某框架结构办公楼钢结构加层设计

2014-12-02荀士佐

科技传播 2014年21期

关键词：加层框架结构楼板

荀士佐，杨武

1.中国建筑科学研究院，北京 100013

2.北方-汉沙杨建筑工程设计有限公司，北京 100089

1 工程概况

如图1 所示，某三层钢筋混凝土框架结构办公楼（②-⑧/B-L 轴），基础形式为钢筋混凝土独基，各层楼板均为预应力空心楼板，梁柱均为现浇。工程在2000 竣工并投入使用，经过专业机构检测，结构安全。

因为单位扩编，原建筑房间数量不够，需要在原建筑上加层，方案为直接在③-⑧/B-L 轴部位增加二层钢结构，使建筑的层数由三层变成五层，增设的楼板改为钢筋混凝土的楼板，建筑的屋面采用130mm 的彩钢板，加层部分的外墙装饰选择玻璃幕墙。

图1 标准层平面图

2 结构分析

由于该办公楼的加层采用钢结构，所以建立模型和具体的节点设计采用钢结构的设计软件-STS，同时采用有限元分析软件SATWE 进行结构的验算和分析。承受的荷载严格按照《建筑结构荷载规范》(GB50009--2012)进行取值。当地的场地类别按照规范取III 类，设计的地震分组是第一组，当地的抗震设防烈度查规范为6 度，基本加速度是0.5g，建筑的抗震设防类别是丙类。对于旧有建筑的加层设计，除了要对建筑的承载能力和正常使用极限状态进行设计以外，还必须要考虑地基和基础的强度是否满足规范的要求。

2.1 建模计算的简化

建立模型：

1）对于原有建筑的1-3 层钢筋混凝土框架结构必须按照实际的使用情况进行布置，包括现有的各种荷载，加层部分则按照钢框架结构建模，填充墙不用考虑；

2）由于楼梯的刚度很小，在进行加层设计的时候，没有考虑楼梯间的刚度，建模的时候按照假定的厚度等于零的楼板上去布置楼梯的荷载；

3）对于原有建筑和钢结构的连接问题，由于原来的屋顶处的钢筋混凝土的柱子顶部配筋很密，采用植筋这种通行的做法比较困难，考虑实际情况，采用了钢结构柱子下部铰接在原混凝土柱子上。对于钢结构部分，钢柱和钢梁之间采用刚接的方式，钢主梁和钢次梁之间采用铰接的的方式；

4）钢结构加层的地震验算，还是采用底部剪力放大计算法。

2.2 钢结构的计算

由于本设计是在旧建筑的构件上直接加层，而旧建筑是钢筋混凝土框架结构，加层是钢结构，导致最终结构体系会出现变化，钢筋混凝土结构的自重和刚度比上部的钢结构大很多，最终的结构是混合结构的体系，上柔下刚，连接处出现了刚度的变化，为了解决这一问题，在结构的两端必须增设一定的柱间支撑，目的是增加整个结构的稳定性。

如前所述，采用底部剪力系数放大法计算钢结构加层部分的地震效应和风荷载效应。钢结构和下部的钢筋混凝土结构的质量和刚度变化很大，上柔下刚，所以在软件中发现高阶阵型对于钢结构的影响很大，会导致钢结构和钢筋混凝土结构之间的振动周期不一样，钢结构的振动加速度会大于钢筋混凝土结构。导致出现了很明显的鞭梢效应。如果按照底部剪力法对抗震进行验算，其要求各个楼层按照一个自由度设计，但是假设的直线振型往往会忽略高阶振型的影响因素，本结构上下部分的质量和刚度变化很大，必须要考虑高阶振型的影响，所以按照底部剪力法进行验算的时候必须要乘以一个动力放大系数。这样符合实际情况，能够很好的满足结构设计的要求。

3 新旧结构之间的连接

3.1 混凝土框架柱与钢柱的连接

对于本工程而言，钢筋混凝土和钢结构之间的连接，设计的关键问题是原有结构柱子和新加层的钢柱之间的连接，为了保证结构的安全，连接必须稳定，才能保证传力。

钢结构加层部分的柱子、梁、和支撑全部都是强度是Q345 的H 型钢，如前所述，加层钢结构中的钢柱与下部钢筋混凝土框架柱之间是采用铰接的形式，这样，柱脚部分受力合理，只承受轴心力和水平剪力。水平方向的剪力是靠底板与混凝土基础之间的摩阻力提供。本工程在钢柱底部设置了垫板和加劲肋，通过植筋的方式与钢筋混凝土柱顶连接。如图2 所示。