劉 偉 姜 昊 于海濤 張 雄 席 位

(吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118)

我國(guó)是人口大國(guó)，目前大中型城市正經(jīng)歷著寸土寸金的狀態(tài)，土地能否高效的利用已成為阻礙城市建設(shè)發(fā)展的一大難題．據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至1985年底，我國(guó)城鎮(zhèn)住房面積已達(dá)46億m2，按設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年計(jì)算，這些建筑已經(jīng)進(jìn)入“老齡化”階段．如今，對(duì)已有建筑增層改造的案例不斷涌現(xiàn)，這種改造方式改善了城市用地的緊張，降低了工程造價(jià)，延長(zhǎng)了建筑的使用周期．實(shí)踐表明，對(duì)已有建筑進(jìn)行增層改造是一條符合我國(guó)國(guó)情且具有明顯社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的道路，對(duì)緩解城市用地緊張具有現(xiàn)實(shí)意義．

1 增層改造的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

1．1 國(guó)外增層結(jié)構(gòu)歷史及現(xiàn)狀

第二次世界大戰(zhàn)后，發(fā)達(dá)國(guó)家的恢復(fù)建設(shè)大體可分為三個(gè)階段:

(1)戰(zhàn)后以新建筑為主的建設(shè)時(shí)期;

(2)新建與改造并存時(shí)期．既有建筑的承載能力隨著時(shí)間而降低，體量也難以滿足發(fā)展的需求，進(jìn)而需要對(duì)原有建筑進(jìn)行加固、改造;

(3)以維護(hù)、改造、加固為核心的時(shí)期．20世紀(jì)70年代末期，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家便已經(jīng)邁入了這個(gè)時(shí)期．在改造、維護(hù)等方面的投資約占總建設(shè)投資的70%以上．

目前，建筑業(yè)作為美國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)三大支柱產(chǎn)業(yè)之一，分為新建建筑業(yè)和維修改造業(yè)兩部分;日本在1977年就制定了舊房改造的相關(guān)政策;自20世紀(jì)80年代，瑞典的建筑行業(yè)便將對(duì)原有建筑的改造列入首要目標(biāo);1980年英國(guó)用于對(duì)原有建筑修繕改造的費(fèi)用占總工程投資的1/3，并在1985年進(jìn)入建筑行業(yè)改造市場(chǎng)的全盛時(shí)期;其它國(guó)家如德國(guó)、匈牙利等國(guó)也都在這個(gè)時(shí)期出臺(tái)了針對(duì)原

有住房改造的方針．

隨著舊房改造技術(shù)的不斷完善，世界各國(guó)相繼涌現(xiàn)諸多經(jīng)典的增層改造案例，如:美國(guó)Julsa Oklahoma中州大樓在原有16層建筑構(gòu)筑一個(gè)內(nèi)筒，最終增層為21層的建筑，成為增層結(jié)構(gòu)的經(jīng)典之作，也是迄今為止世界上增加層數(shù)最多的建筑(見圖1);意大利某市政府辦公樓在不停止使用的前提下，采用樹根樁上做基礎(chǔ)梁，并在梁上直接起鋼柱穿越原結(jié)構(gòu)，在夜間施工，增層部分鋼框架完成后拆除原建筑并重建，再將板件與整體結(jié)構(gòu)鏈接，最終形成全新整體．

圖1 Julsa Oklahoma中州大樓

1．2 我國(guó)增層結(jié)構(gòu)歷史及現(xiàn)狀

截至1985年底，我國(guó)城鎮(zhèn)住房面積達(dá)到46億m2，這些建筑隨著時(shí)間的推移逐步進(jìn)入“老年”階段，針對(duì)此類建筑，完全拆除既不現(xiàn)實(shí)又不經(jīng)濟(jì)，增層改造便是在這樣的條件下在中國(guó)悄然興起的．為推動(dòng)已有建筑增層改造工作，適應(yīng)世界范圍內(nèi)建筑改造工程的迅速崛起，成立了全國(guó)房屋增層改造技術(shù)研究委員會(huì)、中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)、建筑物鑒定與加固技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)等學(xué)術(shù)團(tuán)體，多次召開有關(guān)增層改造的學(xué)術(shù)研討會(huì)，完善增層結(jié)構(gòu)的理論體系，以便更好地將理論應(yīng)用于實(shí)踐當(dāng)中．

近期，城市中增層與改造的案例不斷增多，究其原因一方面是節(jié)約用地;另一方面也是通過對(duì)原有建筑的改造，延長(zhǎng)使用年限，更好地為社會(huì)服務(wù)．利用現(xiàn)有建筑改造是控制城市建筑用地的重要途徑．我國(guó)改造工程多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其中也不乏杰出之作，如:同濟(jì)大學(xué)圖書館，在原有口字形結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上采用桶式懸挑躍層加層的辦法，在中心設(shè)置兩個(gè)鋼筋混凝土筒體作為新館，共11層，見圖2．

圖2 同濟(jì)大學(xué)圖書館

2 增層改造存在的主要問題

迄今，增層改造發(fā)展已越來越趨近于規(guī)范化、國(guó)際化，但在實(shí)際設(shè)計(jì)研究中發(fā)現(xiàn)，這種體系仍存在著許多亟待解決的問題:

(1)國(guó)內(nèi)外對(duì)于增層改造的研究還不夠成熟，主要是針對(duì)這種結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和受力模型還沒有透徹的了解，且沒有形成一套成熟的理論體系，即便是在國(guó)外對(duì)于增層改造設(shè)計(jì)也僅限于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)作為參考［1］;

(2)輕鋼增層改造以后的整體建筑動(dòng)力特性與原結(jié)構(gòu)相差較大，阻尼比ζ是結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的基本參數(shù)，對(duì)動(dòng)力分析結(jié)果有很大的影響．在阻尼理論中最具影響力的也許是Rayleigh提出的比例阻尼理論(或經(jīng)典阻尼)，但對(duì)于一些復(fù)雜或非常規(guī)的結(jié)構(gòu)如何確定阻尼比，至今沒有權(quán)威的理論方法［2］;

(3)增層后的結(jié)構(gòu)豎向剛度、質(zhì)量有突變，首層容易成為薄弱層，鞭梢效應(yīng)明顯，所以新老結(jié)構(gòu)的連接即對(duì)柱腳的處理上，很大程度影響了整體的抗震性能，應(yīng)給予足夠的重視．目前對(duì)于柱腳結(jié)構(gòu)形式的研究還有待擴(kuò)展開發(fā)，并最終形成一套可靠豐富的體系;

(4)我國(guó)已經(jīng)培養(yǎng)出一批可用的針對(duì)增層施工技術(shù)人才，但在施工方面還是存在著諸多困難，如施工期間，老建筑大部分仍處于日常使用狀態(tài);新舊建筑連接處，老建筑的鋼筋分布與設(shè)計(jì)圖紙有偏差等問題．如何全面考慮并找出一套可行的方案，是施工技術(shù)上需要解決的問題;

(5)震區(qū)采用輕鋼增層結(jié)構(gòu)形式缺乏足夠的資料做參考，我國(guó)學(xué)者多以國(guó)內(nèi)工程實(shí)例為背景進(jìn)行研究，由于地區(qū)的局限性，這些研究顯得不夠系統(tǒng)，更多的系統(tǒng)的地震資料及試驗(yàn)資料是必要的，而且在實(shí)際當(dāng)中缺乏可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)，抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中也沒有針對(duì)該體系的明確規(guī)定．因此，還需要進(jìn)行大量的分析計(jì)算，找出設(shè)計(jì)共性及特點(diǎn)供設(shè)計(jì)者參考．

3 增層改造的主要類型及優(yōu)缺點(diǎn)

由于建筑結(jié)構(gòu)的不同，增層的種類也就不完全相同，合理的選擇增層結(jié)構(gòu)形式是十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，如果選擇不當(dāng)很容易造成造價(jià)高、不滿足建筑安全要求或抗震要求等一系列問題，給增層建筑帶來安全隱患．截止到2013年末，我國(guó)增層的主要結(jié)構(gòu)形式有四類．

3．1 直接增層

直接增層是充分利用原有建筑的承載能力潛質(zhì)，在原有建筑承重結(jié)構(gòu)體系和平面布置不改變的情況下直接增層，是最直接、最經(jīng)濟(jì)也是最方便的增層手段，但此類增層形式要求原有建筑結(jié)構(gòu)地基礎(chǔ)的承載能力和變形能力滿足增層需求．

3．2 外套增層

外套增層是在原有建筑之外增設(shè)外套結(jié)構(gòu)，使增層部分荷載通過外套結(jié)構(gòu)傳遞至原有基礎(chǔ)的增層手段．適用于原有基礎(chǔ)無法承受直接增層帶來的附加荷載、需要改變平面布置或增層施工時(shí)不能停止使用的建筑．常見的外套增層形式主要有兩類:一是分離式外套增層結(jié)構(gòu)，即外套結(jié)構(gòu)與原有建筑完全分立，成為相互獨(dú)立的兩個(gè)個(gè)體，各自承擔(dān)豎向荷載以及側(cè)力;二是整體式外套增層結(jié)構(gòu)，即外套結(jié)構(gòu)與原有建筑連結(jié)在一起，增加底層的抗側(cè)移剛度，提高了結(jié)構(gòu)的整體性及剛度均勻性，更有益于抗震．

3．3 地下室增層

為了更充分地利用地下空間，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了很多地下室增層的案例，其分類主要有以下幾種:

(1)新增局部地下室，通常用于單層廠房或面積較大的建筑中心，遠(yuǎn)離原有建筑基礎(chǔ)的地方開建地下室;

(2)新建防空洞地下室;

(3)在地下室內(nèi)增設(shè)夾層;

(4)將原有基礎(chǔ)回填部分改建為地下室等．

3．4 室內(nèi)增層

室內(nèi)增層指的是在原有房屋內(nèi)增加夾層或凈高允許的情況下增加樓層的一種擴(kuò)建手段，充分利用原有房屋的外墻、屋蓋等，僅需要在增層部分增設(shè)承重構(gòu)件及抗側(cè)力構(gòu)件，即可達(dá)到擴(kuò)大空間的最終目的．

4 本文研究的主要內(nèi)容及成果

4．1 輕鋼增層

輕鋼增層是一種新型而且有很大潛力的增層技術(shù)，與傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，輕鋼增層一是可以減輕1/2～1/3的自重［1］，對(duì)下部結(jié)構(gòu)影響小，在條件允許的情況下可以不對(duì)下部結(jié)構(gòu)加固，選擇直接增層;二是結(jié)構(gòu)形式多樣，可以滿足人們對(duì)大空間的需求;三是經(jīng)濟(jì)性較好，造價(jià)方面基本可以做到與磚混結(jié)構(gòu)持平，并可節(jié)省大量木材、水泥、砂石等．隨著鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國(guó)開始鼓勵(lì)合理的使用建設(shè)用鋼并頒布了《門式鋼架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 102;2002)和《輕型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(DBJ 08-68-97)等相關(guān)規(guī)程，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑鏈條的發(fā)展也隨之不斷的完善、規(guī)范．

4．2 隔震系統(tǒng)

隔震系統(tǒng)是在結(jié)構(gòu)間設(shè)置隔震層，也就是隔震墊(橡膠)支座．它既能夠較好地吸收地震能量，又能提供充分的變形能力．這種橡膠支座由薄鋼板和薄膠板交相重疊，模壓硫化而成．在地震時(shí)，通過支座本身特有結(jié)構(gòu)并憑借其水平剛度較小，可以產(chǎn)生較大的水平位移來實(shí)現(xiàn)消耗地震能量，隔震效果顯著［4］．同時(shí)，隔震墊支座具有豎向承載能力大、恢復(fù)性能穩(wěn)定、構(gòu)造簡(jiǎn)單安裝方便、耐久性、耐水性、耐火性良好等諸多特點(diǎn)．目前國(guó)內(nèi)外常采用的疊層鋼板橡膠支座有:板式橡膠支座(RB)、鉛芯橡膠支座(LRB)和高阻尼橡膠支座(HDRB)，其中，鉛芯橡膠支座(圖3)是在中心部分豎直的壓入高純度的鉛芯，通過鉛芯的剪切變形來吸收消耗振動(dòng)能量，并且可以通過調(diào)節(jié)鉛芯直徑來調(diào)節(jié)阻尼，十分靈活，是目前各國(guó)應(yīng)用最廣泛的隔震裝置．

4．3 層間隔震

層間隔震是從基礎(chǔ)隔震衍生而來的隔震技術(shù)，層間隔震的基本原理是通過隔震層延長(zhǎng)自振周期使地震反應(yīng)減小，并運(yùn)用反共震理論，使主結(jié)構(gòu)(原有結(jié)構(gòu))與子結(jié)構(gòu)(增層部分)協(xié)同工作形成TMD(質(zhì)量調(diào)諧阻尼)系統(tǒng)，通過改變子結(jié)構(gòu)剛度K、質(zhì)量M、阻尼C等參數(shù)影響子結(jié)構(gòu)的自振頻率，使其盡可能接近主結(jié)構(gòu)的基本頻率，當(dāng)主結(jié)構(gòu)發(fā)生震動(dòng)時(shí)，子結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反方向的慣性力作用，從而起到衰減控制地震的作用［5］．隔震示意圖見圖4及受力模型見圖5．

圖3 增層隔震示意圖

圖4 增層隔震受力模型

圖5 鉛芯橡膠支座

4．4 隔震層布置

隔震層可以根據(jù)建筑本身特點(diǎn)靈活的布置于不同位置［6］，如剛度有突變位置見圖6(a);結(jié)構(gòu)形式變化位置見圖6(b);一層樓頂處見圖6(c);中間層見圖6(d);頂層處見圖6(e)等．

圖6 層間隔震示意圖

4．5 現(xiàn)階段對(duì)本課題的研究成果

(1)輕鋼增層建筑存在著較大的剛度變化，可以考慮采用動(dòng)力放大系數(shù)的底部剪力法進(jìn)行計(jì)算，水平放大系數(shù)宜選為2．0［7］．但此種算法得出的結(jié)果和實(shí)際差距相對(duì)較大，建議采用時(shí)程分析法，能夠較準(zhǔn)確的計(jì)算出結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng);

(2)結(jié)構(gòu)的特殊性，宜采用子結(jié)構(gòu)的方法，分別疊加原有結(jié)構(gòu)及子結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度、阻尼矩陣后，運(yùn)用模態(tài)振型分解法整體求解結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng);

(3)由于增層結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)均在以新老建筑為分界處發(fā)生變化，所以單獨(dú)分析計(jì)算子結(jié)構(gòu)是不合理的，需要進(jìn)行整體分析．分析表明，在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加一層并不會(huì)出現(xiàn)明顯的“鞭梢效應(yīng)”，增加兩層或以上時(shí)，增層部分的第一層是薄弱層，需要進(jìn)行抗震驗(yàn)算，而且需要考慮高階振型的影響;

(4)增層結(jié)構(gòu)實(shí)際震動(dòng)時(shí)阻尼耗能因素較多，對(duì)地震響應(yīng)反應(yīng)譜分析影響較大，而且沒有直接測(cè)量等手段或分析方法，通常采用將阻尼耗能定義為簡(jiǎn)化的阻尼計(jì)算模型;

(5)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比為ξ=0．05．對(duì)于多遇地震中的鋼結(jié)構(gòu)其阻尼比在不超過12層的可采用0．035，超過12層的可采用0．02．張相庭［8］對(duì)鋼與鋼筋混凝土兩種材料組合而成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力特性分析，得出其阻尼比約為0．03～0．04之間，并通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的結(jié)果比對(duì)，證實(shí)了該數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;

(6)隔震技術(shù)可以有效的降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，減震效果與隔震層的設(shè)置成反比，隔震層設(shè)置越高減震效果越低;

(7)參數(shù)優(yōu)化后的隔震體系不但降低了隔震層以下結(jié)構(gòu)的層間位移，同時(shí)更為有效的制約了上部結(jié)構(gòu)絕對(duì)加速度反應(yīng)，在實(shí)際工程中無論優(yōu)化側(cè)移剛度值或優(yōu)化隔震支座的種類與數(shù)量都會(huì)存在允許的誤差［9］．

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了由增層改造技術(shù)所衍生的輕鋼隔震增層技術(shù)，集技術(shù)創(chuàng)新、構(gòu)造合理、省時(shí)省料等諸多優(yōu)勢(shì)為一體．但同時(shí)也指出，如阻尼比如何確定，尚未出現(xiàn)具有權(quán)威性的規(guī)范等問題，列舉了現(xiàn)階段的研究成果供此項(xiàng)技術(shù)的研究人員作為參考．總體來看，這項(xiàng)技術(shù)還應(yīng)繼續(xù)的深化研究，并最終形成一套成熟合理的增層結(jié)構(gòu)體系，更好地為城市化建設(shè)服務(wù)．

［1］張 濤．既有建筑頂部鋼結(jié)構(gòu)加層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與抗震性能分析［D］．北京:清華大學(xué)，2005．

［2］馬飛飛．框架結(jié)構(gòu)輕鋼加層的地震反應(yīng)分析研究［D］．青島:山東科技大學(xué)，2010．

［3］王 維．建筑輕鋼增層結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)共同作用分析［D］．西安:西安科技大學(xué)，2008．

［4］祁 皚．層間隔震技術(shù)評(píng)述［J］．地震工程與工程震動(dòng)，2004，24(6):114-120．

［5］劉仲陽(yáng)，麻建鎖，白潤(rùn)山．輕鋼結(jié)構(gòu)加層設(shè)計(jì)的隔震技術(shù)及應(yīng)用［J］．河北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，25(4):6-8．

［6］呂 偉．輕鋼增層混合結(jié)構(gòu)抗震性能研究［D］．濟(jì)南:山東建筑大學(xué)，2011．

［7］吳培成．輕鋼增層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法的研究［D］．蘭州:蘭州大學(xué)，2006．

［8］張相庭．高層建筑抗風(fēng)抗震設(shè)計(jì)計(jì)算［M］．上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1997:29-31．

［9］祁 皚，鄭國(guó)深，閻維明．考慮參數(shù)優(yōu)化的層間隔震結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究［J］．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2009，30(2)8-16．