鋼結構設計在混凝土框架頂層加建的分析

于群

目前國內鋼結構加建業尚處于發展階段，技術發展仍有很大的提升空間，在城市化不斷深入的背景下，加建業的設計已經成為業界關注的焦點。為了達到這一目的，需要準確地理解混凝土框架和鋼結構框架的特性。本文主要對混凝土框架頂層鋼結構設計進行分析，以便進一步優化該施工工藝。

與混凝土框架相比，鋼結構框架自重較小，但其延展性、耐溫性、密封性均相對較差，而且受外部環境侵蝕較大，不適合用于整體建筑框架。從力學方面來說，混凝土結構和鋼框架結構都是基于傳統的力學原理，用相應的公式來計算受力，從而達到建筑設計所要求的施工標準。為了保持結構的穩定性，兩種結構在抗震設計過程中都需要加入符合相應標準的抗震體系。

對于建筑物來說，地震是主要的破壞因素，混凝土結構由于自重較大，在面對地震時，主要表現為開裂和局部坍塌，而鋼結構在地震作用下，會發生整體扭曲變形。相關部門及工作人員在設計、施工過程中，應充分把握兩種結構之間的關系，以鋼筋混凝土結構為主體，充分發揮鋼架結構的輔助作用，以提高建筑物的整體穩定性。

一、鋼結構設計在混凝土框架頂層應用要點

1.合理計算頂層平面設計

在進行平面設計時，必須科學、合理地進行計算，另外在平面設計時，還應注意空間的布置與設計，還要對鋼結構的各項工程內容進行詳細的計算，以便于根據科學的資料和標準進行設計。

2.重視建筑物承載重量的負荷設計

加建鋼結構在混凝土框架頂層設計時，應著重于基礎承載物重量的設計，更重要地是要保證基礎承載物的設計符合相關規范和標準，以保證其能夠承受建筑頂層的整體重量，同時又能滿足整個建筑的荷載要求，從而進一步提高整個建筑的穩定性。另外，基礎設計所承受的荷載必須大于建筑物實際承載物的重量，如果建筑物的實際承載物大于建筑物的實際承載物，則會在很大程度上會增加整個建筑物的安全隱患，不能有效地保證建筑物的安全，從而對人類的生命安全造成極大的威脅。

3.樓板開洞面積的設計要準確

對建筑樓板的開孔，首先要進行專業、準確的設計；其次還要考慮實際情況，計算樓板的開孔面積。經過計算和設計，我們需要注意的是，樓板開洞的面積不到總樓頂面積的30%，只有這樣才能保證整體結構穩定。但是，當樓板開孔面積大于30%時，可以在樓板開孔邊緣開30%以上的孔口，設計出一些彈性節點，這是最有效的解決方法。

二、混凝土框架頂層鋼結構加建的特點

1.優點

（1）在建筑工程中對鋼結構進行加建，可以在很大程度上解決占用土地的問題，節約土地資源，提高土地利用率，并能進一步縮短工程建設周期。

（2）由于建筑工程施工中，鋼結構本身的重量一般都比較輕，所以可以在很大程度上減少建筑工程的工作量，同時還可節約建筑工程中一部分施工費用。

（3）由于鋼結構本身的多樣性很大，在建筑工程施工中可以充分利用鋼結構空間的靈活性，從而進一步減少對原有建筑結構的影響。

（4）在建筑工程施工中，對鋼結構的加建有著十分廣泛的應用，不僅在住宅建筑中，還可對鋼結構進行加建，既可在工業建筑中加建，也可對鋼結構進行加建。

2.缺點

（1）加建建筑物的工程完成后，整個建筑物的主要結構將變成剛度分布呈頭輕腳輕的現象，這將極大地降低建筑物的整體質量，進一步降低建筑物的抗震能力，從而降低建筑物的安全。

（2）鋼結構耐久性差是鋼結構的一些致命缺陷，因此，在建筑施工過程中，必須充分考慮鋼結構的防腐防火措施，以便在一定程度上增加建筑材料的使用量。在此期間，不僅要考慮原材料的來源和質量問題，而且還要考慮原材料的成本問題，這樣可以進一步增加整個項目的資金預算。

三、混凝土框架頂層加建鋼結構的設計要點

1.注重建筑物的抗震設計

加建鋼結構在建筑頂層設計中，應根據建筑的抗震性能，區分不同用途的建筑和不同地區的建筑。同時，加建鋼結構對已有結構體系抗震性能的影響也不容忽視，必須加強對加建鋼結構的抗震計算和構造措施。在加建頂層的鋼結構中，其整體質量、剛度和使用壽命都會發生很大的變化，因此，既要對加建結構進行抗震設計，又要按照現行規范對原結構進行抗震設計。

2.注意溫度的控制

由于原建筑的頂層溫度較高，因此在設計時很容易忽視頂層溫度控制，而這往往會使加建的鋼結構頂層受到溫度因素的破壞，造成室內墻裂，影響室內保溫效果，縮短使用壽命，對鋼結構溫度要嚴格控制，減少溫度應力對鋼結構的影響。

3.基礎承重的負荷設計

加裝結構的自重對原有基礎有一定的承載力，設計時應使整個結構的基礎荷載低于原有結構基礎的設計承載力，以免出現安全隱患。按現行規范的要求，可通過復核原結構圖紙中基礎的設計尺寸、加固要求等，對原結構和加建的結構總重進行承載能力復核。如基礎承載力不足，應采取加固措施。

4.樓板設計要點

設計工作中可根據具體情況，采用多種方法進行處理，目前主要采用的加固技術是現澆混凝土技術，這樣可以有效地提高鋼結構樓板的穩定性和安全性，同時在鋼結構樓板的選型上，為防止混凝土外壓對鋼板的破壞，可以選擇延展性好、自重小的輕質鋼板或花紋鋼板。就鋼板頂的設計而言，從建筑本身的重量考慮，可以在設計施工中采用輕質鋼板頂，既減輕了建筑的整體重量，又使造價與施工環境相適應，還可以采用組合式樓板頂設計，使壓型鋼板與澆注混凝土的配比更好，從而提高結構的整體穩定性。當前在施工工藝選擇過程中，一般采用復合工藝，經實踐研究證實，壓型鋼板與澆注混凝土工藝組合的方式彈性較大，可根據施工工程的實際情況，確定具體工藝組合程度，實時保證施工安全。

5.鋼結構柱設計要點

鋼構頂層加建結構柱的施工技術主要有兩種：一種是鉆孔連接法，即用過渡鋼板將結構柱插入建筑的混凝土柱頭，鉆孔后再用錨固鋼筋焊接，使錨固柱與鋼結構柱連接。本發明可以提高施工效率，大大提高施工可操作性，但其缺點是穩定性差，柱體的耐久性能差。在這方面，我們可以采取適當的措施來加強。

現在比較常用的方法是把鋼柱內的鋼筋加熱，然后通過底板開洞焊接到底板上。然后用細集料混凝土調平。但是，這一方法也有其缺點，會導致建筑的整體抗震性能下降，因此在施工過程中應根據地理環境酌情采用。

另一種是U 形箍連接法，其基本原理是通過鋼柱子下部的U 形箍將鋼柱子與底板連接，這種方法具有很好的穩定性和耐久性，但僅適用于小規模建筑，大型建筑的應用空間并不大。

另外需注意的是，鋼結構柱在施工過程中，需要根據建筑物的性質和附加的具體規定，制定柱腳的連接方式。如某建筑物的混凝土結構為5 層，加建鋼結構為2 層，兩個結構間采用大底盤式連接方式，采用抗震縫作為單體結構中的隔斷。根據地區抗震設防烈度要求，可采用混凝土外包柱腳進行設計，并利用相應的結構設計軟件進行模型計算，從而了解柱腳受內力變形的情況，計算出柱腳的抗形變承載力公式。

與此同時也要注意把握截面設計的要點，一般柱子的截面寬度和高度保證大于300 mm，柱子直徑保證大于350 mm，還需要計算截面短、長邊比，一般情況下其比值不能大于3，柱子縱向的鋼筋比例必須保證在0.2%以上。對于鋼梁的設計而言，這些參數的控制尤為重要，只有嚴格參照標準，才能使鋼結構柱發揮最大的作用，為工程施工提供穩定的安全保障。

6.梁設計要點

在梁的設計工作中，應結合施工規范與施工實際，靈活運用。從具體參數來看，梁的截面寬度應保證在200 mm 以上，寬高比應在4 以下，而且在梁的設計過程中還需要有鋼筋支撐，以有效地保證鋼結構梁的穩定性，因此在配筋時應注意對材料的選擇和配比，使鋼結構梁的整體穩定性和安全性達到標準要求。另外，在設計過程中還應注意梁中線和柱中線之間的銜接問題，采用雙向布置結構，并通過結構模型對扁梁參數進行相關計算，以保證整個工程的穩定。

7.連接設計要求

根據相關設計要求，鋼制柱腳的設計主要可分為鉸接式和剛接式。對于沒有吊車的輕鋼結構，一般采用鉸接式柱腳。使用化學植筋，鋼柱可以與原始混凝土柱進行有效的連接，在這種情況下，化學植筋的作用就是鉸接，其作用是柱腳錨栓，而在混凝土柱中，錨栓的埋設深度可以達到不同的拉力，從而能夠有效地傳遞柱子與混凝土之間的粘結力。本實用新型主要用于下翼緣板與鋼柱翼緣的連接，并將摩擦型高強度螺栓應用于鋼梁腹板與鋼柱翼緣之間，從而實現栓焊的剛性連接。此外，在連接過程中，還可以采用鋼梁端部的焊接端板和柱翼緣穿孔螺栓，使連接梁柱具有剛性。在“人”字形屋脊采用剛性連接，鋼梁可與傳統梁端焊接端板連接，并可上安裝高強度螺栓進行屋脊的剛化處理。

8.其他設計要點

對于混凝土框架頂蓋加建鋼結構，從宏觀上看，需要對基礎承重構件是否合理進行綜合判斷。對施工現場設計工作中出現的問題及時進行調整。一般情況下，在加建鋼結構設計中，不考慮混凝土框架對鋼結構的承載力，因此，在進行加建鋼結構設計時，應綜合考慮混凝土框架和加建鋼結構的承載力，充分利用建筑模型的評價作用，以判斷結構設計是否合理。在混凝土框架結構中，應避免鋼結構的加建。當模型計算過程中發現問題時，需要對加建鋼結構設計方案進行適當的調整，當加建鋼結構缺少變化空間時，可與建筑主體結構設計者進行充分的溝通，對混凝土框架進行加固，最終達到建筑的整體穩定。

四、結語

綜上所述，加建鋼結構的合理使用，有助于提高建筑的穩定性，因此加建鋼結構的設計工作應充分把握設計要點，從整體上和細節上入手，以科學合理的設計工作來指導施工，從而達到建筑經濟效益的最大化。本文通過對混凝土結構和鋼架結構的性能進行對比分析，提出了頂層加建鋼結構的設計要點，希望有關部門結合實際情況，加以有效應用。