既有建筑顶部钢结构加层的结构设计与抗震性能分析

（甘肃省庆阳市建筑设计院， 甘肃 庆阳 745000）

1 钢结构加层的重要作用

在社会经济快速发展下，我国钢结构产业的发展得到了有力的推动，因此，房屋加固加层行业也逐渐发展起来[1]。所谓房屋加固加层就是对既有的房屋进行加固改造加层，如图 1所示。在改革开放以前，我国大部分房屋都是低层建筑，这些建筑的抗震设防等级都比较低，这不仅对人们的生活造成了一定的安全隐患，同时这些既有的建筑也无法满足社会发展需求。因此，对于已有的建筑物进行加层加固改造是完善建筑功能的一种重要途径。房屋加层改造技术不仅可以有效缓解城市建设用地紧张的问题，同时也能提高既有建筑的安全性和稳定性。比如通过房屋钢结构加层改造，可以有效增加土地面积使用率，缓解当前城市土地资源紧缺的局面。另外，钢结构加层可以充分利用已有的建筑设施进行施工，这样一来又可以在很大程度上节省城市配套设施费、拆迁费等。通过对建筑进行钢结构加层，还可以把原有的简易并具有安全隐患的建筑改造成现代化标准建筑，不仅提高了既有建筑的安全性和可靠性，同时也能使原来的旧房屋焕然一新。

图1 钢结构施工图

2 钢结构加层的不同方案分析

不同的建筑根据不同的需求需要选择不同的钢结构加层方案，要想保证建筑物的质量和可靠性，就必须合理选择钢结构的加层方式。很多施工单位在房屋增层中主要是根据施工经验选择加层形式，然而这就会使钢结构加层施工缺乏可行性、严谨性、科学性，有时候如果选择了错误的加层形式，就会严重影响到建筑的质量和安全性。目前我国房屋钢结构加层主要有3种加层方案，即直接加层法、改变荷载传递加层法、外套结构加层法。（1）直接加层法就是在不改变建筑既有的结构模式下，直接在顶部进行钢结构加层[2]。这种钢结构加层方法施工简单，但并不适合原有建筑物基础承载力较差的建筑。（2）改变荷载传递加层法就是通过适当的改变房屋平面布置以及荷载传递途径的一种加层方案。由于需要对房屋平面进行一定的调整，所以这种钢结构加层方法具有一定的复杂性和专业性。外套结构加层法是使新建加层建筑与原有的房屋不存在承重关系，新增加层荷载通过外套结构直接传给原有结构基础的一种加层方法。对于结构承重以及适用要求需要改变的建筑，就可以采用这种加层方案进行钢结构加层。

3 既有建筑顶部钢结构加层的结构设计分析

3.1 钢结构加层结构形式

科学合理的钢结构加层结构形式对提高钢结构加层质量以及整体建筑质量而言具有重要的意义。因此，在建筑顶部钢结构加层施工中，需要根据实际情况确定加层结构形式，合理的钢结构加层结构形式应保证结构布置规则的统一性，同时还要保证抗侧刚度与质量对称均匀，这样可以有效减少地震作用下建筑结构的扭转，进而提高建筑物的抗震性能。对于钢结构加层数量较多的情况，为了提高加层结构的稳定性和可靠性，可以在竖向位置进行加固，避免出现薄弱层，这样可以促进加层架构抗侧刚度得到提高。当既有建筑为钢筋混凝土框架结构时，可以采用植筋等形式锚固加层结构的柱脚锚栓，而当既有建筑为砖混结构时，则可以在房屋顶层承重墙上设置上翻梁，以此来达到提高加层结构稳定性的目的。

3.2 柱脚节点设计

在既有建筑顶部钢结构加层的结构设计中，柱脚节点的设计也是尤为关键的内容。柱脚一般分为铰接和刚接两种形式，无论哪一种柱脚形式，都会受到来自水平剪力与轴向压力的影响，因此，这就需要在柱脚节点设计中充分考虑到诸多因素的影响。比如在对柱脚进行设计过程中，应该对锚栓的拉应力与混凝土的压应力增加进行综合考虑计算。对于柱脚形式的选择也需要根据是否传递弯矩的原则确定是属于刚接还是铰接。

3.3 下部结构加固

建筑顶部钢结构加层设计具有一定的难度和复杂性，因为，钢结构加层结构设计需要考虑到既有建筑的实际情况，以及加层后对既有建筑产生的变化和影响。为了更好地保证钢结构加层的质量和可靠性，就必须要在开始加层前对原来建筑的设计和施工等具体情况进行详细的分析，同时根据原有建筑的抗震性能鉴定报告对建筑是否需要加固进行决定。一般来说，在对建筑顶部进行钢结构加层时，都需要对既有建筑进行加固，以此来更好地保证建筑物的抗震性能和可靠性。因此，在既有建筑顶部钢结构加层的结构设计过程中，设计人员还需要根据实际情况进行下部结构加固设计。首先应计算基础的承载能力是否满足上部加层的要求，如果不能满足，首先应对基础做加固处理。对于主体结构，如果建筑下部的结构是砖混结构，那么在加层结构设计过程中就需要对原来建筑的承载力进行验算，进而选择钢筋混凝土板墙等加固方式。如果建筑下部的结构为钢筋混凝土框架结构，那么则可以使用外部粘钢加固法、预应力加固法等进行下部结构加固。

4 钢结构加层结构设计中抗震性能分析

（1）对不同的加层层数产生的影响来说，如果建筑层数增加，那么既有建筑物的结构周期和刚度都会发生较大的变化，进而就会对水平地震系数产生影响。对此，就需要在钢结构加层结构设计过程中，加强对新钢结构与旧建筑结构整体性的强化，比如通过加固措施来提高钢结构加层结构的稳定性和牢固性。（2）就有无侧移框架形式产生的影响而言，对此可以在钢结构框架中增设柱间支撑，以此来提高结构层的抗侧力性能。由于设计了柱间支撑，层间的位移角变化趋于均匀，这对于提高建筑的抗震性能也具有重要的意义。（3）就不同的阻尼比产生的影响而言，由于钢结构加层的不同，所以阻尼比也发生了变化，对此就需要在钢结构加层结构设计过程中，将既有建筑的减震耗能设计与加层架构设计相结合，对加层的结构和侧向的刚度进行科学合理的调整，以此来保证建筑的抗震性能。

5 结束语

综上所述，在既有建筑顶部钢结构加层的结构设计过程中，为了更好地保证建筑工程的质量和可靠性，就必须对整体建筑结构进行综合考虑及分析，比如要将钢结构加层设计与抗震加固进行充分结合，在保证建筑顶部钢结构加层的质量基础上，还需要保证整体建筑的抗震性能。在建筑工程建设过程中，不同的结构类型、加层层数对结构整体抗震性能都会产生直接的影响，对此就需要在加层设计过程中综合考虑这些因素，通过不断地对设计进行优化和完善，使加层的作用得到充分的发挥，同时也能保证建筑质量。

[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].清华大学，2005.

[2]王旭欣.既有建筑顶部钢结构加层的结构设计[J].建材与装饰，2016（36）：64-65.