在钢筋混凝土结构或者砌体结构的顶部增层时若采用轻钢结构,会出现如下问题: 上下结构形式存在差异,原结构的自重以及侧向刚度相较于增层部分要大出许多。这样一来,增层之后整个结构就变成了一种上柔下刚、上轻下重的不均匀体系,这种体系属于规范中所规定的竖向不规则结构,存在质量和刚度的突变。 钢结构与混凝土结构或砌体结构的阻尼比不同,因此结构呈现非经典阻尼特征,其阻尼比处于混凝土与钢结构阻尼比之间。 这种情况,所有版本的《建筑抗震设计规范》中均没有规定此种结构形式的设计以及有关要求,属于超规范设计,需要进行超限审查,其设计方法需经过专门研究。 (1)北京审图专家对顶部增设两层及以上钢结构的意见(京施审专家委房建【2015】结字第1号):建设单位应组织相关专家进行审查,以专家的审查意见作为施工图审查的依据之一。外省市项目应由省级以上工程技术专家委员会进行审定。 (2)《2022年江苏省建设工程施工图设计审查技术问答》:在已有混凝土建筑屋顶加建一层,采用轻型钢结构是否可行?设计时,应该加强哪方面的计算和构造?
答:采用轻钢结构在已有混凝土屋顶加建一层,上部钢结构的层数和高度应计入房屋的层数和总高度中,其层数及中高度的限值宜按其底部的结构类型确定。审查过程中建议关注以下几点:
1) 不同材料阻尼比取值;
2) 钢柱柱脚连接方式;
3) 由于存在鞭梢效应,应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算;
4) 钢结构体系对下部混凝土结构的影响。
北京市规定在结构顶部增设两层及以上钢结构时,才需要进行专门的研究和论证,这意味着当结构顶部仅增设一层钢结构时,是不需要进行专家论证的。江苏省施工图设计审查技术问答也强调,在结构顶部加建一层时应关注的问题,但同样未提及需要进行超限审查。所以在北京以及江苏原结构加建一层轻钢结构是允许的。 (1)结构顶部加建一层轻钢结构后,应按加建后的结构状态建立模型;
(2)结构加建一层轻钢结构后,是按现行规范进行抗震鉴定及加固设计?还是按原房屋的建造年代确定其后续工作年限,从而确定抗震鉴定及加固设计标准,低于现行规范设计?
以原房屋的剩余工作年限小于30年为例,有观点认为结构加建一层后,可以按后续工作年限30年确定抗震鉴定及加固设计标准。笔者认为这种观点是欠妥的,结构加建一层后,原结构和新增结构均应按现行规范进行抗震鉴定及抗震设计,并且按现行规范进行加固设计。
(3)结构加建一层后,上部钢结构的层数和高度,应计入房屋的层数和总高度中,其层数及总高度的限值按下部结构的类型确定; (4)抗震分析的阻尼比取值,可以按混凝土部分阻尼比取0.05,钢结构部分取0.02,进行分析计算;也可采用应变能方法计算较为精确的阻尼。 第(3)、(4)条来源于北京市建筑设计研究院有限公司编著的《建筑结构专业技术措施》。 对于原结构加建一层轻钢结构的情况,可以通过加强抗震措施来加强上下结构的协调变形能力,而其中的难点在于确定结构的阻尼比。 在简化计算时,阻尼比可以取0.025~ 0.035;若要得到准确数值,则应采用应变能加权法来计算等效阻尼比。