CN105155866A - 一种砌体房屋分离式外套加层结构及其加层方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种砌体房屋分离式外套加层结构及其加层方法，属于建筑改造技术领域，型钢混凝土双肢柱下设桩基础，柱底设置底板和翼板，型钢混凝土双肢柱浮置于承台上，在型钢混凝土双肢柱的下部和承台之间设置预应力钢绞线，高出砌体房屋部分的型钢混凝土双肢柱通过钢空腹桁架相连。它利用结构摇摆原理削减地震作用；翼板弯曲耗能，在震后可以方便地替换；预应力钢绞线使外套加层结构具有自复位能力，减少震后结构残余变形。它解决了普通分离式外套框架加层结构两大抗震缺陷：柔弱首层和大跨度问题，同时还具有减小地震作用、结构损伤部位可控、结构功能可恢复等优点。这种加层方法完全在建筑物外部进行，避免了室内施工带来的一系列问题。

Description

一种砌体房屋分离式外套加层结构及其加层方法

技术领域

本发明属于建筑改造技术领域，特别涉及一种砌体房屋分离式外套加层结构及其加层方法。

背景技术

外套加层结构是指在既有房屋的外围增设新的结构，跨越原结构将其“套”在里面，是直接加层法不可行情况下唯一的选择。根据与既有房屋是否连接，外套加层结构可分为整体式和分离式两类。整体式由于需要借助于既有结构的抗震能力，这意味着多数情况下，既有砌体结构需要抗震加固。而且，在室内开挖基础、浇筑梁柱、加固墙体等施工操作很困难，施工期间用户不得不临时搬迁周转，增加加固改造费用的同时也造成无法正常使用。更为不利的是，整体式存在新旧结构之间荷载传递不明确，计算模型不清晰的问题，很难把握其抗震能力。也因此，《砖混结构房屋加层技术规范》（CECS78:96）暂不推荐采用。而分离式与原房屋彻底脱开，具有传力路径明确，计算简图明晰，用户不必搬迁等优点。

但是，普通的分离式框架作为典型的柔弱首层大跨度结构，也存在两大抗震弱点：1、首层层高大于原房屋总高，无侧向约束的柱子一般高达十几米至二十几米，形成类似“踩高跷”式的结构，重心高、上刚下柔，抗扭转性能差。2、外套结构横向跨越原结构，需要通过转换大梁实现上部小空间向下部大空间的转换，而转换大梁在转换层处质量和刚度突变，形成“强梁弱柱”，对抗震很不利。申请人曾提出双肢柱-空腹桁架分离式外套结构，研究表明：斜腹杆系双肢柱可有效地提高首层抗侧刚度，竖向抗侧刚度较均匀，各层弯矩峰值显著减少并趋于均匀。但是，传统的基于延性抗震设计的结构，在强震作用下，即使幸免于倒塌，结构构件本身的破坏和残余变形也是不可避免的，导致震后修复的困难和昂贵，甚至残余变形过大不得不拆除。为了获得更为优异的抗震性能，实现结构损伤控制和功能可恢复，申请人提出摇摆自复位型钢混凝土双肢柱-钢空腹桁架分离式外套加层结构，该结构是在双肢柱-空腹桁架分离式外套加层结构基础上，在型钢混凝土双肢柱的柱底设置底板和耗能翼板，在大震作用下，型钢混凝土双肢柱提离，从而使型钢混凝土双肢柱具有摇摆能力，同时利用翼板的弯曲屈服耗散地震能量，减小结构地震反应；并通过在型钢混凝土双肢柱和桩基础的承台之间布置无粘结预应力钢绞线，提供自复位能力。

目前，我国现存大量兴建于20世纪80年代以前的多层砖砌体房屋，受经济发展水平的制约，无法大量拆除重建，而对其进行加层改造经济效益明显，成为具有中国特色的一项改造技术，在全国各地已有大量工程实例。我国为地震灾害最为严重的国家之一，全国80%以上的大中城市均位于地震区，传统的分离式外套加层结构存在明显的抗震薄弱环节，目前尚缺乏高效的抗震结构体系。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种砌体房屋分离式外套加层结构，它不但解决了普通分离式外套框架加层结构存在的两大抗震缺陷：柔弱首层和大跨度问题，而且具有减小地震作用、结构损伤部位可控、结构功能可恢复等优点。

本发明的第二个目的是提供一种砌体房屋分离式外套结构的加层方法。

本发明的第一个目的是这样实现的：

一种砌体房屋分离式外套加层结构，特征是：在砌体房屋的两侧分别设置型钢混凝土双肢柱，高出砌体房屋部分的型钢混凝土双肢柱通过钢空腹桁架连接，同时在型钢混凝土双肢柱的柱底设置底板，底板焊接在型钢混凝土双肢柱内部的型钢上，在底板的四边设有翼板，并在型钢混凝土双肢柱下方的地面设有桩基础，底板通过翼板、高强螺栓与承台锚固在一起，同时在底板和高强螺栓之间设置了垫板；在型钢混凝土双肢柱的下部和桩基础的承台之间设置预应力钢绞线，预应力钢绞线的上部锚固于直腹杆，预应力钢绞线的下部锚固于承台上；楼板采用压型钢板组合楼板。

所述钢空腹桁架是指没有斜腹杆的桁架结构，由上弦杆、腹杆和下弦杆组成，并且通过高强螺栓和角钢固接在型钢混凝土双肢柱内部的型钢上。钢空腹桁架主要以弦杆轴力平衡弯矩，自重轻，传力明确，刚度较大，是一种高效的抗弯结构系统，可以实现较大跨度的跨越，并且空腹部分可以布置管线。

所述型钢混凝土双肢柱是由两根型钢混凝土柱之间通过斜腹杆刚接组成的构件，显著增加了型钢混凝土柱的抗侧刚度，其中型钢混凝土柱是在钢筋混凝土柱的内部添加有型钢。

所述底板是由Q235钢材制成的钢板，在地震作用下，底板可以抵抗型钢混凝土双肢柱与承台的撞击，翼板通过弯曲屈服耗能，实现结构损伤部位可控，并且在震后可以方便地进行替换。

所述直腹杆是由Q345钢材制成的工字型钢，当布置在型钢混凝土双肢柱的下部时，起锚固预应力钢绞线的作用，当布置在型钢混凝土双肢柱的顶部时，起封闭顶部的作用。

所述斜腹杆是由Q345钢材制成的工字型钢，斜腹杆的两端分别焊接在两个型钢混凝土柱子内部的型钢上，并且可显著增加柱子的抗侧刚度。

所述压型钢板组合楼板是通过栓钉使压型钢板与钢空腹桁架锚固在一起，同时布设楼板钢筋、浇筑混凝土形成压型钢板组合楼板。压型钢板组合楼板不仅可以实现快速安装，而且有利于管线的铺设。

所述预应力钢绞线是指后张拉无粘结预应力钢绞线，后张拉无粘结预应力钢绞线的顶端锚固于型钢混凝土双肢柱中的直腹杆上，后张拉无粘结预应力钢绞线的底端向下穿过承台并通过锚具与承台锚固在一起，使型钢混凝土双肢柱具有自复位能力。

所述桩基础由承台和锚杆静压桩两部分组成，桩基础在给型钢混凝土双肢柱提供支撑和抗拔力的同时，也为预应力钢绞线提供了锚固点。

所述高强螺栓是指由45号钢、40硼钢、20锰钛硼钢、35CrMoA等制成的10.9级螺栓。

本发明的第二个目的是这样实现的：

一种砌体房屋分离式外套结构加层方法，特征是：

A、根据当地的设防标准，初选型钢混凝土双肢柱和钢空腹桁架的截面尺寸，包括两根型钢混凝土柱的尺寸和距离、直腹杆和斜腹杆的尺寸，钢空腹桁架的上弦杆、下弦杆和腹杆的尺寸及间距；在有限元软件SAP2000中进行非线性时程分析和静力推覆分析，从而得到型钢混凝土双肢柱-钢空腹桁架分离式外套结构的优化设计；

B、在工厂预制型钢混凝土双肢柱、钢空腹桁架、压型钢板、底板；

C、在砌体房屋纵向的两侧每隔5.0～8.0m设置型钢混凝土双肢柱，型钢混凝土双肢柱抗侧刚度强的方向和钢空腹桁架的方向相同，且型钢混凝土双肢柱距离砌体房屋外墙0.5～1.0m，现场施工桩基础，预埋预应力钢绞线，混凝土养护28天之后，把底板焊接在型钢混凝土双肢柱上，通过高强螺栓把焊有底板的型钢混凝土双肢柱锚固在桩基础的承台上；再通过高强螺栓和角钢把钢空腹桁架拼接在型钢混凝土柱上；通过栓钉使压型钢板与钢空腹桁架锚固在一起，同时布设楼板钢筋、浇筑混凝土形成压型钢板组合楼板；最后对预应力钢绞线施加预应力，得到型钢混凝土双肢柱-钢空腹桁架摇摆自复位分离式外套加层结构。

本发明的优点是：

（1）首层抗侧刚度大。型钢混凝柱本身所具有的更好的承载力、延性、抗侧刚度和抗局部屈曲失稳能力，同时通过斜腹杆连接两根型钢混凝土柱组成的双肢柱形式使材料远离形心轴，提高截面回转半径，降低长细比，从而提高型钢混凝土柱的抗侧刚度和稳定性。

（2）结构损伤部位可控。结构变形主要集中在柱脚，在柱脚布设底板和翼板，其中底板可以有效的防止型钢混凝土双肢柱与承台的撞击，而翼板集中耗能，并且在震后可以方便地进行替换，实现可修复。

（3）摇摆削减地震作用，同时可实现自复位。小震时，柱底未提离，其受力与柱脚嵌固时相同，依靠结构自身强度和刚度抗震；大震时，双肢柱底部张开提离，结构体系刚度下降，减小地震作用，降低对结构强度和延性的需求，翼板耗散地震能量，损伤被集中控制在摇摆界面，而后张预应力钢绞线提供抗倾覆和自复位能力，实现结构快速恢复功能。

（4）钢空腹桁架和型钢混凝土双肢柱均可先预制，现场装配连接，楼板采用压型钢板组合楼板。施工速度快，最大限度地减少对用户的干扰。

（5）该砌体房屋分离式外套加层结构，符合工程加固改造和工程抗震的两大发展趋势：“不入户”，即所有施工作业只在建筑物外围进行，不影响建筑正常使用；损伤控制、可恢复功能结构是未来工程抗震的重点发展方向之一。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为型钢混凝土双肢柱与桩基础的连接节点示意图；

图3为钢空腹桁架与型钢混凝土双肢柱以及压型钢板组合楼板连接示意图。

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。

一种砌体房屋分离式外套加层结构，在砌体房屋3两侧分别设置型钢混凝土双肢柱2，高出砌体房屋3部分的型钢混凝土双肢柱2通过钢空腹桁架1连接，同时在型钢混凝土双肢柱2的柱底设置底板5，底板5焊接在型钢混凝土双肢柱2内部的型钢23上，底板5的四边设有翼板51，并在型钢混凝土双肢柱2下方的地面设桩基础6，底板5通过翼板51和高强螺栓53与承台7锚固在一起，同时在底板5和高强螺栓53之间设置了垫板52；在型钢混凝土双肢柱2的下部和承台7之间设置预应力钢绞线24，预应力钢绞线24的上部锚固于直腹杆4，下部锚固于承台7；楼板采用压型钢板组合楼板9。

所述钢空腹桁架1是指没有斜腹杆的桁架结构，由上弦杆11、腹杆12和下弦杆13组成，并且通过高强螺栓14和角钢15固接在型钢混凝土双肢柱2内部的型钢23上。钢空腹桁架1主要以弦杆轴力平衡弯矩，自重轻，传力明确，刚度较大，是一种高效的抗弯结构系统，可以实现较大跨度的跨越，并且空腹部分可以布置管线；

所述型钢混凝土双肢柱2是由两根型钢混凝土柱21通过斜腹杆22刚接组成的构件，显著增加了型钢混凝土柱21的抗侧刚度，其中型钢混凝土柱21是在钢筋混凝土柱的内部添加型钢31；

所述底板5是由Q235钢材制成的钢板，在地震作用下，底板5可以抵抗型钢混凝土双肢柱2与承台7的撞击，翼板51通过弯曲屈服耗能，实现结构损伤部位可控，并且在震后可以方便地进行替换；

所述直腹杆4是由Q345钢材制成的工字型钢，当布置在型钢混凝土双肢柱2下部时，起锚固预应力钢绞线24的作用，当用在型钢混凝土双肢柱2顶部时，起封闭顶部的作用；

所述斜腹杆22是由Q345钢材制成的工字型钢，斜腹杆22两端分别焊接在两个型钢混凝土柱21内部的型钢23上，斜腹杆22可显著增加型钢混凝土柱21的抗侧刚度；

所述压型钢板组合楼板9是通过栓钉92将压型钢板91锚固于上弦杆11上，再在压型钢板91配置钢筋后浇筑混凝土。压型钢板组合楼板9不仅可以实现快速安装，而且有利于管线的铺设。

所述预应力钢绞线24指的是后张拉无粘结预应力钢绞线，无粘结预应力钢绞线的顶端锚固于型钢混凝土双肢柱2中的直腹杆4上，无粘结预应力钢绞线的底端向下穿过承台7并通过锚具与承台7锚固在一起，使型钢混凝土双肢柱2具有自复位能力。

所述桩基础6由承台7和锚杆静压桩8两部分组成，桩基础6给型钢混凝土双肢柱2提供了支撑和抗拔力的同时，也为预应力钢绞线24提供了锚固点。

一种砌体房屋分离式外套结构加层方法，特征是：

A、根据当地的设防标准，初选型钢混凝土双肢柱2和钢空腹桁架1的截面尺寸，包括两根型钢混凝土柱21的尺寸和距离、直腹杆4和斜腹杆22的尺寸，钢空腹桁架1的上弦杆11、腹杆12和下弦杆13的尺寸及间距。在有限元软件SAP2000中进行非线性时程分析和静力推覆分析，从而得到型钢混凝土双肢柱-钢空腹桁架分离式外套结构的优化设计；

B、在工厂预制型钢混凝土双肢柱2、钢空腹桁架1、压型钢板9、底板5；

C、首先在现场施工桩基础6，养护混凝土28天之后，预埋预应力钢绞线24，之后在砌体房屋3纵向的两侧每隔5.0～8.0m设置型钢混凝土双肢柱2，型钢混凝土双肢柱2距离砌体房屋3的外墙0.5m，把底板5焊接在型钢混凝土双肢柱2上，通过高强螺栓53把焊有底板5的型钢混凝土双肢柱2锚固在承台7上；再通过高强螺栓14和角钢15把钢空腹桁架1拼接在型钢混凝土柱21上；通过栓钉92使压型钢板91与上弦杆11锚固在一起，同时布设楼板钢筋、浇筑混凝土形成压型钢板组合楼板9；最后对预应力钢绞线24施加预应力，得到型钢混凝土双肢柱-钢空腹桁架的摇摆自复位分离式外套加层结构。

Claims (10)

1.一种砌体房屋分离式外套加层结构，特征是：在砌体房屋的两侧分别设置型钢混凝土双肢柱，高出砌体房屋部分的型钢混凝土双肢柱通过钢空腹桁架连接，同时在型钢混凝土双肢柱的柱底设置底板，底板焊接在型钢混凝土双肢柱内部的型钢上，在底板的四边设有翼板，并在型钢混凝土双肢柱下方的地面设有桩基础，底板通过翼板、高强螺栓与承台锚固在一起，同时在底板和高强螺栓之间设置了垫板；在型钢混凝土双肢柱的下部和桩基础的承台之间设置预应力钢绞线，预应力钢绞线的上部锚固于直腹杆，预应力钢绞线的下部锚固于承台上；楼板采用压型钢板组合楼板。

2.根据权利要求1所述的砌体房屋分离式外套加层结构，其特征在于：所述钢空腹桁架是由上弦杆、腹杆和下弦杆组成，并且通过高强螺栓和角钢固接在型钢混凝土双肢柱内部的型钢上。

3.根据权利要求1所述的砌体房屋分离式外套加层结构，其特征在于：所述型钢混凝土双肢柱是由两根型钢混凝土柱之间通过斜腹杆刚接组成的构件，型钢混凝土柱是在钢筋混凝土柱的内部添加有型钢。

4.根据权利要求1所述的砌体房屋分离式外套加层结构，其特征在于：所述底板是由Q235钢材制成的钢板。

5.根据权利要求1所述的砌体房屋分离式外套加层结构，其特征在于：所述直腹杆是由Q345钢材制成的工字型钢。

6.根据权利要求1所述的砌体房屋分离式外套加层结构，其特征在于：所述斜腹杆是由Q345钢材制成的工字型钢，斜腹杆的两端分别焊接在两个型钢混凝土柱子内部的型钢上。

7.根据权利要求1所述的砌体房屋分离式外套加层结构，其特征在于：所述压型钢板组合楼板是在压型钢板上浇筑混凝土，同时在压型钢板上设置栓钉。

8.根据权利要求1所述的砌体房屋分离式外套加层结构，其特征在于：所述预应力钢绞线是指后张拉无粘结预应力钢绞线。

9.根据权利要求1所述的砌体房屋分离式外套加层结构，其特征在于：所述桩基础由承台和锚杆静压桩两部分组成。

10.一种砌体房屋分离式外套结构加层方法，其特征在于：特征是：

A、根据当地的设防标准，初选型钢混凝土双肢柱和钢空腹桁架的截面尺寸，包括两根型钢混凝土柱的尺寸和距离、直腹杆和斜腹杆的尺寸，钢空腹桁架的上弦杆、下弦杆和腹杆的尺寸及间距；在有限元软件SAP2000中进行非线性时程分析和静力推覆分析，从而得到型钢混凝土双肢柱-钢空腹桁架分离式外套结构的优化设计；

B、在工厂预制型钢混凝土双肢柱、钢空腹桁架、压型钢板、底板；

C、在砌体房屋纵向的两侧每隔5.0～8.0m设置型钢混凝土双肢柱，型钢混凝土双肢柱抗侧刚度强的方向和钢空腹桁架的方向相同，且型钢混凝土双肢柱距离砌体房屋外墙0.5～1.0m，现场施工桩基础，预埋预应力钢绞线，混凝土养护28天之后，把底板焊接在型钢混凝土双肢柱上，通过高强螺栓把焊有底板的型钢混凝土双肢柱锚固在桩基础的承台上；再通过高强螺栓和角钢把钢空腹桁架拼接在型钢混凝土柱上；通过栓钉使压型钢板与钢空腹桁架锚固在一起，同时布设楼板钢筋、浇筑混凝土形成压型钢板组合楼板；最后对预应力钢绞线施加预应力，得到型钢混凝土双肢柱-钢空腹桁架摇摆自复位分离式外套加层结构。