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加層輕型鋼結構設計探討

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:25:58 [收藏]

    楊鳳第

    [摘　要]　在原建筑物上加層輕型鋼結構，不只進行輕型鋼結構本身的設計，還應考慮因加層所引起原建筑物構件內力變化，以及使用功能變化。本文論述了加層輕型鋼結構對屋頂板、承重結構、地基及基礎、抗震設計、消防通道及消防設施、施工荷載等項校核；同時對原建筑物結構現狀評估、履行建筑設計審批程序、設計任務委托等問題提出見解。　
    [關鍵詞]　加層輕鋼結構　　整體結構設計　　消防設施校核　　結構現狀評估　　設計審批程序

    當前普遍存在城市用地緊張，于是產生了在原建筑物上加層輕型鋼結構，以擴大原建筑物的使用面積，在新疆地區加層輕型鋼結構為數不少，個別建設單位認為輕型鋼結構較輕，在原建筑物上加層輕型鋼結構不會對安全產生影響，這種認識不全面也無根據，是否有影響必須經過具體設計才能有科學判斷。
    所謂輕型鋼結構是相對重型鋼結構、鋼筋混凝土結構、磚混結構而言，并不等于沒有重量，其影響程度除取決于增加輕型鋼結構層數及使用功能外，還取決于原建筑物層數、結構形式、建造年限、原建筑物功能、周圍環境影響等因素。
    總之，很難概括什么結構可以加層，什么結構不可加層，只能對具體工程做具體建筑設計、結構設計、消防設計、設備負荷設計，遵照相關規范或規程將加層與原建筑做為整體進行設計。
    任何一個建筑物都關系到人身安全和財產安全，對加層輕型鋼結構要慎重，避免造成不必要的損失，我們認為所有加層輕型鋼結構工程必須認真進行以下各種校核。
    1 建筑物結構現狀評定
    首先了解建造年限、結構外觀風化程度、基礎堿蝕程度，尤其是磚混結構現狀要認真的逐條軸線進行檢查，特別是新疆地區，地下水硫酸鹽成份含量較高，對建筑物有較強腐蝕性，不僅對原建筑物地上墻體有腐蝕性，對地下基礎也有較強腐蝕性，一定要認真做出全面評定，判定原建筑承載能力削弱程度。不僅外觀檢查要做定性評定，混凝土結構還要對板、梁、柱混凝土實際標號進行檢測，做出定量評定，給結構校核提供實際的材料強度依據。
    2 結構設計校核
    2.1 屋頂板承載能力校核
    原建筑物屋頂板只承受自重、保溫層、防水層等恒載，以及使用活荷載與雪載中較大的荷載。除屋頂花園、上人屋頂、高寒地區雪載外，一般雪荷載均小于不上人屋頂荷載，其屋頂予制板允許荷載等級一般低于樓層予制板允許荷載等級，現澆屋頂板其配筋量也低于樓層板。
    加層后將其屋頂變為室內，原來不上人屋頂板變為樓層板，原建筑物屋頂板承載能力一般不能滿足樓層板使用要求。如果加層后做為會議室、圖書閱覽室、文娛活動室之類的用途，原屋頂板承載能力可能相差甚遠。此外還應詳細了解加層輕型鋼結構的施工方案，屋頂是否
    有較重堆載的可能，應限制施工時較重堆載及沖擊荷載對屋頂板的影響。
    2.2 承重結構承載能力校核
    原建筑物不論是混凝土結構還是磚混結構，均沿柱網或軸線設置一定數量的柱子或墻體，其恒載、活載、風載、地震荷載由原承重結構共同承擔，而加層輕型鋼結構，為發揮其結構優點往往做成大柱網，甚至做成門式剛架結構，將加層的所有荷載由少量邊柱或外墻承擔，尤其在新疆高寒地區雪載、風載都很大，有的地區抗震設防烈度也很高，加層后對原建筑物邊柱或外墻產生的內力超過原建筑物承載能力，所以必須進行認真校核，保證結構安全。
    2.3 抗震設計校核
    由于加層使建筑物高度及總質量增加，所以原建筑物的振型、周期都有相應改變，構件內力相應增加，應將加層部分與原建筑物做為一個整體建筑進行抗震設計，有些設計單位簡單的將加層輕型鋼結構單獨計算，而且邊界條件當做地面建筑，假定為固端，忽略了原建筑物頂部在地震力作用下的位移，影響上部加層鋼結構的內力，對于在高層鋼筋混凝土結構上加層輕型鋼結構，還應考慮剛度突變對構件內力的影響，尤其在抗震設防烈度較高地區加層輕型鋼結構的內力，必須要與原建筑整體計算。
    2.4 地基及基礎校核
    原建筑勘察深度、地基處理方案、基礎設計方案，是根據建筑物結構形式，建造層數確定的，當加層后增加原建筑物總高度及總質量，即加大原基礎反力，首先應校核原基礎寬度和基礎配筋是否滿足建筑物加層后的基礎要求。有時基礎寬度和配筋雖然能滿足建筑物加層后的要求，但由于基礎壓力增大，對地基影響深度加深，有時會影響到基礎下面軟弱下臥層，有時持力層滿足要求，軟弱下臥層卻不滿足，尤其在沿海地區許多城市地質上存在軟弱下臥層，應引起足夠重視。原建筑各軸線基礎寬度及配筋各不相同，其目的是使各基礎對地基產生的壓力接近，保證房屋均勻沉降，不至于使上部承重結構或建筑裝飾產生裂縫。
    當加層后可能導致原建筑物基底反力不均，使得沉降不均，可能使原建筑物承重結構或建筑裝飾產生裂縫，在沿海軟土地基區域更要引起重視。
    3 建筑設計校核
    消防通道設計是建筑消防設計的主要內容，直接關系到失火時建筑物內人員能否在短時間內順利撤離，保證建筑物內人員的生命安全，消防通道總寬度是根據建筑物層數、使用功能、使用人數，依據“建筑設計防火規范”或“高層民用建筑防火規范”設計確定。
    建筑物加層后，首先是使用人數增多，應校核原建筑物消防通道寬度及布置是否滿足加層后的要求，如果是加層后改變了原建筑物使用功能，應以新的功能標準進行校核，比如原建筑物是倉庫或辦公樓，加層后變為娛樂場所或會議室，原建筑物是非易燃品倉庫加層后變為易燃品倉庫，原建筑物耐火等級可能不滿足新的功能要求。有時原建筑物加層后，因建筑物總高度增加，可能由多層建筑變為高層建筑，消防設計使用的規范也不同，由“建筑設計防火規范”設計，改用“高層民用建筑防火規范”校核，這是一項十分重要的校核項目。
    4 消防設施校核
    當加層后建筑物總面積加大，總高度增高應校核原消防設施是否滿足加層后建筑物的要求，比如原消防管道直徑，消防泵揚程，消防儲水池容量等，必須認真校核，是關系到人身生命和財產安全的大事。
    5 施工校核
    在原建筑物上加層輕型鋼結構，施工時遵守的原則就是：不能因加層施工而降低原建筑物所有構件或墻體的安全度。為此，除對加層輕型鋼結構及原建筑物進行全面設計與校核外，還應對原建筑物進行施工設計與校核，比如加層輕型鋼結構在原建筑物上的錨固必然要對原建筑物剔鑿，放置埋件或錨栓，磚混結構剔鑿后，對原建筑物屋面梁的支座長度有影響，梁的錨固鋼筋被暴露，受拉鋼筋錨固長度減少。尤其是鋼筋混凝土框架梁和柱為剛接，當剔鑿后梁和柱變為鉸接，加大了梁的跨中彎矩，受力狀態發生變化，必須進行校核。加層后原來的屋頂變為樓層，樓梯要接建，接建樓梯時必然要揭開原屋頂的部分屋面板，接建樓梯的錨固對原建筑物的影響，一定要慎重校核，保證結構安全。
    6 履行建筑設計審批程序
    由于原建筑物層數增加，首先應交消防部門審核消防通道和消防設施，其次是規劃部門審核加層后與周圍建筑物之間的間距是否滿足規劃間距要求，是否會因加層使前樓對后樓遮擋，影響后樓采光，尤其周圍是商品房，因前樓加高改為了業主購房時周圍環境，通常是不允許的，有時加層后可能不存在遮擋和采光問題，但加層后可能改變了建筑物的功能，比如原建筑物為辦公樓，加層后做為娛樂場所，因晚上活動時間較長，干擾周圍居民，可能引起糾紛。所以建設單位擬在原建筑物上加層輕型鋼結構必須經過審批程序，設計單位最好是初步設計審批后再進行施工圖設計。
    7 設計任務委托
    要取得以上校核項目的原始資料，最好委托建筑物原設計單位設計，只有原設計單位，才能擁有原建筑物的地勘資料、計算資料、全套施工圖紙以及施工中變更資料。對于建造年限較久，且原始資料已丟失的建筑物，如果盲目的、毫無根據的加層會給整體建筑物留下極大安全隱患。對于建設單位可能不了解設計程序，對盲目加層帶來的不良后果估計不足，所以設計人員必須嚴把設計關，對將來使用者人身安全及財產安全負責。
    工作中經常遇到，擬加層輕型鋼結構的建設單位委托輕型鋼結構專項設計資質的單位設計，我們認為輕型鋼結構專項資質設計單位難以勝任，首先很難取得校核所需全套資料。也沒有多專業綜合設計能力，更不具備建筑、設備、消防的設計資質。只顧加層輕型鋼結構本身的結構設計，不做全面校核則不能保證建筑物整體安全。
    8 結語
    不論是建設單位、設計單位、施工單位、消防及建設審批機構應各負其責，在保證建筑物及人身安全的前題下做好加層輕型鋼結構工程每一環節，有科學依據的擴大建筑面積。
    以上所提校核及相關問題可能有不妥之處，愿與業內人士共同探討，使加層輕型鋼結構工程更加科學與安全。
    參考文獻
    1.GB　50009－2001　　　　　　建筑結構荷載規范
    2.GB　50007－2002　　　　　　建筑地基基礎設計規范
    3.GB　50011－2001　　　　　　建筑抗震設計規范
    4.GB　50003－2001　　　　　　砌體結構設計規范
    5.GBJ16－87（2001年版）　　　建筑設計防火規范
    6.GBJ50045－95（2001年版）　高層民用建筑防火規范
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