套建增層預應力鋼骨混凝土框架結構研究

周 俊 羅輝輝 胡鵬飛

(1.揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127; 2.揚州大學廣陵學院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

隨著加固改造技術在國內的發展，套建增層作為一種新的結構，已經在工程實踐中得到了越來越多的研究和應用。套建增層指在不妨礙既有建筑及基礎的前提下，通過外側框架柱的支承越過原有建筑，在其上實現增層的目的的新技術。套建增層可分為分離式和協同式兩種結構型式。

分離式套建增層作為一種與既有建筑分離、不影響既有建筑正常使用，可避免將施工階段荷載傳至既有房屋的屋蓋，既保證了既有房屋的安全，又保證了既有房屋的正常使用。

對于建筑高度較高的既有建筑，宜采用協同式套建增層結構。用連桿連接增層結構柱與原結構各層的結點，使原建筑與套建增層建筑構成水平協同變形、豎直方向相對自由變形的結構型式。可以縮小套建增層結構柱的截面尺寸，套建增層結構“高雞腿”效應[1]得到了緩解。

本文介紹了國內套建增層預應力鋼骨混凝土框架結構近年來的研究進展，主要包括分離式套建增層框架的相關問題研究和協同式套建增層框架的相關問題研究，最后提出了既有房屋套建增層的套建增層功能改造存在的主要問題。

1 分離式套建增層框架相關問題

我國雖然開展了一些既有房屋的套建增層實踐，但系統的理論與試驗研究尚需進一步深入。

高劍平[2]對磚混結構的建筑外套框架四層(在原2層磚混建筑結構模型基礎上套建增層增加到4層)進行縮尺比例為1/5的振動臺地震模擬模型試驗。利用了模態識別技術測了建筑結構模型的動力特性，觀測到了裂縫開展形態和地震響應。試驗結果與理論分析都說明：對于外套增層建筑層數較低、高寬比較小建筑結構的振動與破壞均以結構的剪切變形為主，新舊結構交接相鄰的上下樓層有可能成為薄弱環節。

王琨等[3,4]基于兩榀配置核心鋼管的鋼筋混凝土柱—鋼骨混凝土梁組合框架試件在水平低周往復荷載作用下的試驗研究，主要對其力學性能非線性分析和抗震性能進行了研究；對型鋼混凝土梁—角鋼混凝土柱框架恢復力模型特性進行了研究，相關研究可為簡化結構彈塑性動力分析提供參考[5]。

計靜等[6]構建了一種帶預應力以內置H型鋼混凝土組合梁作為框架梁、以內置4個或8個角鋼混凝土柱為框架柱的新型框架結構,該框架適用于既有房屋的套建增層改造工程。給出這種新型框架結構的施工方案和節點構造,可為套建增層工程提供設計參考。

宋健[7]闡述了外套框架加層設計的一些基本要求并給出外套—支撐框架的加層結構、外套框架—剪力墻的加層結構、外套框架—舊框架的短梁連接加層結構的彈性設計方法和施工方法。

張春梅[8]提出了采用空腹疊置桁架進行外套增層的方案，并對一榀跨度為19 m，底層結構層高為22.55 m，上部結構層高為4 m，上部增加層數為三層的外套空腹疊置桁架進行了抗震性能分析。結果表明，采用空腹的疊置桁架外套增層框架在常遇地震作用下轉角、位移較小，同時具有方案合理、經濟可行、方便施工的優點。

鄭文忠等[9]完成兩榀型鋼混凝土梁—角鋼混凝土柱框架水平低周反復荷載試驗，考察這類框架滯回特性、骨架曲線、剛度退化、耗能能力、殘余變形、破壞形態等抗震性能，并采用Opensees軟件對兩榀框架進行滯回模擬分析。考察柱軸壓比、長細比、梁內型鋼截面抵抗矩、柱含鋼率、梁配筋率及預應力度等參數的框架結構骨架曲線的影響。研究結果表明，此類框架具有很好的抗震性能，為套建增層在抗震區推廣使用提供了參考依據。

孫緒杰等[10]為解決套建增層巨型框架結構在罕遇地震作用下的倒塌分析以及與施工相結合的設計方法等方面研究滯后于工程實踐的問題，利用彈塑性分析程序IDARC2D分析現行的抗震規范規定的三類場地土、第一、二、三地震分組、7度和8度設防烈度的套建增層巨型框架結構的彈塑性地震反應，研究其結構倒塌機制。結果表明，底層巨型框架的設計是控制結構實現梁鉸機制的關鍵。提出通過適當提高框架抗震等級的措施來避免倒塌。結合施工的實際情況，凝煉了套建增層巨型框架的施工技術措施。彈塑性地震分析結果提出與施工相結合的設計方法，為套建增層巨型框架結構的設計提供參考。

陸雙武[11]在套建增層混凝土框架結構中應用結構控制理論。將一榀外套混凝土框架結構跨度12 m，結構底層層高12.2 m，其上增加2層(層高3 m)，將隔震支座設置成橡膠的，有效地減弱了輸入的地震能量，減輕了整個框架結構的地震響應。通過對框架進行動力時程分析，減小了地震作用下各層結構的加速度、層間位移和剪力，得出了套建增層預應力混凝土框架結構采用隔震措施是有效的結論。

另外，四川省建筑科學研究院主持編制了CECS 78:96磚混結構房屋加層技術規范。在該規范中論述了加層的基本原則、直接加層法和外套結構加層法等內容。其中外套結構加層法中論述了可采用的幾種結構體系：如可采用在原房屋外套“底層框架—剪力墻，上部各層為磚混結構”“底層框架—剪力墻，上部各層為框架結構”“底層及上部各層均為框架結構”等，并對外套結構房屋總高度和總層數進行了限制。但所提限值是根據全國各地已建成的分離式加層結構的實踐經驗并參考相關規范而制定的，沒有可靠的理論依據。

2 協同式套建增層框架相關問題

張昊宇[12]針對與既有房屋協同工作的套建增層框架應采用怎樣的設計原則這一問題,提出應當根據原房屋的使用要求和質量,分別采用不同的設計原則和施工順序的觀點。針對與原房屋結構協同工作的套建增層框架的不同工程條件和受力特點,介紹了四種新舊建筑結構協同工作的連接構造,說明了套建增層框架結構節點上下柱端彎矩在分配過程中應注意哪些問題。以一個與原房屋協同工作的套建增層框架結構為例,說明了將套建增層框架結構與原房屋協同工作的優越性。

韓圣章[13]通過三榀鋼框架結構模型試驗，探討了在套建框架與原框架結構之間設置連接件后,整個增層框架是否影響剛度、動力響應和動力特性。結果表明：

1)整體框架結構設置連接件后可以改善抗震性能。

2)連接件的剛度、阻尼比和新舊結構剛度比影響既有框架和套建框架。

鄭文忠等[14]針對如何確保協同式套建增層框架“大震不倒”這一問題，采用IDARC(2D)非線性分析程序對協同式套建增層框架結構進行罕遇地震作用下的非線性時程分析。研究表明，協同式套建增層框架結構的薄弱層大多在新增樓蓋以下的樓層；部分原建筑結構在罕遇地震作用下的破壞程度比新增結構嚴重；部分在罕遇地震的按規范設計的協同式套建增層框架作用下發生倒塌破壞。根據計算結果提出了協同式套建增層框架結構的適用范圍、外套框架的柱軸壓比限值和柱端彎矩增大系數及相關的構造措施，時程分析表明采用以上措施的套建增層結構能夠做到“大震不倒”。

3 結語

由于套建增層改造技術及其功能改造技術新增的基礎大多為樁基礎,所以著重對上部結構展開下述問題的研究。

1)盡管開展了一些原建筑套建增層結構改造的工程實踐,但對套建增層框架結構在罕遇地震作用下倒塌機制和防倒塌措施研究依然很少。雖然協同式套建增層框架結構依然被工程界看好,但是對協同式套建增層框架結構的設計規則、連接構造、其在罕遇地震作用下能夠協同工作的新舊建筑結構而不發生倒塌的抗震設計理論的研究仍然太少。

2)既有房屋套建增層改造結構設計理論急需形成。將砌體建筑改造成套建增層框架結構的設計規則、改造后梁柱的受力機理、房屋結構改造后的抗震性能仍然需要研究。

3)對既有房屋套建增層改造采用哪種套建增層結構形式更為合理,以及對于具體改造工程是采用“套建改造”還是“拆除重建”的問題,引起建設單位和設計單位的關注。改造后能否達到預期效果是業主和設計者關注的問題。所以,研究原房屋套建增層改造與拆除重建決策系統是必要的。編制出能使設計單位、施工單位和監理單位有可循之規的套建增層改造的技術措施和決策系統,能夠推進我國既有房屋套建增層改造事業的發展。

參考文獻:

[1] 張昊宇.協同式套建增層預應力混凝土框架抗震性能與設計方法[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學博士學位論文,2009.

[2] 高劍平.磚混房屋整體式外套結構加層研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學博士學位論文,2003.

[3] 王 琨,袁沈峰,曹大富,等.配置核心鋼管的鋼筋混凝土柱—鋼骨混凝土梁組合框架抗震性能試驗研究[J].建筑結構學報,2013,34(6)：103-112.

[4] 王 琨,袁沈峰,智海祥,等.配置核心鋼管的鋼筋混凝土柱—鋼骨混凝土梁組合框架力學性能非線性分析[J].工程力學,2016,33(10):197-207,217.

[5] 王 琨,袁沈峰,曹大富,等.型鋼混凝土梁—角鋼混凝土柱框架恢復力模型特性研究[J].北京理工大學學報,2014,34(10):1012-1017.

[6] 計 靜,鄭文忠,姜良芹.預應力鋼骨混凝土框架在套建增層中應用[J].低溫建筑技術,2007(6):43-44.

[7] 宋 健.外套框架加層房屋抗震設計與研究[D].南京：東南大學碩士學位論文,1997.

[8] 張春梅.外套框架增層改造設計方案研究[D].西安：西安建筑科技大學碩士學位論文,2003.

[9] 鄭文忠,王 琨.型鋼混凝土梁—角鋼混凝土柱框架抗震性能試驗研究[J].土木工程學報,2011,44(3):49-60.

[10] 孫緒杰,鄭文忠,李成河.套建增層巨型框架抗震設計方法[J].哈爾濱工業大學學報,2010,42(12):1860-1865.

[11] 陸雙武.外套框架增層結構基礎隔振在舊房改造中的應用研究[D].武漢：華中科技大學碩士學位論文,2001.

[12] 張昊宇,鄭文忠.既有房屋與套建增層框架協同工作的相關問題[J].建筑結構,2007(3):36-39.

[13] 韓圣章,邱奎寧,楊建江.增層結構的抗震試驗研究[J].建筑科學,2001(6):29-32.

[14] 鄭文忠,張昊宇.協同式套建增層框架時程分析及防倒塌措施[J].哈爾濱工業大學學報,2011,43(4):6-11.