既有房屋与套建增层框架协同工作的相关问题

第37卷第3期建　筑　结　构2007年3月

既有房屋与套建增层框架协同工作的相关问题

张昊宇　郑文忠

(哈尔滨工业大学土木工程学院　150090)

3

[提要]　针对与既有房屋协同工作的套建增层框架应采用怎样的设计原则这一问题, 提出了应根据既有房屋

的质量和使用要求, 分别采取不同的设计原则和施工顺序的观点。针对与既有房屋协同工作的套建增层框架的不同工程条件和受力特点, 介绍了四种新旧结构协同工作的连接构造, 阐述了套建增层框架节点上下柱端弯矩分配过程中应注意的问题。以一个与既有房屋协同工作的套建增层框架为例, 说明了将套建增层框架与既有房屋协同工作的优越性。

[关键词]　协同　套建增层框架　设计原则

Several Problems in Design of Outer 2jacketing Frame Structure H Original Building ΠZhang Haoyu ,Zheng W enzh ong (Sch ool of C ivil Engineering , T , China ) Abstract :For the problem that what principle 2frame structure w orking harm onious with the point is design principles and construction sequences sh ould be ad building and the requirements of the original building ’s owner. In view of different w the outer 2jacketing frame structures , connection construction between the outer 2jacketing frame structure and the original building is introduced. In consideration of the mechanic behaviors of the outer 2jacketing frame structures , n otew orthy problems during calculating m oment distribution at the end of top column and b ottom column in frame joint are presented. Seismic response of an exam ple of an outer 2jacketing structure is analyzed to explain the superiority of the outer 2jacketing frame structure designed to w ork harm onious with the original building. K eyw ords :harmonious ; outer 2jacketing frame structure ; design principle

0　引言

针对协同式套建增层框架结构, 国内学者开展了一些研究工作[125]。然而, 目前针对协同式套建增层结构的研究仍滞后于工程实践的需求。例如, 协同式套建增层结构的设计原则、协同连接的构造方法、有针对性的设计条款等等, 尚未形成较为成熟、系统的指导性建议, 阻碍了协同式套建结构在改扩建工程中的应用。就上述几个方面做了一些探讨, 一方面让更多的工程师了解协同式套建增层结构, 同时也希望能为相关学者的研究起一点抛砖引玉的作用。

1　对协同式套建增层结构设计原则的探讨

协同式套建增层结构包括既有房屋结构、新增套建结构以及新、老结构之间的连接构造。由于既有房屋经过若干年的使用, 结构有可能出现不同程度的损伤; 同时既有房屋的设计往往遵循上一轮技术规范及规程, 其可靠度水平和某些设计、构造要求低于现行规范及规程的标准; 此外增层使结构总高加大, 按照建筑抗震设计规范(G B50011—2001) [6](简称抗震规范) 的衡量可能导致整体结构抗震级别的提高, 从而使既有36

房屋结构的抗震构造不满足要求。这给协同式套建增

层结构的设计者出了一道难题:若完全按照现行设计标准衡量增层后的既有房屋结构, 有可能得到大量构件需进行加固补强的结论, 这不仅严重影响业主对既有房屋在施工期间不能停止正常使用的要求, 而且使得协同式套建增层方案的经济性也大打折扣; 若放宽对既有房屋结构的要求, 那么结构的可靠度将有可能低于现行设计标准。因此, 应采用怎样的设计原则才能得到既安全可靠又经济合理的协同式套建增层结构, 是本领域所关注的焦点问题之一。

设计协同式套建增层结构应在对既有房屋结构进行全面鉴定的基础上, 根据既有房屋的质量和业主的要求, 分以下3种情况区别对待。111第一类结构

对于投入使用时间不长、房屋结构质量较好、结构承载能力有一定富裕的既有房屋, 套建增层结构设计应保证协同之后的既有房屋结构满足现行设计标准对

3教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目([2005]290) ; 黑龙江省科技攻关项目(G C04A609) ; 哈尔滨市科技攻关项目(2004AA9CS187) ; 十一五国家科技支撑计划项目。

结构在竖向荷载组合作用下的承载能力极限状态要求和多遇地震作用组合下的承载能力极限状态要求, 以确保既有房屋结构能够达到“小震不坏”的要求。而对于“大震不倒”的要求, 则需要设计者对协同式套建结构进行详细的非线性地震反应分析, 并根据计算分析结果, 适当增大新增套建结构部分的安全储备(如适当增大柱截面、增加纵筋及箍筋配筋量等) , 以减轻罕遇地震对既有房屋结构的损伤, 满足“大震不倒”的要求。此时的既有房屋结构部分可不必严格满足抗震规范对于新建结构的抗震构造要求。如此一来, 增层设计既能遵守抗震规范对于房屋结构“小震不坏”“, 大震不倒”的基本要求, 又能在最大程度上避免原结构大量构件加固带来的经济性及使用性上的诸多不便。

112第二类结构

2　新旧结构协同工作的连接构造设计

经计算, 对于协同工作后既有房屋结构不能满足相关规范对结构在多遇地震荷载组合或竖向荷载组合有房屋, 比例及业主的要求, 或是业主要求予以保留的既有房屋, 应按照相关技术规程进行加固补强, 确保其在协同套建之后, 能够满足相关规范对多遇地震作用组合或竖向荷载组合下的承载能力极限状态要求和正常使用极限状态要求。

对于罕遇地震下的结构防倒塌要求, 仍需设计者根据协同式套建增层结构的非线性地震反应分析, 适当增大新增套建结构的安全储备。加固补强施工可根据业主对既有房屋的使用要求, 安排与协同式套建结构同时施工(既有房屋使用允许中断时) , 或者在增层结构竣工后进行既有房屋的加固施工(既有房屋使用不允许中断时, 可待增层结构竣工后, 由新增楼层替代既有房屋的使用) 。

113第三类结构

连接构造是建造协同式套建增层房屋的关键问题

之一。连接能否符合力学模型并可靠工作, 对整个结构的合理受力及安全工作有着至关重要的作用。

已有工程及研究显示[3,4], 协同连接的力学模型多采用链杆连接, 链杆连接可实现新、老结构竖向相对位移自由, 水平工作协同。这里将部分已有的链杆连接构造方案, 以及文中提出的链杆连接构造方案进行介绍, 以供参考。

211与既有房屋非顶层连接

文[4]提出了一种与既有房屋非顶层连接方案(图1) 。零件①及零件②分别与既有框架边节点和与之对应的套建框架柱相连, 零件③右端卡入零件②的滑道, 左端与零件①固定。由此, 连接构造即可实现链杆连。

, 2所示的与该方案在套建框架柱位于4根钢筋, 通过锚固钢板和锚固螺栓, 将其在原结构梁柱节点的上、下两侧分别与原结构柱相连, 并在新、老结构柱位于连接钢筋中间的缝隙中各布置2个垫块, 即完成链杆连接构造。该连接方案适用于新、老结构柱间距较小的工程。使用该连接构造时, 须对连接给原结构柱带来的水平剪力进行计算, 并对原结构柱在地震及该剪力联合作用下的抗剪承载能力进行验算

。

对于要求既有房屋的运营不能因施工而中断, 但既有房屋使用时间较长、建筑质量较差, 经计算协同工作之后加固补强所需代价过大, 或是业主计划既有房屋部分在以后可拆除重建的情况, 则可按照先进行分离式套建增层, 待增层结构竣工后, 用新增楼层替代既有房屋的使用, 之后将既有房屋拆除重建, 并实现与套建增层结构协同工作。其中, 在协同工作之前的套建增层结构不属于永久性建筑, 只需满足现行设计标准对结构在竖向荷载组合作用下或多遇地震作用组合下的承载能力极限状态要求和正常使用极限状态要求; 待下部新建结构与套建增层结构协同工作后, 需确保整体结构严格满足现行设计标准的各项要求。

图1　文[4]链杆连接构造

　

　

图2　文[7]链杆连接构造

还可以采用如图3所示构造方案:该方案由连接

件、锚固件及连接螺栓组成, 连接件及锚固件全部由钢板焊接而成。连接件由两块侧板, 上下面板及肋板组成。为了防止连接发生脆性的锚固破坏或端部连接螺栓的破坏, 侧板的中间位置以及上下面板的中间位置可适当开洞, 以削弱连接件在该处的承载力。锚固件由锚固底板, 端板, 加劲肋及螺栓承压板组成。锚固底板预留孔洞, 与连接新、老结构的锚筋连接; 端板主要

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承受连接件传来的轴向力, 并将其传至底板; 肋板承受连接件传来的水平向剪力以及连接螺栓拧紧后承压板传来的压力; 承压板负责固定连接螺栓, 并将螺栓拧紧的压力传至肋板。连接件与两侧的锚固件通过两根连接螺栓相连。该连接方案适用于新、老结构柱有一定间距的工程, 连接部件的尺寸具有较大灵活性, 可根据具体工程情况进行调整, 且连接件可更换, 便于维护

。

一级框架及9度抗震设防时尚应符合

∑M c

=112

∑M bua

(2)

式(1) , (2) 中各个符号的物理意义见文[5]。

以上规定是为了保证结构抗弯的“强柱弱梁”原则, 防止结构在罕遇地震作用下发生柱铰模式的倒塌破坏。但抗震规范并未给出柱端弯矩∑M c 在节点上、下柱端的具体分配方法。对此, 常见做法是将与梁端弯矩设计值相对应的柱端弯矩值直接乘以弯矩放大系数ηc 或将弯矩112∑M bua 按照上下柱的抗弯刚度比进行分配。对此, 建议采用如下步骤和方法:1) 按照式(1) 或(2) 计算节点柱端组合的弯矩设计值∑M c ;2) 将∑M c 中由重力荷载设计值部分作用产生的弯矩按照竖向荷载作用下节点上、下柱端弯矩的比例进行分配; 3) ∑M c , 45所示套建增层结构为例进行说明, 使用ANSY S 软件分别对水平多遇地震作用下协同式套建增层房屋的既有结构及新增结构和分离式的既有结构及新增结构的位移和内力进行了计算, 并对位移、内力计算结果进行了对比。分离式套建结构的构件尺寸均按照图5协同式套建结构进行设计, 仅取消水平链杆, 以便探讨协

图5　典型协同式套建

同连接对套建结构和既有房增层框架结构示意图屋结构的影响。

由图6侧移曲线可知, 与分离式套建增层框架相比, 协同式套建增层框架沿全高范围内的侧移都明显减小; 与未增层时相比, 既有房屋结构顶部楼层位移略有增大,

下部楼层侧移有不同程度的减小。

　

图3　　

212与既有房屋的顶层连接

对于与既有房屋的顶层连接, 提出如图4所示构

造方案:将套建增层框架的首层梁柱节点向下延伸至原结构顶层梁柱节点处, 向内延伸一定距离, 形成图4所示矩形节点加强区, 并使节点加强区与原结构节点间留有微小缝隙。在缝隙内安置一橡胶垫, 即完成整

个构造。

图4　顶层铰接铰接连接构造

　

橡胶垫能够保证新、老结构之间的竖向相对位移

基本不产生变形内力; 待预应力筋张拉后, 套建增层框架梁产生微小压缩变形, 压紧橡胶垫即可实现新、老结构在水平方向上的协同工作。

3　对协同式套建增层结构设计条款的讨论

抗震规范对于框架结构柱的弯矩设计取值有以下规定[5]:一、二、三级框架的梁柱节点处, 除框架顶层和柱轴压比小于0115者及框支梁与框支柱的节点外, 柱端组合的弯矩设计值应符合下式要求:

∑M c

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=ηc

∑M b

(1)

图6　侧向位移对比

建增层结构的不同工程条件, 论述了四种符合连杆连接力学模型的新旧结构协同工作的连接构造。

(2) 套建增层框架结构节点柱端弯矩∑M c 中, 由重力荷载设计值部分作用产生的弯矩按照竖向荷载作用下节点上、下柱端弯矩的比例分配; ∑M c 中其余部分按照水平多遇地震作用下节点上、下柱端弯矩的比例分配。

(3) 对一榀与既有房屋协同工作的套建增层框架的计算分析表明, 新旧结构协同工作可明显减小结构侧移, 优化结构的内力分布。

参

图7　套建结构多遇地震作用弯矩对比(kN ・m )

　

考文献

[1]郑文忠, 刘铁, 谭军等. 绥芬河青云市场套(扩) 建工程结构设

计与施工措施研究[J].,2006,32(9) .

[2]陈瑜, 高红旗, 周兴高. [J].3.

]. [D ].南京:

[4]吕志涛, 陈健. 外套框架结构加层设计研究[J].建筑结构,1997

(5) .

[5]郑文忠, 王英, 刘铁等. 对既有房屋套建增层改造的认识与思

考[J].工业建筑,2005,35(4) .

[6]建筑抗震设计规范(G B50011—2001) [S].北京:中国建筑工业

出版社,2001.

[7]陈明阳, 刘铁, 郑文忠. 远东商务中心增层改造结构设计[J].

低温建筑技术,2005(5) .

图8　套建结构多遇地震作用剪力对比(kN )

　

[8]郑文忠, 王英, 张格明. 既有房屋套建增层结构设计理论研究与

　　图7,8分别为套建结构在多遇地震作用下弯矩与

剪力的对比情况。由图7可知, 协同工作后, 套建框架底层柱的最大弯矩比分离式套建框架柱有明显减小; 相比未协同工作时的既有房屋结构, 协同工作后的既有框架呈现底部构件弯矩减小, 上层构件弯矩增加的变化趋势。由图8可知, 协同工作后, 既有框架底部构件剪力减小, 上部构件剪力增加; 套建框架柱的剪力在既有结构高度范围内下增上减, 但在新增一层突然增大。整体来看, 结构总体剪力有所增大。5　结论

(1) 应根据既有房屋的质量和业主的使用要求, 分别采取不同的设计原则和施工顺序:对于既有房屋结构, 应确保其在协同工作后, 满足现行设计标准对结构“小震不坏”的要求(如需要, 可采取加固补强措施使其满足要求) , 而对于“大震不倒”的要求, 则须通过结构的非线性地震反应分析予以保证; 对于计划拆除而使用不能中断的既有房屋, 可按分离套建→既有房屋拆除重建→二结构协同连接的顺序设计施工, 分离套建结构须满足“小震不坏”要求, 协同后的二结构须满足现行设计标准对新建结构的各项要求。根据协同式套

实践[J].建筑结构,2006,36(S1) .

《混凝土结构设计规范》修订组成立暨第一次工作会议在北京召开

　　根据建设部建标[2006]77号文的要求, 由中国建筑科学研究院会同有关单位对国家标准《混凝土结构设计规范》

G B50010—2002进行修订。规范修订组成立暨第一次工作会

议于2007年2月8日在北京召开。建设部标准定额司杨瑾峰处长宣布了修订组成员名单, 对《混凝土结构设计规范》的重要地位给予肯定, 要求坚持“技术先进、经济合理、安全适用”的修订原则, 并针对新技术和新材料的应用等具体问题提出了建议。规范修订聘请了李明顺研究员等18位专家为规范修订顾问。李明顺、白生翔分别代表2002版规范修订组和修订顾问组对规范修订工作提出了希望和建议。修订组第一次工作会议就规范修订大纲、人员分工、进度计划等进行了热烈讨论, 与会人员充分听取了顾问组对本次规范修订工作的建议, 修订组成员也分别从规范的应用、科研等方面提出相关改进意见。规范修订预计于2009年8月完成。希望广大规范使用者针对2002版规范的使用对本次规范修

订提出建议, 并发函至hnt @cabrtech.com 或传真至(010)

84281347。

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