建筑工程室内钢结构加层设计

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前言

建筑的主要功能之一便是舒适度，因此，在建筑工程满足安全和舒适度的同时，在对室内加层的设置时，需要满足建筑净空的要求，这就要求设计合理的室内加层结构形式，并选取合适的结构材料和结构构件截面，从而保证建筑功能的最大限度的实现。而钢筋混泥土和钢材是现代建筑的主要原材料，由于室内加层受到整个主体建筑的布局和设计载荷等因素的制约，这就要求室内加层需要有较轻的自重，并且需要强度高、截面小，同时还需要满足环保的要求。而钢结构室内加层技术具有布局灵活、自重轻、轻度高、延性好、截面小、对主体结构影响小等特点，并且材料可回收利用，符合可持续发展的战略要求，使得钢结构成为室内加层结构的理想选择。

1建筑室内钢结构加层设计的应用工程实例

1～2层为裙房，商业用途，3～12层为商住综合用途。建筑的主体结构柱、墙等竖直构件混凝土强度为C40，梁、板等水平构件为混凝土强度等级为C35，钢梁、钢柱采用Q235。

2建筑室内加层钢结构设计的研究方法

建筑工程室内加层结构设计主要有钢框架和混凝土框架两种结构形式，通常我们可以通过以下方法来对室内加层钢结构设计研究:

(1)多方案理论对比研究法。与钢结构室内加层结构相比，钢筋混凝土室内加层结构的自重和刚度都较大，这样可能会导致主体结构的部分构件如柱、强等荷载增大，延性减小，抗震性能有所减弱，安全效果不理想。通常我们可以通过对不同的室内加层结构体系进行方案对比，从而给定设计的参数和准则，这样有利于设计的计算和技术的推

(2)数值计算模拟仿真分析法。该种分析方法主要运用相关软件对不同的室内加层结构方案建立计算模型，并进行比较分析研究。通常可以先用PKPM软件建立计算模型，然后用SATWE软件进行计算。

3钢框架结构和混凝土框架结构室内加层设计的对比研究

通过上述研究方法，我们对上述工程实例进行不同结构的室内加层设计，进而对比两者加层后的效果。

(1)钢框架结构室内加层方案。针对建筑的实际条件和主体结构的布置，使用钢结构来对室内加层。为了钢设置钢柱脚底板的方便与可靠，在主体建筑结构体系的框架梁上设置钢柱，并根据建筑室内的额分隔来设置钢柱柱网，使钢柱截面宽与隔墙厚度保持一致，取值20cm，保证钢柱的的布置不影响建筑的效果。同时为了保证建筑净空的高度，多数钢梁截面高应小于等于35cm。加层结构的水平方向跨度相对较大为11m，并且刚度较弱，则，在加层设计时需要加强该方向的抗震性设计。而在EH轴和3、4轴，5、6轴之间的区域，应加大箱型钢柱截面的厚度，与中间的核心筒形成双口型加强区。口型外连接的箱型钢柱截面厚度也应加大。其余钢柱截面厚度满足需求即可。

(2)混凝土框架结构室内加层设计方案。选取混凝土框架柱截面的最小宽度为30cm，由于加层结构混凝土柱底荷载较大，容易导致建筑主体结构楼面难以承受，依据主体结构的平面布置，可不另设混凝土柱，框架梁截面宽度取20cm。同样水平跨度较大为11m，需要加强该方向的抗震设计。而水平方向的加层结构易加大框架梁截面高度。由于混凝土框架结构的自重较大，这样容易增加建筑的基础载荷，截面高度大，很难满足净空的要求，也不方便以后室内的改造。

4建筑室内钢结构加层与混凝土结构设计的比较

我们通过以下技术指标来对比两种设计方案的优缺点:

(1)总的自重。根据设计的数据通过计算可得，钢框架室内加层结构体系的活载总质量为2917t，恒载总质量为30485t，结构总质量33402t，而混凝土框架室内价加层结构体系的活载总质量2919t，恒载总质量为31588t，结构总质量为34507t。其中，活载总质量为折减后的结果，而恒载总质量包含自重和外恒载。

(2)钢比重。通过计算，钢结构加层结构体系的水平和竖直钢比重分别为:12.23、33.79;混凝土框架的加层结构体系的水平和竖直钢比重分别为:12.25、33.13。其中，结构的整体稳定验算结构宜大于1.4或2.7;钢框架与混凝土框架钢比重相等。

(3)基本周期的比较。钢结构加层架构体系的水平和竖直方向以及扭转基本周期分别为:1.2234s、0.7284s、0.8087s;混凝土框架的水平、竖直方向和扭转的基本周期分别为:1.2275s、0.7398s、0.8377s。其中，两种结构的基本振动周期相等。

(4)有效质量系数的比较。通过计算钢框架加层结构体系的水平和竖直方向的有效质量系数分别为:98.63、98.95;混凝土框架加层结构体系的水平和竖直方向的有效质量系数分别为:98.61、98.92。其中，有效质量系数应当大于90%，且两者该系数近似相等。

(5)剪重比。剪重比在每层都有，是反映主体结构刚柔程度的指标。经过计算，钢结构框架的水平和竖直方向的剪重比分别为:5.69、8.65;混凝土结构的则分别为:5.69、8.59。二者的剪重比相等。

(6)地震下顶点的位移。经计算，钢框架水平和竖直方向的顶点位移分别为:42.3、23.2，;混凝土框架结构则分别为:42.4、23.6。通过上述综合技术指标计算的数据可知，虽然采用两种方案的有效质量系数均满足大于90%的要求，并且剪重比也满足大于3.2%的要求，但，钢结构的总重较轻，对于主体结构的承重有利，并且不会增大主体结构的载荷。

5结论

综上所述，通过对比钢结构室内加层与钢筋混凝土室内加层多个技术指标的分析可以得出如下结论:

(1)钢结构室内加层设计和钢筋混凝土室内加层结构设计对主体结构均无不利影响。

(2)从结构材料来看，两种设计方案都能够满足安全的性能，但是钢结构自重较轻，每层约有1.4kN/㎡，并且强度高，截面小，能够有效的满足室内净空的要求。

(3)钢结构室内的加层更加容易拆除，材料还可回收，相比于钢筋混凝土结构更加环保，虽然混凝土结构在室内加层中可行，但整体效果明显不如钢结构。因此，建筑钢结构室内加层设计比较合理，在实际应用中，需要根据主体结构的实际情况来设计科学合理的结构方案，进而保证这个加层甚至是建筑的质量。

作者：张玉 单位：合肥工业大学建筑设计研究院