建筑物增层改造方法及其地震区分析方法的综述

摘要：简述了建筑物增层改造的具体方法及其适用性。综合介绍了地震区建筑物增层改造的分析方法，并对旧房屋地基承载力性状的评价进行了综述。为以后房屋的增层改造方法的选择及设计提供了参考。
　　关键词：增层改造；方法；抗震；
Abstract:Thespecificmethodsandapplicabilityofaddingstoreysaroundexistingbuildingareintroducedbriefly.theanalysismethodsofaddingstoreysaroundexistingbuildinginseismicregionbyauthorsarepresented.Bearingcapacityoftheoldhousefoundationsaswellastheevaluationofpropertieswerereviewed.Addingstoreysforthesubsequenttransformationofthehousingbythechoiceofmethodsanddesignprovideareference.
　　Keywords:addingstoreys;method;earthquake-resistance;
　　房屋的加固、增层改造是近年来城市房屋改建工程的一种重要形式，它具有投资少、收效快、不占地、不须搬迁、美化市容、节省城市配套费、延长旧房使用寿命等优点。建筑物的加固、增层改造又是一项技术性很强的工作。近十几年来，哈尔滨工业大学对既有房屋的套建增层改造进行了深入研究。20世纪70年代末以来，国外开展了一些既有房屋的增层实践，在混凝土与砌体结构抗震设计[1-3]、钢框架与组合框架抗震设计[4-5]等方面开展了卓有成效的工作，为我们开展既有房屋套建结构抗震设计研究和砌体结构房屋抗震评价工作提供了参考素材。
　　首先必须进行建筑物鉴定，为建筑物的加固、增层改造提供科学依据。在增层改建工程中，合理地选用增层改造的方法是十分重要的，文中详细阐述了增层改造的具体方法及其适用性，并且介绍了地震区建筑物增层的分析方法，为以后建筑物的增层改造提供了参考。
　　1增层改造的方法
　　1.1直接加层法[6-8]
　　直接加层法即在原有房屋上不改变结构承重体系和平面布置。直接加层的方法适用于原承重结构与地基基础的承载力和变形能力满足加层的要求，或经加固处理后即可直接加层的房屋。加高的层数不宜超过三层。
　　(1)一般刚性砖混结构
　　在对地基基础及墙体强度进行复核验算并满足抗震设防要求后，可采用普通粘上砖或砌块、轻质高强材料(如泰柏板等)来加砌新的上部墙体。当个别墙段或基础强度不足时，可先进行局部加固处理。增层的承重体系可在原承重墙体上加层，也可采用与体系相反的承重体系，即原房屋为横墙承重体系，增层部分为纵墙承重体系；原房屋为纵墙承重体系，增层为横墙承重体系。但必须在刚性方案或抗震要求的间距内布置上连贯的刚性横墙。
　　(2)多层全框架结构
　　当增层部分仍采用框架时，上下框架柱应对齐，将原结构框架柱顶凿开，接长钢筋后再浇筑增层部分的框架柱混凝上。在新旧结构交接处，亦即原屋而高度处宜现浇截而较高的转换梁，以确保新旧结构在加层处有可靠的传递，并增强节点的抵抗能力。对老框架强度的验算，除了考虑增层后增加的垂直荷载外，还要考虑房屋加高后，由于水平荷载增加而使侧移加大的影响。必要时可设剪力墙，控制侧移的影响，相对地提高框架的承载能力。
　　(3)下部砖混、上部框架结构方案
　　这种类型主要是为了减小增层荷载，在旧房屋上部分采用填充轻质墙形成的框架结构体系。采用这种方案时上部框架柱应有可靠的锚固或支承，通常应结合对旧房加固，宜对旧房设构造柱，使其与加层中的框架形成整体，从而使框架梁柱落地，构造柱应尽可能伸入既有建筑物室外地面下500mm，或锚入基础圈梁内，以避免上部框架柱未落地，而只是在旧楼层圈梁上连接，造成锚固不可靠的后果。
　　(4)下部刚性方案、上部为弹性或刚弹性方案的砖混结构
　　此类建筑主要用于增设一个较大空间的会议室等。由于此类建筑的抗震性能差，不宜在地震区修建。在非地震区，应考虑新加纵墙有足够的承受横向风荷载的能力。此类房屋在增层时，应从外墙底部起，在室外侧沿房高增设扶壁砖柱，用以增强加层部分墙体抵抗横向水平力的能力，扶壁砖柱的断而应满足加层部分窗间墙的强度和稳定性要求。或加层部分增设钢筋混凝上柱列与旧墙体增设的构造柱相连。
　　(5)轻钢结构直接增层法[9]
　　轻钢增层结构上部增层结构是采用轻钢结构，而下部原有的结构是砌体结构或钢筋混凝土结构，因此，新组合成的轻钢增层结构属于复合结构。轻钢增层结构是近几年来改造旧有房屋的一种结构形式，由于这种结构充分利用了轻钢结构重量轻、延性好、易于加工和施工速度快等特点，被广泛应用于增层结构中。
　　1.2外套结构加层法[10-11]
　　外套结构加层法即在原房屋外增设外套结构（框架-剪力墙或框架等），使加层的荷载通过外套结构传给基础的加层方法。适用于需改变原有房屋平面布置，原承重结构及地基基础难以承受过大的加层荷载，用户搬迁困难，加层施工时不能停止使用，且设防烈度不超过8度的房屋加层。
　　1.2.1分离式外套框架增层
　　所谓分离式外套框架，即所采用外套框架与旧楼房分离(有一定距离)，这种增层的结构形式受力明确，结构简图清楚，但如旧楼房层数较多(如三、四层或四、五层)，采用外套框架增层时，底层框架柱较高，整个框架重心高，上刚下柔，头重脚轻，不利于结构抗震。目前国内有不少这样的增层工程实例，这种结构底层框架的纵向刚度和横向刚度均较差。为此建议，在外套框架的底层于旧房每层楼盖标高处设1道纵向连梁，以增加框架的纵向刚度。底层框架横向刚度差的问题目前尚未很好解决，设想在未来的增层工程中，于底层框架柱与旧楼房纵横墙交接处设置一种弹性支承，这种支承具有3个自由度，在竖向荷载作用下，框架柱可适当沉降，在水平荷载(地震荷载等)作用时，框架柱与墙体之间允许有一定量的位移(变形)，并能传递部分水平荷载，这样可部分增加外套框架底层框架柱的横向刚度。
　　1.2.2结合式外套框架加层
　　所谓结合式(或整体式)框架，即外套框架紧贴旧楼房墙体。结合式外套框架主要是为了减少底层形成的长柱计算高度，从而结合对旧房功能(如增设阳台等)或采用拉杆、设纵横联系梁等方式来增加柱在纵横向的刚度。在短腿柱外套框架中，建议采用外套框架与旧房砖墙相连，增加拉杆式及壁箍式的结构增层设计方案。
　　1.3改变荷载传递加层法
　　改变荷载传递加层法，即原房屋的基础及承重结构体系不能满足加层后承载力的要求，或由于房屋使用功能要求需改变建筑平面布置，相应需改变结构布置及其荷载传递途径的加层方法。适用于原房屋墙体结构有承载潜力，增设部分墙体、柱子，或经局部加固处理，即可满足加层要求的房屋。加高的层数不宜超过三层。
　　2地震区增层建筑物的分析方法
　　2.1抗震鉴定
　　对处于地震区的建筑物来说，在加层改造之前首先必须进行抗震鉴定。我国的第一部抗震设计规范是1974年正式实施的，在此之前的绝大部分建筑未考虑抗震设防。之后，有些地区因设防烈度的提高，而使原有按较低烈度设防的建筑，可能不满足相应的抗震要求。多年来的震害实例表明，对现有建筑进行抗震鉴定，并对不满足抗震要求的建筑采取适当的抗震对策，是减轻地震灾害的重要途径。
　　2.2轻钢增层的抗震设计方法
　　轻钢增层结构上部增层结构是采用轻钢结构，而下部原有的结构是砌体结构或钢筋混凝土结构，因此，新组合成的轻钢增层结构属于复合结构。由于钢结构与混凝土结构或砌体结构的阻尼比不同，因此轻增刚层结构呈现非经典阻尼的特征。Caughey和Kelly给出了体系具有经典阻尼的充要条件。由于体系是非经典阻尼，传统的实模态叠加法已不能适用，应当采用复模态叠加法。通过在复数域求解状态方程，得到非经典阻尼结构在地震作用下的地震响应，但是，我国建筑抗震规范(GB50011-2001(2008版))的设计理论是以反应谱理论为基础，目前仍没有基于反应谱理论的复模态叠加方法，因此，轻钢增层结构采用复模态叠加方法进行设计仍受到限制，需要寻找与反应谱理论相适应的设计方法。可以采用实模态强振型解法，来近似解决非经典阻尼的计算方法[12]。
　　2.3直接增层法的抗震设计方法
　　采用结构控制的手段，让增层结构与原结构相互作用，增层结构起到耗能器的作用，使原结构的抗震性能得到改善，从而解决直接增层后旧结构的抗震问题。通过理论分析和试验验证，认为增层结构与原结构之间存在着相互作用，因此可选择增层结构的质量、刚度和阻尼比，使增层结构起到耗能器的作用，减小原结构的地震反应。采用结构控制方法对原结构的地震反应进行控制，关键是选择增层结构的刚度。当采用钢筋混凝土或钢结构后，增层结构刚度仍较大而不能满足最优控制要求时，可在增层结构中使用橡胶支座，软化增层结构。橡胶支座除了能软化结构外，还能增大结构阻尼，提高减震效果，同时能大大降低增层结构的地震反应，使增层结构的强度要求降低，节约材料，提高经济效益[13]。
　　2.4结构被动调谐质量减震法
　　被动调谐减震控制体系是一种全新的抗的概念，它是运用反共振理论把一定的质量和大阻尼的隔震支座设计成动力吸震器对下部结构产生作用，从而使结构在地震作用下阻尼增大，耗能能力大大提高，地震反应减小。这是一种通过降低结构的地震反应而使结构抗震能力得到提高。运用被动调谐减震控制体系对于减少建筑物地震反应效果是非常明显。我们把既有建筑物视为主结构，加层部分视为子结构，控制体系由主结构与子结构两部分组成，子结构具有质量、刚度和阻尼，因而，可以通过调整子结构的自振频率，使其尽量接近主结构的基木频率或激振频率，这样，当主结构受激励而发生振动时，子结构就会产生一个与结构振动方向相反的惯性力作用在主结构上，使主结构的振动反应衰减少并受到控制[14]。
　　既有建筑物的加层，需要在原有结构的屋顶上安装大阻尼橡胶垫支座，并在支座上浇筑钢筋硅墙梁然后再施工加层结构，充分利用加层结构的质量与橡胶垫支座组成质量阻尼系统以此来达到减震的效果保证了增层建筑物的安全。
　　3正确评价旧有房屋的地基承载力
　　在房屋的增层改造过程中，合理地确定旧有房屋的地基承载力是设计的关键。有利于提高地基承载力的因素可归纳为：①许多城市地下水位下降，土体有效应力增加，地基承载力有所提高；②《建筑地基基础设计规范》[15](GB5007-2002)的修订相应提高了地基承载力的设计值，可挖掘出地基承载力的安全储备，如砂类土可提高10％～30％，粘性土为5％～25％；③在建筑物自重及使用荷载作用下，地基压密影响深度为0.5～1B(B为基础宽度)，地基土孔隙比e、含水率w都降低，而重度γ、压缩模量Es、内摩擦角、粘聚力C等值都显著提高，土性明显改善；④增层改造可调整原有建筑的结构体系，充分发挥原有地基承载力的潜力。若原为纵墙承重，增层后可改为横墙承重，使整个建筑物地基受力更为均匀，更经济合理地发挥地基承载力的潜力。⑤由于增层改造使建筑物刚度大为增加，基底应力分布比较均匀，可以改善建筑物的不均匀沉降。当然在考虑到这些有利因素的同时，还应特别注意不利于地基承载力提高的因素：如由于水管漏水，使地基湿陷下沉，承载力明显降低；有松软下卧层、流砂层以及新发现的地下坑穴等，都不利于地基承载力的提高。
　　4结束语
　　通过对房屋增层改造方法及适用性的介绍，为以后建筑物增层改造方法的选择提供了参考。规范中并没有对增层改造房屋的抗震计算提供具体的计算方法，文中查阅资料概括了部分增层方法的抗震设计，为地震区增层改造的计算提供了便利。房屋地基承载力的正确评价是增层改造的前提工作，房屋地基承载力的好坏是增层改造方法选择的依据。
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