钢结构加层方法的研究

蒲 静

（杨凌职业技术学院， 陕西 杨凌 712100）

0 前言

随着全球经济加速发展，城市建设的规模不断扩大，增长和扩展城市用地成为必然要求。而且社会的发展也促使人们对建筑功能和居住条件要求的提高，住宅建筑需要较大的室内活动中心，商业建筑需要较大空间的会议室，而现有的低层和多层的建筑已不能满足人们的需求。如何开辟新的发展空间、地域范围和保护环境已成为各大都市可持续发展的必然要求。在这些疑问下出现在原有结构上加钢结构这一加层方法，直接有效的解决了以上问题。

1 加层方法

对于不同形式的既有建筑物，需要采用合适的方法来进行加层改造。因为对于结构设计工作者而言，既要保证设计的轻钢加层结构具有较高可靠性、安全性和抗震性能，并且要达到高性价比，避免钢材的浪费。轻钢结构加层方法主要可以分为三种方法，即直接加层法、改变荷载传递法和外套结构加层法。

1.1 直接加层法

指在原建筑平面布置和原结构承重体的系不改变的前提下，直接在原有建筑上加层的方法。但是这种加层方法要求原结构拥有较多的承载力，因为加层的全部或部分荷载将由原建筑的基础、梁和柱来承担。所以使用这种加层方法的条件是原结构和基础的承载力和变形必须满足规范要求；或者是仅对局部进行加固处理。直接加层具体包括以下四种情形：（1）原结构不需要加固；（2）原结构需要抗震加固；（3）原结构需要承重强度加固；（4）原结构需要抗震和强度加固。这种加层形式的优点是工程造价较低、施工方便以及工期较短，但需注意加层结构的层数一般不超过3层。

清华大学在2000年时，对建于50年代的主楼直接进行加层，中间主体部分增加两层，局部增加三层，加层后整体结构如图1。

图1 清华大学主楼加层后全景

1.2 改变荷载传递法

若原有建筑的基础承载力或承重结构不能满足加层后的承载力要求，或因改变建筑使用功能而改变建筑平面和结构布置，进而使荷载传递途径发生改变时，可以增设部分墙体、柱或进行局部加固等方式来满足房屋的加层要求。

1.3 外套结构加层法

外套结构加层法是在原有结构外部新建一个独立的承载基础，将加层结构的上部荷载通过合理构件传至新建基础的加层改造方法。加层结构基础既可以与原有结构公用，还可以独立重新布置。此方法适用于在改变建筑的使用功能后，原有建筑结构的承载力不能满足加层后的荷载条件，需重新设置满足上部加层结构承载力的基础。这种方式的加层层数、建筑造型不受约束；并且不受原有建筑不合理的平面和结构的约束；解决了原有建筑结构与加层部分之间使用寿命的差别。

2 加层结构的优势

近几年我国不断加强对既有建筑的加层改造，加层数量不断增大，加层适用范围更大、更广，新的加层工艺和材料不断出现，而轻钢结构独特的优势使它在加层结构中得到了很大的应用。

(1) 良好的抗震性能【1】。钢结构属于柔性结构，延性好、强度高，在地震作用下其变形能力具有很大的弹塑性，这样能吸收大量的能量，减轻结构所受地震作用，保证了结构安全性。

(2) 重量轻。钢结构加层部分相比同类混凝土结构减轻了1/3～1/2的自重，降低了结构重心，同时也减轻了上部加层结构对基础的作用力，以及其加固的工作量。

(3) 新加层数不受限制，加层部分的建筑平面不受原建筑平面的限制。

(4) 施工方便，无需支架和大型施工机械，需要的施工场地较小，全部干作业施工。

(5) 施工周期短，综合经济效益好。钢构件在工厂标准化生产，质量稳定，在现场进行拼接安装，不受季节环境影响。

(6) 绿色环保。钢材可拆卸，回收利用，符合国家环保政策、可持续发展战略以及土地资源政策。并且无噪声、无污染。

(7) 钢结构加层可以做到加层整体结构的外侧统一装修，增强建筑表现力。随着近年来钢结构住宅建筑的优势不断受到青睐，如使用方便舒适、造型优美、平面布置灵活，使这种新形式的轻钢结构体系前景更加广阔。

3 加层结构的不足

轻钢加层因具有独特的优势而被广泛应用。但是轻钢加层后，原有结构自重和侧向刚度比上部轻钢加层结构的大，建筑物成为了“下部重上部轻”，“下部刚上部柔”的质量与刚度不均匀分布，具有突变的复合结构体系。在水平荷载作用下，加层部分的钢结构会产生明显的鞭梢效应【2】，加层结构首层易产生薄弱层。这些都会影响到建筑物的整体协作抗震能力。原结构与加层结构的连接(即柱脚节点)是保证加层部分的内力能很好地传递到原结构以及保证加层结构整体受力性能的重要影响因素。而节点是结构传力的关键部位，同时是结构抗震的重要部位。轻钢加层柱脚节点的特殊性，即此复合材料节点由混凝土和钢材组成，对轻钢加层复合结构的整体性抗震性能有重要作用，所以一般对柱脚节点进行加固处理。而加固形式中，外包钢加固强化节点具有优于其它加固形式的特点。