整体外套框架增层改造的几点探讨

林爱洁 蔡先松

摘要：整体外套框架増层改造中，新旧结构连接构造形式的选择和转换结构体系对整体结构的受力和抗震性能有重要影响，因而对新旧结构连接的发展现状进行探讨，总结了各种连接形式的优缺点；对转换结构应用到外套増层改造中的发展概况进行总结，并针对实际工程对一种新型的“加腋墙”转换结构进行了讨论。

关键词：外套框架增层；新旧结构连接；转换结构

Abstract: the whole framework 増 layer renovation of coat, the old and new structure connected to the choice of the form of structure and conversion of structural system of the whole structure of the force and the seismic performance has important effect, which connected to the old and new structure, the development situation, this paper summarizes the advantages and disadvantages of various connection form; Application of conversion to coat 増 layer structure development situation of the reform was summarized, and in the light of the actual project on a new type of "haunched wall" conversion structure were discussed.

Keywords: coat framework layer increased; New and old structure link; Conversion structure

中圖分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：

1引言

城市建设发展日新月异，但是由于受到用地紧张和经济发展水平的制约，进入90年代各国普遍对原有的民用建筑物进行增层改造，在我国，由于80年代以前兴建了大量的多层砖混结构,对其进行增层改造，不仅综合效益明显，也符合我国现在的国情。建筑物增层一般有直接增层、外套结构(间接)增层、混合增层、室内增层和地下增层等[1]有建筑物的承载能力有限或增加层数较多时,一般采用外套结构(间接)方法增层。新旧结构之间的连接构造形式得到学者专家的广泛关注，得到了一定的发展，但是具体连接构造的性能分析还没有能应用于实际的理论。外套结构(间接)增层时,往往要设计转换层来承担新增结构的荷载，因此研究新的转换结构体系和在外套増层结构中的具体的设置方法意义重大。本文将就外套框架増层中的新旧结构连接及转换结构的发展与现状进行探讨。

2増层结构中新旧结构间连接

吕志涛、陈健[2]将转换层和新旧结构间采用铰接水平杆连接运用到整体外套增层方案中，其中铰接水平杆虽然提高了结构的抗侧刚度，也增强了新旧结构间的整体性，但很难保证新旧结构协同工作，同时由于连接是刚性的，增层部分的竖向荷载势必向旧房传递，导致新旧结构之间出现较大沉降差时使旧房墙体拉裂等问题。高剑平[3]在新旧结构之间采用柔性拉结筋连接的形式，它允许新旧结构在竖向有一定程度的自由变形,使新增部分的竖向荷载直接传到柱基而不向原有建筑物传递，对原有建筑物的影响小；但两者在结合面上变形不协调,墙片与框架柱之间只能传递压力而不能传递剪力和弯距，对抗震不利。

付向荣、龙驭球[4]首次提出新旧结构连接采用耗能元件。结构简图如图1所示：

图1旧结构耗能元件连接

这种连接属于弹塑性的柔性连接体系，经分析得：第一，将减震耗能连接等效成弹簧等线性元件是不可取的；第二，利用减震耗能元件作为新旧结构之间的连接，能充分利用外套框架柔性底层结构的减震效应，第三，减震器的等效刚度将极大的改变结构的动力特性。但文章并未提到耗能元件的具体设计及构造方式。李德荣[5]则对环形减震器在外套框架增层结构中减震耗能的可行性进行了研究，并提出了一种具体的抗震耗能连接构造方法。李宏男等[6]提出在旧有建筑的顶层与加层结构之间设置石墨摩擦垫层,并在两结构各层连接点处增设软钢阻尼器来吸收耗散能量。以减小结构体系在地震作用下的反应。张仲先[7]则提出了耗能元件的具体设置方式，合理的设置耗能元件使原结构的加速度和层间剪力得到有效地控制，并且合理的选择必须由计算分析取得。

从目前的研究现状来看外套增层结构中新旧结构的连接发展有较多成果的，在耗能元件连接形式出现前，施工中常采用的连接形式按刚度可分为刚性连接和柔性连接，由文献2和文献3看出，两种连接方式都有各自的优缺点，而减震耗能元件，不仅可减少框架柱的计算高度，而且可得到确定合理的静力计算方案，同时在遭遇地震时可具有减震、耗能的特点，明显降低了建筑抗震加固的成本，使之在地震区的房屋改造中有很好的应用前景。

3 转换结构在外套框架増层中的应用

转换结构的应用研究开始于对底层大空间剪力墙结构的研究，徐培福、吴廉仲等[8][9][10]对其进行研究得到：抗震设计时，底层为大空间时，底层框架的托梁承受较大的内力，因此尺寸不宜过小，必要时托梁可加腋。

整体外套框架増层结构中的转换层可以看做是实现了上部小柱网向下部大柱网的转换，即将上部新增结构荷载通过外套框架柱直接传递到基础上。

转换结构应用于新增外套框架増层结构的研究主要起始于结构改造：吕志涛[2]在进行増层设计研究时，将一层外套框架设计成转换层兼作设备层，提高其抗侧刚度，减少侧移，避免出现薄弱层。增层部分的抗侧刚度增加并不均匀，转换层与上部框架存在着层间刚度的突变，这时增层部分宜采用框剪结构。赵玉星、李安起等[11][12]提出在大跨度框架中设置剪弯杆，通过适当设置附加剪弯杆减小框架梁柱中弯矩，从而在大跨度结构中有效减少梁柱的截面，因而可以作为转换层结构应用于増层改造中。张鑫[13]则对其进行了扩展及深入研究，提出腹板柱新型转换结构形式，并将其用于建筑物外套框架増层工程中，结合试验研究,为该种结构形式的抗震设计提供依据。

在本人的研究过程中遇到一种新型的“加腋墙”转换结构，将其应用到整体外套框架増层工程中，与框架梁协调工作，共同传递荷载，同时改善了结构的整体抗震性能。“加腋墙”转换结构是在新增上部框架梁间的适当位置增加如下图2所示的不规则剪力墙，进一步分析“加腋墙”转换结构对结构受力和抗震性能的影响，将对増层结构新型转换体系的发展起到推动作用。

图2 “加腋墙”转换结构示意图

4 总结及展望

对外套框架増层进行了两方面的探讨：一是新旧结构间的连接；二是外套框架増层的新型的转换结构。这两部分的研究作为外套框架中的关键问题，现在已有一定的发展及应用。但在具体的计算分析方面，如新加结构对原有建筑的影响，新旧结构的协同工作以及新型转换结构体系的研究都有待进一步加强。

参考文献：

[1]张鑫.多层框架房屋室内增层设计[ J].建筑结构,1996, 26(9): 36-37.

[2]吕志涛,陈健.外套框架结构加层设计研究[J].建筑结构,1997,5(5):21-23.

[3]高剑平. 砖混房屋整体式外套框架加层结构分析[J].华东交通大学学报，2007,1（2）:41-43.

[4]付向荣,龙驭球.减震耗能外套增层结构的受力分析[J].工程力学（增刊）,1999:410-414.

[5] 李德荣等.采用环形减震器外套框架加层结构减震耗能的可行性研究[C].全国第三届建筑物鉴定与加固论文集(第三册).云南·昆明.1998,11:934-938.

[6]李宏男等.采用摩擦和消能装置的加层结构振动台试验研究[J].建筑结构学报, 2001,22(4):67-71.

[7]张仲先,杨树,文银平,陆双武.外套增层协同减震在旧房增层改造中的应用研究[J] .噪声与振动控制,2000,5(10):21-25.

[8]底层大空间剪力墙结构研究组.底层大空间剪力墙结构十二层模型试验研究[J].建筑结构学报,1984,2:1-7.

[9]徐培福等.底层大空间剪力墙结构抗震设计[J].建筑科学,1985,1:28-36.

[10]徐培福等.底层大空间上层鱼骨式剪力墙结构的抗震设计[J].建筑科学,1986,4:3-7.

[12]赵玉星,李安起.用附加剪弯杆改善框架的承载性能[J].工业建筑, 2001, 31(6): 81-82.

[12] 赵玉星,韩克胜,徐若娅.设置附加剪弯杆的大跨度框架及其设计[J].工业建筑, 2001, 31(7): 12-14.

[13]张鑫,吕西林,李安起. 新型转换结构的试验研究及其在建筑物外套框架增层工程中的应用[J].建筑结构学报,2008,8(4):118-126.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。