钢结构设计在混凝土框架顶层加建的分析

钢结构设计在混凝土框架顶层加建的分析

王 ,越1  ,张廷远2  

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　　摘要：目前，国内钢结构建筑行业仍处于发展阶段，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，建筑行业的设计成为业界关注的焦点。为了达到这个目的，需要准确了解混凝土框架和钢结构框架的特点。本文主要分析混凝土框架顶层钢结构的设计，以进一步优化施工工艺。

关键词：钢结构设计; 混凝土; 土框架; 顶层加建

与混凝土框架相比，钢框架自重较小，但延性、耐温性和密封性相对较差，受外部环境侵蚀较大，不适合整个建筑框架。从力学方面来说，混凝土结构和钢框架结构都是基于传统力学原理，采用相应的公式计算应力，以满足建筑设计要求的施工标准。为了保持结构的稳定性，两种结构的抗震设计过程中都应加入符合相应标准的抗震体系。

一、钢结构设计在混凝土框架顶层的应用要点

1.合理计算顶面设计

在平面设计中，必须科学合理地进行计算。此外，在平面设计中，还应注意空间的布局和设计，并对钢结构的各种工程内容进行详细计算，以便根据科学数据和标准进行设计。

2.重视建筑承重的荷载设计

在设计混凝土框架顶层附加钢结构时，应重点考虑基础支座的重量设计，更重要的是确保基础支座的设计符合相关规范和标准，以确保其能够承受建筑顶层的整体重量，满足整个建筑的荷载要求，从而进一步提高整个建筑的稳定性。此外，基础设计承受的荷载必须大于建筑物实际承重物体的重量。如果建筑物的实际承重物大于建筑物的实际承重物，将很大程度上增加整个建筑物的安全隐患，无法有效保障建筑物的安全，从而对人的生命构成极大威胁。

3.地板开口面积的设计应准确

对于建筑楼层的开放，首先要进行专业准确的设计；其次要考虑实际情况，计算楼层的开口面积。经过计算和设计，我们需要注意的是，楼板开口面积不到总屋顶面积的30%。这样整体结构才能稳定。但当楼板开口面积大于30%时，可以在楼板开口边缘开30%以上的孔洞设计一些弹性接缝，这是最有效的解决方案。

二、混凝土框架顶层钢结构的特点

1.优势

(1)在建设项目中增加钢结构，可以很大程度上解决占地问题，节约土地资源，提高土地利用率，进一步缩短工期。

(2)由于建筑工程施工中钢结构本身重量一般较轻，可以很大程度上减轻建筑工程的工作量，同时节省建筑工程的部分施工成本。

(3)由于钢结构本身的多样性，在建筑工程施工中可以充分利用钢结构空间的灵活性，进一步减少对原有建筑结构的影响。

(4)在建筑工程施工中，钢结构的增设应用广泛，不仅在住宅建筑中，在工业建筑和钢结构中也是如此。　　

2. 缺点
　　（1）加建建筑物的工程完成后，整个建筑物的主要结构将变成刚度分布呈头轻脚轻的现象，这将极大地降低建筑物的整体质量，进一步降低建筑物的抗震能力，从而降低建筑物的安全。
　　（2）钢结构耐久性差是钢结构的一些致命缺陷，因此，在建筑施工过程中，必须充分考虑钢结构的防腐防火措施，以便在一定程度上增加建筑材料的使用量。在此期间，不仅要考虑原材料的来源和质量问题，而且还要考虑原材料的成本问题，这样可以进一步增加整个项目的资金预算。
　　三、混凝土框架顶层加建钢结构的设计要点
　　1. 注重建筑物的抗震设计
　　加建钢结构在建筑顶层设计中，应根据建筑的抗震性能，区分不同用途的建筑和不同地区的建筑。同时，加建钢结构对已有结构体系抗震性能的影响也不容忽视，必须加强对加建钢结构的抗震计算和构造措施。在加建顶层的钢结构中，其整体质量、刚度和使用寿命都会发生很大的变化，因此，既要对加建结构进行抗震设计，又要按照现行规范对原结构进行抗震设计。
　　2. 注意温度的控制
　　由于原建筑的顶层温度较高，因此在设计时很容易忽视顶层温度控制，而这往往会使加建的钢结构顶层受到温度因素的破坏，造成室内墙裂，影响室内保温效果，缩短使用寿命，对钢结构温度要严格控制，减少温度应力对钢结构的影响。
　　3. 基础承重的负荷设计
　　加装结构的自重对原有基础有一定的承载力，设计时应使整个结构的基础荷载低于原有结构基础的设计承载力，以免出现安全隐患。按现行规范的要求，可通过复核原结构图纸中基础的设计尺寸、加固要求等，对原结构和加建的结构总重进行承载能力复核。如基础承载力不足，应采取加固措施。
　　4. 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，又使造價与施工环境相适应，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。

　　5. 钢结构柱设计要点
　　钢构顶层加建结构柱的施工技术主要有两种：一种是钻孔连接法，即用过渡钢板将结构柱插入建筑的混凝土柱头，钻孔后再用锚固钢筋焊接，使锚固柱与钢结构柱连接。本发明可以提高施工效率，大大提高施工可操作性，但其缺点是稳定性差，柱体的耐久性能差。在这方面，我们可以采取适当的措施来加强。
　　现在比较常用的方法是把钢柱内的钢筋加热，然后通过底板开洞焊接到底板上。然后用细集料混凝土调平。但是，这一方法也有其缺点，会导致建筑的整体抗震性能下降，因此在施工过程中应根据地理环境酌情采用。
　　另一种是U形箍连接法，其基本原理是通过钢柱子下部的U形箍将钢柱子与底板连接，这种方法具有很好的稳定性和耐久性，但仅适用于小规模建筑，大型建筑的应用空间并不大。
　　另外需注意的是，钢结构柱在施工过程中，需要根据建筑物的性质和附加的具体规定，制定柱脚的连接方式。如某建筑物的混凝土结构为5层，加建钢结构为2层，两个结构间采用大底盘式连接方式，采用抗震缝作为单体结构中的隔断。根据地区抗震设防烈度要求，可采用混凝土外包柱脚进行设计，并利用相应的结构设计软件进行模型计算，从而了解柱脚受内力变形的情况，计算出柱脚的抗形变承载力公式。
　　与此同时也要注意把握截面设计的要点，一般柱子的截面宽度和高度保证大于300 mm，柱子直径保证大于350 mm，还需要计算截面短、长边比，一般情况下其比值不能大于3，柱子纵向的钢筋比例必须保证在0.2%以上。对于钢梁的设计而言，这些参数的控制尤为重要，只有严格参照标准，才能使钢结构柱发挥最大的作用，为工程施工提供稳定的安全保障。
　　四、结语
　　综上所述，加建钢结构的合理使用，有助于提高建筑的稳定性，因此加建钢结构的设计工作应充分把握设计要点，从整体上和细节上入手，以科学合理的设计工作来指导施工，从而达到建筑经济效益的最大化。本文通过对混凝土结构和钢架结构的性能进行对比分析，提出了顶层加建钢结构的设计要点，希望有关部门结合实际情况，加以有效应用。
　　参考文献
　　[1]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（16）.
　　[2]师卉.混凝土框架顶层加建钢结构设计探析[J].山西建筑，2018（9