它国家如德国、匈牙利等国也都在这个时期出台了针对原

有住房改造的方针．

随着旧房改造技术的不断完善，世界各国相继涌现诸多经典的增层改造案例，如:美国Julsa Oklahoma中州大楼在原有16层建筑构筑一个内筒，最终增层为21层的建筑，成为增层结构的经典之作，也是迄今为止世界上增加层数最多的建筑(见图1);意大利某市政府办公楼在不停止使用的前提下，采用树根桩上做基础梁，并在梁上直接起钢柱穿越原结构，在夜间施工，增层部分钢框架完成后拆除原建筑并重建，再将板件与整体结构链接，最终形成全新整体．

图1 Julsa Oklahoma中州大楼

1．2 我国增层结构历史及现状

截至1985年底，我国城镇住房面积达到46亿m2，这些建筑随着时间的推移逐步进入“老年”阶段，针对此类建筑，完全拆除既不现实又不经济，增层改造便是在这样的条件下在中国悄然兴起的．为推动已有建筑增层改造工作，适应世界范围内建筑改造工程的迅速崛起，成立了全国房屋增层改造技术研究委员会、中国工程建设标准化协会、建筑物鉴定与加固技术标准委员会等学术团体，多次召开有关增层改造的学术研讨会，完善增层结构的理论体系，以便更好地将理论应用于实践当中．

近期，城市中增层与改造的案例不断增多，究其原因一方面是节约用地;另一方面也是通过对原有建筑的改造，延长使用年限，更好地为社会服务．利用现有建筑改造是控制城市建筑用地的重要途径．我国改造工程多采用钢筋混凝土结构，其中也不乏杰出之作，如:同济大学图书馆，在原有口字形结构基础上采用桶式悬挑跃层加层的办法，在中心设置两个钢筋混凝土筒体作为新馆，共11层，见图2．

图2 同济大学图书馆

2 增层改造存在的主要问题

迄今，增层改造发展已越来越趋近于规范化、国际化，但在实际设计研究中发现，这种体系仍存在着许多亟待解决的问题:

(1)国内外对于增层改造的研究还不够成熟，主要是针对这种结构的力学性能和受力模型还没有透彻的了解，且没有形成一套成熟的理论体系，即便是在国外对于增层改造设计也仅限于行业标准和经验作为参考［1］;

(2)轻钢增层改造以后的整体建筑动力特性与原结构相差较大，阻尼比ζ是结构动力分析的基本参数，对动力分析结果有很大的影响．在阻尼理论中最具影响力的也许是Rayleigh提出的比例阻尼理论(或经典阻尼)，但对于一些复杂或非常规的结构如何确定阻尼比，至今没有权威的理论方法［2］;

(3)增层后的结构竖向刚度、质量有突变，首层容易成为薄弱层，鞭梢效应明显，所以新老结构的连接即对柱脚的处理上，很大程度影响了整体的抗震性能，应给予足够的重视．目前对于柱脚结构形式的研究还有待扩展开发，并最终形成一套可靠丰富的体系;

(4)我国已经培养出一批可用的针对增层施工技术人才，但在施工方面还是存在着诸多困难，如施工期间，老建筑大部分仍处于日常使用状态;新旧建筑连接处，老建筑的钢筋分布与设计图纸有偏差等问题．如何全面考虑并找出一套可行的方案，是施工技术上需要解决的问题;

(5)震区采用轻钢增层结构形式缺乏足够的资料做参考，我国学者多以国内工程实例为背景进行研究，由于地区的局限性，这些研究显得不够系统，更多的系统的地震资料及试验资料是必要的，而且在实际当中缺乏可靠的设计依据，抗震设计规范中也没有针对该体系的明确规定．因此，还需要进行大量的分析计算，找出设计共性及特点供设计者参考．

3 增层改造的主要类型及优缺点

由于建筑结构的不同，增层的种类也就不完全相同，合理的选择增层结构形式是十分重要的一个环节，如果选择不当很容易造成造价高、不满足建筑安全要求或抗震要求等一系列问题，给增层建筑带来安全隐患．截止到2013年末，我国增层的主要结构形式有四类．

3．1 直接增层

直接增层是充分利用原有建筑的承载能力潜质，在原有建筑承重结构体系和平面布置不改变的情况下直接增层，是最直接、最经济也是最方便的增层手段，但此类增层形式要求原有建筑结构地基础的承载能力和变形能力满足增层需求．

3．2 外套增层

外套增层是在原有建筑之外增设外套结构，使增层部分荷载通过外套结构传递至原有基础的增层手段．适用于原有基础无法承受直接增层带来的附加荷载、需要改变平面布置或增层施工时不能停止使用的建筑．常见的外套增层形式主要有两类:一是分离式外套增层结构，即外套结构与原有建筑完全分立，成为相互独立的两个个体，各自承担竖向荷载以及侧力;二是整体式外套增层结构，即外套结构与原有建筑连结在一起，增加底层的抗侧移刚度，提高了结构的整体性及刚度均匀性，更有益于抗震．

3．3 地下室增层

为了更充分地利用地下空间，国内外出现了很多地下室增层的案例，其分类主要有以下几种:

(1)新增局部地下室，通常用于单层厂房或面积较大的建筑中心，远离原有建筑基础的地方开建地下室;

(2)新建防空洞地下室;

(3)在地下室内增设夹层;

(4)将原有基础回填部分改建为地下室等．

3．4 室内增层

室内增层指的是在原有房屋内增加夹层或净高允许的情况下增加楼层的一种扩建手段，充分利用原有房屋的外墙、屋盖等，仅需要在增层部分增设承重构件及抗侧力构件，即可达到扩大空间的最终目的．

4 本文研究的主要内容及成果

4．1 轻钢增层

轻钢增层是一种新型而且有很大潜力的增层技术，与传统的砖混结构或钢筋混凝土结构相比，轻钢增层一是可以减轻1/2～1/3的自重［1］，对下部结构影响小，在条件允许的情况下可以不对下部结构加固，选择直接增层;二是结构形式多样，可以满足人们对大空间的需求;三是经济性较好，造价方面基本可以做到与砖混结构持平，并可节省大量木材、水泥、砂石等．随着钢结构产业的发展，我国开始鼓励合理的使用建设用钢并颁布了《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》(CECS 102;2002)和《轻型钢结构设计规程》(DBJ 08-68-97)等相关规程，我国钢结构建筑链条的发展也随之不断的完善、规范．

4．2 隔震系统

隔震系统是在结构间设置隔震层，也就是隔震垫(橡胶)支座．它既能够较好地吸收地震能量，又能提供充分的变形能力．这种橡胶支座由薄钢板和薄胶板交相重叠，模压硫化而成．在地震时，通过支座本身特有结构并凭借其水平刚度较小，可以产生较大的水平位移来实现消耗地震能量，隔震效果显著［4］．同时，隔震垫支座具有竖向承载能力大、恢复性能稳定、构造简单安装方便、耐久性、耐水性、耐火性良好等诸多特点．目前国内外常采用的叠层钢板橡胶支座有:板式橡胶支座(RB)、铅芯橡胶支座(LRB)和高阻尼橡胶支座(HDRB)，其中，铅芯橡胶支座(图3)是在中心部分竖直的压入高纯度的铅芯，通过铅芯的剪切变形来吸收消耗振动能量，并且可以通过调节铅芯直径来调节阻尼，十分灵活，是目前各国应用最广泛的隔震装置．

4．3 层间隔震

层间隔震是从基础隔震衍生而来的隔震技术，层间隔震的基本原理是通过隔震层延长自振周期使地震反应减小，并运用反共震理论，使主结构(原有结构)与子结构(增层部分)协同工作形成TMD(质量调谐阻尼)系统，通过改变子结构刚度K、质量M、阻尼C等参数影响子结构的自振频率，使其尽可能接近主结构的基本频率，当主结构发生震动时，子结构会产生一个反方向的惯性力作用，从而起到衰减控制地震的作用［5］．隔震示意图见图4及受力模型见图5．

图3 增层隔震示意图

图4 增层隔震受力模型

图5 铅芯橡胶支座

4．4 隔震层布置

隔震层可以根据建筑本身特点灵活的布置于不同位置［6］，如刚度有突变位置见图6(a);结构形式变化位置见图6(b);一层楼顶处见图6(c);中间层见图6(d);顶层处见图6(e)等．

图6 层间隔震示意图

4．5 现阶段对本课题的研究成果

(1)轻钢增层建筑存在着较大的刚度变化，可以考虑采用动力放大系数的底部剪力法进行计算，水平放大系数宜选为2．0［7］．但此种算法得出的结果和实际差距相对较大，建议采用时程分析法，能够较准确的计算出结构的地震反应;

(2)结构的特殊性，宜采用子结构的方法，分别叠加原有结构及子结构的质量、刚度、阻尼矩阵后，运用模态振型分解法整体求解结构的地震反应;

(3)由于增层结构的各项参数均在以新老建筑为分界处发生变化，所以单独分析计算子结构是不合理的，需要进行整体分析．分析表明，在原结构基础上增加一层并不会出现明显的“鞭梢效应”，增加两层或以上时，增层部分的第一层是薄弱层，需要进行抗震验算，而且需要考虑高阶振型的影响;

(4)增层结构实际震动时阻尼耗能因素较多，对地震响应反应谱分析影响较大，而且没有直接测量等手段或分析方法，通常采用将阻尼耗能定义为简化的阻尼计算模型;

(5)《建筑抗震设计规范》规定钢筋混凝土结构的阻尼比为ξ=0．05．对于多遇地震中的钢结构其阻尼比在不超过12层的可采用0．035，超过12层的可采用0．02．张相庭［8］对钢与钢筋混凝土两种材料组合而成的结构进行动力特性分析，得出其阻尼比约为0．03～0．04之间，并通过实验和计算的结果比对，证实了该数据的准确性;

(6)隔震技术可以有效的降低结构的地震反应，减震效果与隔震层的设置成反比，隔震层设置越高减震效果越低;

(7)参数优化后的隔震体系不但降低了隔震层以下结构的层间位移，同时更为有效的制约了上部结构绝对加速度反应，在实际工程中无论优化侧移刚度值或优化隔震支座的种类与数量都会存在允许的误差［9］．

5 结语

本文介绍了由增层改造技术所衍生的轻钢隔震增层技术，集技术创新、构造合理、省时省料等诸多优势为一体．但同时也指出，如阻尼比如何确定，尚未出现具有权威性的规范等问题，列举了现阶段的研究成果供此项技术的研究人员作为参考．总体来看，这项技术还应继续的深化研究，并最终形成一套成熟合理的增层结构体系，更好地为城市化建设服务．

［1］张 涛．既有建筑顶部钢结构加层的结构设计与抗震性能分析［D］．北京:清华大学，2005．

［2］马飞飞．框架结构轻钢加层的地震反应分析研究［D］．青岛:山东科技大学，2010．

［3］王 维．建筑轻钢增层结构与既有结构共同作用分析［D］．西安:西安科技大学，2008．

［4］祁 皑．层间隔震技术评述［J］．地震工程与工程震动，2004，24(6):114-120．

［5］刘仲阳，麻建锁，白润山．轻钢结构加层设计的隔震技术及应用［J］．河北建筑工程学院学报，2007，25(4):6-8．

［6］吕 伟．轻钢增层混合结构抗震性能研究［D］．济南:山东建筑大学，2011．

［7］吴培成．轻钢增层结构抗震设计方法的研究［D］．兰州:兰州大学，2006．

［8］张相庭．高层建筑抗风抗震设计计算［M］．上海:同济大学出版社，1997:29-31．

［9］祁 皑，郑国深，阎维明．考虑参数优化的层间隔震结构振动台试验研究［J］．建筑结构学报，2009，30(2)8-16．