[分享]轻型钢结构在房屋加层改造工程中的应用

发表于2019-03-27     1325人浏览     1人跟帖     总热度:193  


来源:钢结构技术资讯
钢结构(网架、管桁架、轻钢)设计、施工及技术咨询及建筑结构加固;并从事空间结构和相关材料的研究、技术开发与应用。



轻型钢结构在房屋加层改造工程中的应用_1

1、工程概况
某高校学生食堂始建于1982年,为两层砖混结构房屋,建筑面积2000m2,一层操作间,二层为学生餐厅。近期由于学校规模扩大,就餐人数增加,原食堂已远远不能满足实际需要,考虑建设资金等方面的原因,遂决定在原二层食堂基础上加层,这样可增加建筑面积1000m2,但提出四点要求,即:(1)不影响原结构的安全可靠性;(2)不影响原房屋的正常使用;(3)质优价廉,施工周期短;(4)中间不设柱,采用大空间。根据上述要求,对基础进行了校核,排除了采用钢筋混凝土结构和砖混结构的可能性,同时提出了三种改造方案:(1)采用钢屋架体系;(2)采用平板网架体系;(3)采用波纹拱形金属屋顶。
对这三种方案依据上述提出的要求,通过质量价格工期综合比较,最终选择了波纹拱形金属屋顶(下部结构为钢筋混凝土柱及钢圈梁)。由于这种屋顶的起拱作用,室内可用空间较大,因而可以降低层高。通过综合考虑采光通风及室内外观瞻效果等因素,确定屋顶圈梁底标高仅为2.5m(相对二层顶标高而言)。由此带来了至少两个方面的好处:一是由于拱作用而产生的水平反力作用于柱底的弯矩可降低,从而减少柱截面尺寸及配筋,而且作用于基础的荷载也随之减少,保障了结构的安全可靠性;二是有利于节能和总造价的。

轻型钢结构在房屋加层改造工程中的应用_2

2、波纹拱形金属屋顶的设计与建筑构造
结构的安全可靠及经济合理是结构设计的重要原则。与传统的框排架结构设计相比,波纹拱形金属屋顶的设计有其自身的特点。首先,这种屋顶本身的柔度大,结构计算时不能简化为刚性杆计算;其次,在支座位置一般采用自攻螺栓将金属屋顶与下部结构相连,这种连接是介于固接与铰接之间,不能简单地以铰接考虑,精确的计算方法是将支座视为有限刚度的弹簧支座较为理想,但是计算其弹簧刚度又较繁复。目前国内一些设计与施工单位在计算下部结构时,均偏保守地认为其弹簧刚度为零而将下部结构视为悬臂构件。

轻型钢结构在房屋加层改造工程中的应用_3

该食堂原设计中既无构造柱也无屋顶圈梁,这就为加层部分的钢筋混凝土柱生根带来了难度,为了解决这一困难,采用(图1)所示的构造,截面内侧采用一根25环形筋箍于原二层横向大梁的梁端,同时将该大梁的梁端钢筋凿出与上部钢筋混凝土柱的纵筋焊接,然后再在二层顶辅浇一300mm×400mm的钢筋混凝土圈梁,从而保证上部加层部分的钢筋混凝土柱与下部结构的固端连接。使构造尽量符合结构的计算模型。
(1)波纹拱形金属屋顶结构设计
波纹拱形金属屋顶与下部结构的连接节点一般为(图2)所示(还可根据建筑设计的要求予以修改),因而在计算上部结构即波纹拱形金属屋顶时,可以视为两端铰支拱壳计算,它对下部结构的作用表现为水平支反力和竖直支反力。
波纹拱形金属屋顶所受荷载,按照《建筑结构荷载规范》的要求,一般有屋顶自重、保温、吊顶及室内灯饰等永久荷载以及雪荷载、风荷载、屋面活荷载等(某些情况下尚应考虑积灰荷载和施工集中荷载等)。由于波纹拱形金属屋顶本身刚度较小且为双曲构型,因此温度变化对结构的影响不大,可不考虑温度效应;同时考虑到屋顶自重较轻,其地震作用组合小于常规荷载效应组合,因而结构承载力一般不受地震作用组合控制,故地震作用亦可不予考虑。屋顶所受各种荷载在沿拱轴方向的分布可能是不均匀的,但在沿结构纵向一般可认为是均布的。

轻型钢结构在房屋加层改造工程中的应用_4

在设计时应按荷载规范进行荷载的短期效应组合和长期效应组合。因而常见的荷载效应组合有:(1)自重类+雪载类十特殊荷载;(2)自重类十半跨雪载类十特殊荷载;(3)自重类十风荷类十特殊荷载;(4)自重类十半跨雪荷载类十风荷载类十特殊荷载。当风荷载效应对下部结构有利时可不予组合。特别应引起注意的是,半跨活荷载(雪载)对这种拱壳结构的稳定承载力是很不利的。

对于一定截面形式的拱形屋顶,影响其承载力的主要因素为跨度、拱高(矢跨比)、板厚和彩钢板材质,而对于一定跨度的建筑物,在确定的截面形式和彩钢板材质的前提下其设计就具体表现为确定结构的矢高(矢跨比)和板厚。
就波纹拱形金属屋顶的单榀槽板而言属于一种开口薄壁冷弯构件,因而稳定问题是其承载力研究的主要问题,但当多榀槽板经过锁边连接成一个整体后,其沿房屋纵向平面外稳定将不是控制因素,因而解决其在平面内的稳定问题是解决这类问题的关键。
根据郭彦林等在《彩板波形拱壳屋面结构折曲屈曲实验研究》一文和吴连元的《板壳元稳定性理论》一书中介绍的试验结果,这种结构在破坏前没有明显面强度验算不必套用传统的有效宽度概念而可以直接按截面的实际尺寸进行;其承载力的
关键在于结构的平面内整体稳定。由于这种结构在受载过程中其变形表现出强烈的非线性性质,因而采用大位移几何非线性理论进行分析是适宜的;在结构分析时还要充分考虑波纹褶皱的影响,为此采用正交异性薄板有限元理论编制了这种结构的非线性分析软件NACAMR( Nonlinear Analysis of Corrugated Arch Metal Roof),经实践证明,可以满足工程实际需要。

轻型钢结构在房屋加层改造工程中的应用_5

(2)波纹拱形金属屋顶的相关构造

随着人们物质文化生活水平的不断提高,人们对建筑功能的要求已从简单的遮风避雨发展到舒适美观,因而对结构的保温隔热、采光、通风、防水防腐等性能提出了更高的要求。
目前,波纹拱形金属屋顶的保温通常采用室内粘敷复合硅酸盐板和顶喷聚氨酯两种做法。前者由于粘敷的复合硅酸盐板材料为块状材料,接缝处形成冷桥,从而有冷凝水产生,影响室内观瞻及降低其保温隔热效果,因而使用较少。顶喷聚氨酯保温是采用现场发泡而成,从而使保温层成为一个整体,其保温效果堪称一流,是目前国内外市场上的通行做法。其导热系数为0.022W/(m·K),3cm的聚氨酯保温层可以达到28cm加气混凝土板的保温效果,相当于20cm厚水泥蛭石的保温效果,同时这种保温层施工简便,聚氨配本身密度小(50kg/m3),粘结力大,因此不需其他粘结剂,施工速度快。如果辅以防火剂制成改性防火聚氨酯,则其性能指标将更加完善。目前中原地区一般做2~3cm保温层即可满足室内的保温隔热要求。
波纹拱形金属屋顶结构的通风一般可以在侧墙上设置风扇,辅以门窗解决。若仍满足不了要求,可在屋顶设置自然通风口或通风机。根据气流原理,通风口或通风机的位置应设在拱形屋顶的跨中,这样做一方面可以快速地排换室内空气,另一方面,有利于通风机安装和排水处理。
波纹拱形金属屋顶的采光通常的做法有两种:一是在拱形槽板的腹板上开口,代之以阳光板,这种做法由于在采光口附近防水防腐性能差从而影响结构的耐久性,而且由于在壳板上开口削弱了截面从而影响结构安全可靠性,同时其采光面积亦较小,因而其应用受到限制;在该学生食堂的加层改造工程中,采用了图3所示构造在屋顶加设采光带。这种做法是沿房屋的跨度方向设置通长采光带而不是采光口,采光带的两边与槽板的肋部连成整体,以利于防水。为了保证采光带处
屋顶的整体刚度,采取了两种措施:一是采用刚性系杆将采光带两侧的金属槽板相连二是采光带的端部预留1.5~2.2m的弧长仍用U形槽板两两锁边相连,从而有效地保证了屋顶的纵向传力和整体刚度,这种采光做法既不损伤结构,也不影响结构的耐久性,且由于顶部设置通长采光带,采光效果也较好。
轻型钢结构在房屋加层改造工程中的应用_6

3、结论及建议
(1)波纹拱形金属屋顶由于自重轻,施工速度快,造型美观且其结构无梁无檩,对房屋的加层改造是一种成功的范例。它可推广于住宅及其他工业与民用建筑加层改造,一则可解决长期困扰人们的房屋渗漏和顶晒问题,二则可用少量的投资增加较多的大开间使用面积,同时亦可用于顶层需大开间或单层大跨度工业与民用建筑中。
(2)这种结构属于冷弯薄壁构件,其稳定问题是影响其承载能力的关键因素,必须引起足够的重视。
(3)应重视这种结构的构造做法,基于冷弯薄壁构件对初始缺陷、初应力、初弯曲等是相当敏感的,因而施工时,尤其要保证其制作安装质量。
(4)采光带的设置不是任意的,其宽度及间距应考虑结构的纵向刚度,经计算确定。
(5)考虑这种结构的柔性及安全储备并通过大量工程实践表明,其使用跨度范围限制30m以内是适宜的。


扫码加入筑龙学社  ·  结构设计微信群 为您优选精品资料,扫码免费领取
分享至

分享到微信朋友圈 ×

打开微信"扫一扫",扫描上方二维码
请点击右上角按钮 ,选择 

 发表于2019-03-27   |  只看该作者      

2

轻型钢结构在房屋加层改造工程中的应用

yuanyuan996

山东 潍坊 | 结构设计

13 关注

999+ 粉丝

999+ 发帖

0 荣誉分

该博主未添加简介

猜你爱看

添加简介及二维码

简介

还可输入70字

二维码(建议尺寸80*80)

发站内信息

还可输入140字
恭喜您已成功认证筑龙E会员 点击“下载附件”即可
分享
入群
扫码入群
马上领取免费资料包
2/20