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摘要:目前我国经济发展迅速,建筑行业为我国发展做出了很大贡献。混凝土框架结构的建筑,在某些情况下,需要在顶层加建钢结构,以提升建筑的安全性与稳定性,并增加建筑的抗震效果,使建筑具备更加灵活的空间效果。本文对混凝土框架顶层加建钢结构设计的优势进行分析与探讨,在此基础上从楼板、梁、柱等方面分析混凝土框架顶层加建钢结构的设计方法。
关键词:混凝土;框架顶层;加建;钢结构设计
引言
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。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。
1加建钢结构的优点
混凝土框架顶层加建钢结构由楼板、梁、柱和承重构件组成,是一种空间结构,被广泛应用高层建筑混凝土框架顶层,主要是由于其自身具有很多优点。首先,这种设计可以对土地的利用进行节约,让土地的使用效率得到显著的提高,对土地资源进行有效的利用,通过混凝土和钢结构的充分结合,可以减少对建筑资源的浪费,还可以实现资源的循环再利用,符合绿色发展的现代理念。其次,钢结构的自身重量比较轻,对原结构的设计造成非常小的负荷影响,不需要进行单独的地基加固,减少施工成本和工程量,使工程的造价大幅降低,有效缩短工期。钢结构延展性好,防震能力非常强。最后,具有比较广的适用范围,不仅可以加建工业建筑,还可以加建房屋建筑。设计的多样性可以充分发挥空间的优势,可以让建筑物的空间变得更大,对顶层的平面进行简约的布置,对原建筑的影响进行了降低,为消费者提供了更大的建筑空间,把对人们的生命安全造成危险的损失降到最低点,具有很强的整体性。
2混凝土框架顶层加建钢结构的设计要点
2.1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。
2.2梁设计
在进行混凝土框架顶层加建钢结构梁的设计时,可以根据建筑的要求,综合分析设计理论并结合实际的现场施工情况,来进行综合的考量,完成梁的设计。首先,梁的长度与宽度之间的比例需要小于4,而且梁截面的宽度要求超过20cm。其次,还要考量梁设计的安全性和稳定性,这就要求在进行梁设计的时候,以建筑需求的安全性能为基础,适当增加钢筋材料,并且尽量使材料的规格达到使用需求的标准,通过钢筋材料的延展度和质量,以及刚度进行充分的保证,并且对整体的建筑工程结构的安全性和牢固性进行有效的保证。最后,在进行设计梁的工作过程中,应该以科学合理的设计为基础,严格遵守相关的技术要求以及设计规范,再进行梁的设计。在设计主框架梁时可以选择口型或者H型的钢截面钢梁,次梁可以选择轧制的型材,或者槽钢等型制的钢材。根据钢梁的承载状况,一般会设置1/30-1/20的钢截面高度。如果需要设计扁梁,就要对梁中线和柱中线的重合进行充分的保证,采用双向的布置结构,保证结构设计的合理性和科学性,增强整体建筑结构的稳定性,结合实际的工程实施情况,提升建筑的安全性。
2.3柱设计
通常钢结构加建层的柱设计,柱脚连接方式包括钻孔连接法与U型箍连接法。其中,钻孔连接法是将过渡钢板插入到原有的混凝土柱头钻孔当中,通过锚固钢筋进行焊接,并对其进行锚固与钢结构柱的安装。这种方式进行施工能够降低施工难度,但可靠性与耐久性会受到影响。钢柱内部的钢筋,可以使用具有一定强度的主筋,对其进行加热处理之后,在底板开孔的位置与底板进行焊接,以细骨料混凝土进行找平,连接钢柱底板与钢板。这种连接方式的重要缺陷在于,无法保证其抗震效果。U型箍连接法,利用钢柱下端的U型箍连接钢柱与底板,通常加建范围较小的时候比较适用。
混凝土框架结构加建钢结构的柱设计,需要综合考量原结构与加建要求的基础上确定柱脚连接方法。举例来说,若某建筑的原混凝土结构4层,加建钢结构为2层,采用正方形箱形截面。结构之间的联通方式为结构大底盘,以抗震缝作为不同单体结构之间的区隔。假设该工程抗震设防烈度为7度,地震分组为第二组,场地类型为Ⅱ类,层高6米。考虑到加建之后,结构质量与刚度沿着垂直方向会发生较大变化,加建层很有可能产生鞭梢效应。2层加建层会使得鞭梢效应十分明显,出于确保原结构与加建结构之间的协同效果,也可以采用混凝土外包式柱脚。以结构设计软件PKPM建立SATWE“4+2”整体计算模型,对柱脚内力与变形情况进行计算。可以根据建筑规范验算其柱脚的抗弯承载力公式M≤nAsfaydo进行计算。
2.4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。
结语
随着社会经济的不断发展,人们对生活质量的要求不断提高。这就需要我们在建筑工程中,发挥建筑设计的优势,更好地满足人们的需求。在建筑施工中进行混凝土框架顶层加建钢结构的设计,进一步提升建筑的安全性和稳定性,还具有很好的抗震性,更好地保障人们的生命安全。在进行加建钢结构的设计时,应该进行科学性和合理性的设计,与当地的实际情况相结合,设计出对整体结构更加完美的建筑,促进建筑行业的蓬勃发展。
参考文献
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