钢结构设计在混凝土框架顶层加建的分析

于群

目前国内钢结构加建业尚处于发展阶段，技术发展仍有很大的提升空间，在城市化不断深入的背景下，加建业的设计已经成为业界关注的焦点。为了达到这一目的，需要准确地理解混凝土框架和钢结构框架的特性。本文主要对混凝土框架顶层钢结构设计进行分析，以便进一步优化该施工工艺。

与混凝土框架相比，钢结构框架自重较小，但其延展性、耐温性、密封性均相对较差，而且受外部环境侵蚀较大，不适合用于整体建筑框架。从力学方面来说，混凝土结构和钢框架结构都是基于传统的力学原理，用相应的公式来计算受力，从而达到建筑设计所要求的施工标准。为了保持结构的稳定性，两种结构在抗震设计过程中都需要加入符合相应标准的抗震体系。

对于建筑物来说，地震是主要的破坏因素，混凝土结构由于自重较大，在面对地震时，主要表现为开裂和局部坍塌，而钢结构在地震作用下，会发生整体扭曲变形。相关部门及工作人员在设计、施工过程中，应充分把握两种结构之间的关系，以钢筋混凝土结构为主体，充分发挥钢架结构的辅助作用，以提高建筑物的整体稳定性。

一、钢结构设计在混凝土框架顶层应用要点

1.合理计算顶层平面设计

在进行平面设计时，必须科学、合理地进行计算，另外在平面设计时，还应注意空间的布置与设计，还要对钢结构的各项工程内容进行详细的计算，以便于根据科学的资料和标准进行设计。

2.重视建筑物承载重量的负荷设计

加建钢结构在混凝土框架顶层设计时，应着重于基础承载物重量的设计，更重要地是要保证基础承载物的设计符合相关规范和标准，以保证其能够承受建筑顶层的整体重量，同时又能满足整个建筑的荷载要求，从而进一步提高整个建筑的稳定性。另外，基础设计所承受的荷载必须大于建筑物实际承载物的重量，如果建筑物的实际承载物大于建筑物的实际承载物，则会在很大程度上会增加整个建筑物的安全隐患，不能有效地保证建筑物的安全，从而对人类的生命安全造成极大的威胁。

3.楼板开洞面积的设计要准确

对建筑楼板的开孔，首先要进行专业、准确的设计；其次还要考虑实际情况，计算楼板的开孔面积。经过计算和设计，我们需要注意的是，楼板开洞的面积不到总楼顶面积的30%，只有这样才能保证整体结构稳定。但是，当楼板开孔面积大于30%时，可以在楼板开孔边缘开30%以上的孔口，设计出一些弹性节点，这是最有效的解决方法。

二、混凝土框架顶层钢结构加建的特点

1.优点

（1）在建筑工程中对钢结构进行加建，可以在很大程度上解决占用土地的问题，节约土地资源，提高土地利用率，并能进一步缩短工程建设周期。

（2）由于建筑工程施工中，钢结构本身的重量一般都比较轻，所以可以在很大程度上减少建筑工程的工作量，同时还可节约建筑工程中一部分施工费用。

（3）由于钢结构本身的多样性很大，在建筑工程施工中可以充分利用钢结构空间的灵活性，从而进一步减少对原有建筑结构的影响。

（4）在建筑工程施工中，对钢结构的加建有着十分广泛的应用，不仅在住宅建筑中，还可对钢结构进行加建，既可在工业建筑中加建，也可对钢结构进行加建。

2.缺点

（1）加建建筑物的工程完成后，整个建筑物的主要结构将变成刚度分布呈头轻脚轻的现象，这将极大地降低建筑物的整体质量，进一步降低建筑物的抗震能力，从而降低建筑物的安全。

（2）钢结构耐久性差是钢结构的一些致命缺陷，因此，在建筑施工过程中，必须充分考虑钢结构的防腐防火措施，以便在一定程度上增加建筑材料的使用量。在此期间，不仅要考虑原材料的来源和质量问题，而且还要考虑原材料的成本问题，这样可以进一步增加整个项目的资金预算。

三、混凝土框架顶层加建钢结构的设计要点

1.注重建筑物的抗震设计

加建钢结构在建筑顶层设计中，应根据建筑的抗震性能，区分不同用途的建筑和不同地区的建筑。同时，加建钢结构对已有结构体系抗震性能的影响也不容忽视，必须加强对加建钢结构的抗震计算和构造措施。在加建顶层的钢结构中，其整体质量、刚度和使用寿命都会发生很大的变化，因此，既要对加建结构进行抗震设计，又要按照现行规范对原结构进行抗震设计。

2.注意温度的控制

由于原建筑的顶层温度较高，因此在设计时很容易忽视顶层温度控制，而这往往会使加建的钢结构顶层受到温度因素的破坏，造成室内墙裂，影响室内保温效果，缩短使用寿命，对钢结构温度要严格控制，减少温度应力对钢结构的影响。

3.基础承重的负荷设计

加装结构的自重对原有基础有一定的承载力，设计时应使整个结构的基础荷载低于原有结构基础的设计承载力，以免出现安全隐患。按现行规范的要求，可通过复核原结构图纸中基础的设计尺寸、加固要求等，对原结构和加建的结构总重进行承载能力复核。如基础承载力不足，应采取加固措施。

4.楼板设计要点

设计工作中可根据具体情况，采用多种方法进行处理，目前主要采用的加固技术是现浇混凝土技术，这样可以有效地提高钢结构楼板的稳定性和安全性，同时在钢结构楼板的选型上，为防止混凝土外压对钢板的破坏，可以选择延展性好、自重小的轻质钢板或花纹钢板。就钢板顶的设计而言，从建筑本身的重量考虑，可以在设计施工中采用轻质钢板顶，既减轻了建筑的整体重量，又使造价与施工环境相适应，还可以采用组合式楼板顶设计，使压型钢板与浇注混凝土的配比更好，从而提高结构的整体稳定性。当前在施工工艺选择过程中，一般采用复合工艺，经实践研究证实，压型钢板与浇注混凝土工艺组合的方式弹性较大，可根据施工工程的实际情况，确定具体工艺组合程度，实时保证施工安全。

5.钢结构柱设计要点

钢构顶层加建结构柱的施工技术主要有两种：一种是钻孔连接法，即用过渡钢板将结构柱插入建筑的混凝土柱头，钻孔后再用锚固钢筋焊接，使锚固柱与钢结构柱连接。本发明可以提高施工效率，大大提高施工可操作性，但其缺点是稳定性差，柱体的耐久性能差。在这方面，我们可以采取适当的措施来加强。

现在比较常用的方法是把钢柱内的钢筋加热，然后通过底板开洞焊接到底板上。然后用细集料混凝土调平。但是，这一方法也有其缺点，会导致建筑的整体抗震性能下降，因此在施工过程中应根据地理环境酌情采用。

另一种是U 形箍连接法，其基本原理是通过钢柱子下部的U 形箍将钢柱子与底板连接，这种方法具有很好的稳定性和耐久性，但仅适用于小规模建筑，大型建筑的应用空间并不大。

另外需注意的是，钢结构柱在施工过程中，需要根据建筑物的性质和附加的具体规定，制定柱脚的连接方式。如某建筑物的混凝土结构为5 层，加建钢结构为2 层，两个结构间采用大底盘式连接方式，采用抗震缝作为单体结构中的隔断。根据地区抗震设防烈度要求，可采用混凝土外包柱脚进行设计，并利用相应的结构设计软件进行模型计算，从而了解柱脚受内力变形的情况，计算出柱脚的抗形变承载力公式。

与此同时也要注意把握截面设计的要点，一般柱子的截面宽度和高度保证大于300 mm，柱子直径保证大于350 mm，还需要计算截面短、长边比，一般情况下其比值不能大于3，柱子纵向的钢筋比例必须保证在0.2%以上。对于钢梁的设计而言，这些参数的控制尤为重要，只有严格参照标准，才能使钢结构柱发挥最大的作用，为工程施工提供稳定的安全保障。

6.梁设计要点

在梁的设计工作中，应结合施工规范与施工实际，灵活运用。从具体参数来看，梁的截面宽度应保证在200 mm 以上，宽高比应在4 以下，而且在梁的设计过程中还需要有钢筋支撑，以有效地保证钢结构梁的稳定性，因此在配筋时应注意对材料的选择和配比，使钢结构梁的整体稳定性和安全性达到标准要求。另外，在设计过程中还应注意梁中线和柱中线之间的衔接问题，采用双向布置结构，并通过结构模型对扁梁参数进行相关计算，以保证整个工程的稳定。

7.连接设计要求

根据相关设计要求，钢制柱脚的设计主要可分为铰接式和刚接式。对于没有吊车的轻钢结构，一般采用铰接式柱脚。使用化学植筋，钢柱可以与原始混凝土柱进行有效的连接，在这种情况下，化学植筋的作用就是铰接，其作用是柱脚锚栓，而在混凝土柱中，锚栓的埋设深度可以达到不同的拉力，从而能够有效地传递柱子与混凝土之间的粘结力。本实用新型主要用于下翼缘板与钢柱翼缘的连接，并将摩擦型高强度螺栓应用于钢梁腹板与钢柱翼缘之间，从而实现栓焊的刚性连接。此外，在连接过程中，还可以采用钢梁端部的焊接端板和柱翼缘穿孔螺栓，使连接梁柱具有刚性。在“人”字形屋脊采用刚性连接，钢梁可与传统梁端焊接端板连接，并可上安装高强度螺栓进行屋脊的刚化处理。

8.其他设计要点

对于混凝土框架顶盖加建钢结构，从宏观上看，需要对基础承重构件是否合理进行综合判断。对施工现场设计工作中出现的问题及时进行调整。一般情况下，在加建钢结构设计中，不考虑混凝土框架对钢结构的承载力，因此，在进行加建钢结构设计时，应综合考虑混凝土框架和加建钢结构的承载力，充分利用建筑模型的评价作用，以判断结构设计是否合理。在混凝土框架结构中，应避免钢结构的加建。当模型计算过程中发现问题时，需要对加建钢结构设计方案进行适当的调整，当加建钢结构缺少变化空间时，可与建筑主体结构设计者进行充分的沟通，对混凝土框架进行加固，最终达到建筑的整体稳定。

四、结语

综上所述，加建钢结构的合理使用，有助于提高建筑的稳定性，因此加建钢结构的设计工作应充分把握设计要点，从整体上和细节上入手，以科学合理的设计工作来指导施工，从而达到建筑经济效益的最大化。本文通过对混凝土结构和钢架结构的性能进行对比分析，提出了顶层加建钢结构的设计要点，希望有关部门结合实际情况，加以有效应用。