李春芳 王 东

将既有建筑的平屋面改为坡屋面建筑简称为“平改坡”,“平改坡”工程一般情况属于对屋面修缮整治,现在大量出现的“平改坡”工程多是对年代相对较长的建筑进行外观美化,在不影响建筑安全使用的前提下改善其屋面防水隔热的性能,极大改善了城市的住宅景观效果。

1 “平改坡”设计时应该注意的问题

“平改坡”涉及到的建筑大多为年代相对较早的老建筑,且多为普通多层住宅,鉴于老建筑的情况多种多样,为了保证“平改坡”工程安全实施,对计划进行“平改坡”的建筑应观察是否有裂缝、沉降不均匀等现象,判断建筑物的沉降是否已经稳定或者尚在进行中,如果存在以上问题,应慎重处理,以免建筑物沉降时损坏新作屋面的防水层。对于底框结构(即底层为框架结构,上部为砖混结构,底层的1层～2层框架托起上面3层～4层的砖混结构)、超长结构或者层差较大的结构以及单元拼接有过大弯折且未设置沉降缝的多层住宅非常容易出现裂缝、沉降不均匀的现象,对这些情况要对结构进行认真复核,然后再考虑能否及如何实施“平改坡”。“平改坡”工程可以明显改善城市的建筑景观,所以城市中的大量临街多层住宅被列为“平改坡”对象,这类建筑可能存在破墙开店作商业用房,有些还存在违规搭建的现象,此类建筑在进行复核时要注意检查是否有拆除承重墙的现象,如果有则需要谨慎处理。

“平改坡”工程的详细复核需要对工程的原始资料进行收集,这项工作繁琐但是非常重要,需要收集的必备资料包括:总平面图(了解“平改坡”建筑与周围建筑的相对关系),建筑平、立、剖面图,结构基础平面图,屋面结构布置图等全套的结构设计图纸及竣工图纸,原有的屋面防水隔热措施及作法。对结构形式复杂的建筑设计单位应进行实地踏勘,对收集到的资料进行认真分析后才可以进行“平改坡”设计工作。

2 “平改坡”建筑屋面的结构布置

1)仅在原有建筑屋面外墙的圈梁植入钢筋,然后新浇筑一圈钢筋混凝土圈梁,新、旧圈梁通过植入的钢筋连接为整体,并以此新增加的钢筋混凝土圈梁作为上部轻型刚架的支座。在此圈梁上需要支撑轻型刚架的位置预先做好埋设件,再将轻型刚架与埋设件连接,上部刚架的计算可按两端简支的桁架进行内力和截面设计(见图1),各榀桁架之间再通过系杆、支撑等联系起来,使其成为完整的受力体系。这种结构布置方案的特点是:仅在外墙一周新增钢筋混凝土圈梁与原有圈梁对齐,新旧屋面的连接及整体工作性能相对较弱,对于双坡屋面上部的轻型刚架采用三角形桁架,两端支座为铰接,屋面的整体横向刚度较低,荷载作用下三角形桁架的抛物线弯矩图与屋架的三角形外形相差悬殊,致使这种屋架的弦杆受力不均,支座处内力较大,跨中内力小,弦杆截面不能充分发挥作用[1]。

三角形屋架的腹杆布置方式通常有人字式(见图2a))和芬克式(见图2b))。芬克式的腹杆较多,但是它的压杆短、拉杆长,受力相对合理,而且可以分两个小桁架制作和运输,较为方便。人字式腹杆的节点较少,受压腹杆较长,适用于跨度较小的情况,但是人字式屋架的抗震性能优于芬克式屋架,所以在强地震烈度地区,常用人字式腹杆的屋架[2]。

“平改坡”工程中一方面考虑工程造价需要尽量减少用钢量,另一方面,新增加的上部结构的重量尽量要小,以减小对建筑物地基基础的影响,所以对跨度较小(≤15 m)的建筑[3],可以采用在建筑物外墙一周新增圈梁,其上支撑两端铰接三角形桁架的方案。

2)在原有建筑屋面外墙一周布置圈梁,同时在需要支撑上部轻型刚架的横向承重墙位置布置钢筋混凝土卧梁,新布置的卧梁位置尽量与承重墙重合,不能重合时,需设置架空梁,架空梁的两端应支撑在原有承重墙上,其余梁底均用20 mm厚聚苯乙烯泡沫塑料垫起,不与原屋面直接接触。在圈梁、卧梁及架空梁上设置埋设件来支承轻型刚架的小立柱,再由小立柱支承屋面斜梁,此轻型刚架可按多跨连续梁进行内力和截面设计(见图3)。采用这种方式进行结构布置,增加了卧梁及架空梁,与外墙圈梁连成整体,增加屋面整体刚度,整体工作性能得到改善,对结构的抗震性能有较大提高。同时通过内力计算及截面尺寸比较,在合理的位置布置轻型刚架的小立柱,通过控制立柱的间距来调节屋面斜梁的跨度及截面尺寸,已达到受力合理,截面经济的效果。

所以,当“平改坡”建筑物的跨度较大时,可以在合适的位置增加卧梁和架空梁支承小立柱,在小立柱上架设屋面斜梁的结构布置方式,屋面斜梁的跨度宜控制在2 m～3 m内,小立柱的高度控制在3 m之内较经济[3]。

3 “平改坡”建筑的地基承载力

“平改坡”建筑在原有建筑基础上增加了荷载,一般情况下“平改坡”使用轻质材料,荷载增加较小,而且进行“平改坡”的建筑物大多建成年代相对较长,对于沉降已经稳定的建筑或者经过预压的地基,可以适当提高地基承载力[4]。对于一般的砂性土、黏性土的地基承载力提高值见表1[6]。

表1 地基承载力提高系数取值

性质不同的土体在外荷载作用下完成沉降固结的时间也不相同。土体中控制其压缩和抗剪强度的应力称为有效应力[5]。土中应力状态变化引起的土体积变形即土体的压缩和地基最终固结沉降,都只依赖于土中的有效应力,而与时间无关;然而,研究外荷载作用下地基土体压缩、孔隙中部分水量视土透水性强弱和排水条件以不同速率排出时,土体固结速率和相应的有效应力增长速率则是时间的函数,在固结过程中,土体强度逐渐增长,而透水性也逐渐降低。在荷载作用下,透水性大的饱和无黏性土,其压缩过程在短时间内就可以结束。相反,黏性土的透水性低,饱和黏性土中的水分只能慢慢排出,因此其压缩稳定所需的时间要比砂土长得多,其完成固结沉降的时间也相应较长。

4 结语

1)对旧有建筑实施“平改坡”工程时,要仔细调查了解建筑物的结构体系、使用状况,查找原始资料并结合实地踏勘,充分掌握待改工程的历史、现状后制定科学的施工计划,以确保“平改坡”工程的实施既经济又合理。2)针对“平改坡”建筑的不同建筑功能、结构形式,制定合理的结构布置形式,比较文中所述两种结构布置方式,因地制宜,合理选择。3)“平改坡”建筑会增加地基的荷载,通过控制外加荷载大小来尽量降低经济指标,地基原有的承载力就可满足新的承载要求时,则方案较为经济,施工也比较方便。

[1] 魏明钟.钢结构[M].第2版.武汉:武汉理工大学出版社,2002.

[2] 包头钢铁设计研究总院,中国钢结构协会房屋建筑钢结构协会.钢结构设计与计算[M].第2版.北京:机械工业出版社,2006.

[3] 03J 203,平屋面改坡屋面建筑构造[S].

[4] GB 50007-2002,建筑地基基础设计规范[S].

[6] 张礼顺,张力伟.对房屋增层地基承载力的评定[J].黑龙江科技信息,2002(12):62.