混凝土框架顶层加建钢结构设计探析

混凝土框架顶层加建钢结构设计探析

代勋

成都润盈置业有限公司 ，四川 成都 610041

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

［1］郭海臣．混凝土框架顶层加建钢结构设计探析［J］．建材与装饰，2017(44):94．

［2］郭志毅．混凝土框架顶层加建钢结构设计探析［J］．山西建筑，2015，41(16):23-24．

［3］钟运秋．混凝土框架顶层加建钢结构设计探析［J］．有色金属文摘，2015，30(1):34-35．