CN1014919B - 低层楼房加层结构 - Google Patents

Abstract

本技术方案是在不拆除原建筑的情况下采用框架结构加层，令原建筑从3至5层，升高为8至13层，而不拘原建筑地基层质的硬软。所加重量不压在原建筑物上，并使框架同原建筑整体化，两种组合结构必须连结，在基础应力叠加区。要设防滑装置“建筑物抗震减震装置”，提高抵抗地震灾害的能力。

采用本技术的经济利益比拆除原建筑物重新修建可节约30-60%，且外表美观。

Description

低层楼房加层结构是目前城市建设出现的一个新课题。就我国的具体情况来说，五十年代到六十年代城市建筑基本上是3～5层楼，七十年代开始出现了一些6～9层楼的建筑，八十年代随着人口的增加和经济建设的发展，城市新建楼房的规划要求，基本上都在6层楼以上。根据我国国情，在建筑物的使用和管理方面还不可能普遍使用电梯的情况下，一般以6～9层楼为益。我国人口多耕地少，城市发展受到限制，根据城市发展的具体经济情况，多数情况下城市的发展都是在自身的基础上找出路，然而多年来，城市有限的面积，特别是主要城区基本上都被低层楼房占满，一些高层建筑群基本上多分布于城市的边沿，只有少数位于被迫拆除的原建筑物的区域。城市要发展，建筑物普遍偏低的矛盾是一定要解决的。这样低层楼房加高的问题出现了，而且已经有不少地区进行了在原结构上的加层。原建筑物的结构承载能力，是根据原有的荷载设计的，如果所加层的重量仍然依靠原结构，从结构的受力分析显然是不行的。在原结构上加层，造成楼房倒塌，国外已有教训，国内也有三层加到五层使之处于观察使用的实例。

低层楼房加层，如3～5层要加到6～9层，所加层的荷载依靠原结构承受是不可能的，只有使加层荷载不通过原结构而传到地基才能达到加层的目的。怎样才能将加层的荷载不通过原结构而传到地基呢？具体方案是采用框架结构在原建筑物四周现浇钢筋混凝土立柱，立柱通过原楼房屋面用大梁同原楼房外侧的对称立柱刚接所加层次均如此刚接。如图1图2所示。地基基础分两种情况处理一种是在岩层上采用柱下独立基础。一种是在土层上，采用钢筋混凝土条形基础。立柱同原结构主体每层连接，立柱与立柱之间用小梁刚接，使原结构同加层结构连成整体，增加楼房整体的稳定性，根据原楼房的长度，考虑温度变化对加层结构的影响，应在适当位置进行结构处理，留出温度伸缩缝，加层完后对楼房整体外粉刷，使之加层后不能看出有加层的迹象，就象新修的一座楼房。

低层楼房加层结构，不但要同原结构连接增强整体结构的稳定，又要保证加层结构同原结构在使用过程中各保持自身的特性，而互不影响，原结构使用多年已经稳定，可视为不变刚体，而加层结构在使用过程中，将出现支座沉陷和结构构件受力后自身的变形。任何新建筑物的支座和基础的沉陷，以及结构的变形，要通过几年的使用之后，才能基本稳定。这样实质上整个结构是由稳定的原结构和未稳定的新结构两部分组成，要使这两种结构有效的接合在一起，必须根据这两种结构各自的受力情况及应力状态进行分析，找出两种结构接合的关键，采取适当的措施进行结构设计。现将低层楼加层方案分为在岩层上和土层上的受力应力状态以及经济效益作如下分析;

一、加层结构在岩层上的受力分析

所谓在岩层上，就是原建筑物的地基是岩层，加层结构基础也设置在岩层上。加层结构基础类形的选择，要根据原结构的基础设计和地质资料来确定，这是决定加层结构整体受力变化的关键。因此，必须掌握原建筑物的详细的地质资料、设计文件和使用阶段的情况，一般情况下加层结构的基础可分为紧靠原建筑物和分离一定距离两种情况，以下分别从基础、立柱、加层结构的安排，大梁和节点等五个具体方面进行分析。

1.基础：采用钢筋混凝土柱下独立基础。如图3图4所示原结构基础割去同加层基础相交的部分，目的是减小柱上大梁的跨距，原建筑一般都是砖混结构，其受力情况大都是内墙基础承重，外墙基础不承重。加层结构的基础同原建筑相交的是不承重的外墙基础，故挖土暴露原建筑外墙基础，并切割去相交的部分，在施工中对原建筑物基础采取适当的保护措施，对原建筑不会有多大影响。基础施工采用分段开挖、浇灌成形后在进行下一段的开 挖浇灌。在已挖开的基坑里用板桩墙作为对原基础壁侧向支撑，如图5所示。图3图4所示基础对地基受力均为偏心受压，图3偏心距要比图4要大，但结构跨距要小，相应的每层承重大梁的弯矩值和剪力值也要减小，原建筑同加层结构结合在一起容易达到一体化要求。图4所示基础偏心距要小，跨距增大，承重大梁的弯矩值和剪力值也增大，由此大梁的截面尺寸也随之加大，其经济价值也就要增加，故加层结构同原建筑离开一定距离，除受地理条件限制时采用，一般情况下加层结构同原建筑尽可能靠拢。加层结构基础同原建筑物基础即要靠拢又不能连结在一起，在施工中浇灌混凝土时，用坚硬而又不厚的材料将原建筑物基础隔离开，使加层结构在使用阶段未达到稳定时，结构变形时不影响原建筑物的基础。

2.钢筋混凝土立柱：

在进行加层框架立柱的设计时，必须首先确定立柱的计算长度，立柱的计算长度同原建筑的高度有关，根据细长比确定立柱的截面形状和尺寸。立柱之间从最底层开始每层用小梁刚接连接，立柱同原结构每层都要连接，其连接节点的方式，不能采用两端刚接、两端铰接和一端刚接一端铰接的形式，只能采用定向铰支连接。前三种节点连接方式，不但起结构连接作用，而且起着传递内力的作用，加层结构基础设置在岩层上，即使支座不会发生沉陷，其上部结构在使用阶段各部分构件的变形，要通过几年的使用才能基本稳定，这些变形，主要是立柱的压缩变形，因此节点连接方式的不同，对原建筑物的影响是不能忽略的。加层结构在使用阶段由于结构变形所产生的内力绝对不能通过节点传递到原建筑物上，否则传递给原建筑物的内力，是对原建筑物的压力，而原建筑物反过来要对加层结构产生反作用力，这个反作用力在加层结构立柱节点处，起着对立柱很不利的次弯矩作用。因此加层结构同原建筑物的连接方式，只能是即要连接又不能传递内力的定向铰支连接。如图6所示。

加层结构如果不同原建筑连接情况又如何呢？很显然，加层结构不同原建筑连接，在地震荷载时，加层结构将出现很不利的头重脚轻的应力状态，其结构整体内的内力变化是相当复杂的，因此加层结构同原建筑物在每层都必须连接，以保证在地震灾害时，整体结构的抗震能力，即加层结构同原建筑物连成一体抵抗地震的能力。

3.加层楼层的布置：

立柱通过原建筑物屋面后，便是加层楼层结构，加层楼层每层的荷载是通过大梁传递到立柱上的，原建筑物一般分为平屋顶和坡屋顶两类，平屋顶通常采用钢筋混凝土挖心楼板，故可充分利用。在平屋顶上现浇圈梁，加强原建筑物的整体承载能力。将加层楼层的第一层的砖墙部分放置在圈梁上，楼板放置在第二层的大梁上。由于加层结构存在着对原建筑的相对位移，因此在结构处理上，在加层第一层的砖体同第二层大梁和次梁的底部，应预留一个空位，使加层结构在稳定前发生的向下的压缩变形时，不影响原建筑，这个预留空位采用易压缩的材料，如泡沫混凝土砖或加气混凝土砖等填充。如图7所示。

在原建筑是坡屋顶时，其坡屋顶要拆除，并现浇圈梁盖上楼板后在接按上述平屋顶的加层结构进行设计和施工。如果原建筑是5层楼，为减小立柱的细长比，使立柱的截面积尺寸同整体结构的外观相适应，可拆除原建筑物屋面和顶层墙体的一部分，留出加层大梁的位置和泡沫混凝土砖的位置。加层结构的布置，原则上原建筑一样，尽量利用原建筑物的给排水***、楼梯和电路等等。减少设计和施工上的困难。

4、加层结构大梁

加层楼层大梁的跨度大小取决于原建筑物的宽度，不同跨度的大梁可分为一般跨度和超跨度两类。所谓一般跨度是指大梁的高跨比同楼层层高的关系，在使用中合理。大梁的高跨比按规范要求1/8～1/12，即跨度为8-12米大梁，其梁高为1米。根据设计层高减去梁高和楼板的厚度，才为楼层使用高度。例如层高为2.9米减去梁高1米、楼板厚度0.12米和地面厚度，实际使用高度为1.76米，虽然这个高度在结构使用中是很不合理的，又不能增加层高同原建筑层高不一样，这种情况用超跨度梁以似区别，为了使超跨度梁达到使用的要求，必须对梁截面进行改造，下面按一般跨度和超跨度跨度两类大梁设计和施工要求分析如下：

（1）、一般跨度大梁

A、采用多层框架迭合式承重梁

为了节约模板，便利施工，尽可能增强结构的整体性，框架的大梁通常采用两次浇捣的迭合梁， 所谓迭合梁是将大梁，先预制一部分高度，以便施工时搁置预制楼板，待按装完后，再浇捣大梁上面部分的混凝土，使之达到原设计高度。这样增强了梁、板和柱连接的整体性。预制梁也可以是预应力混凝土的，与后浇的混凝土组成预应力混凝土迭合梁。对迭合梁的设计，可直接参考高层建筑的迭合梁设计资料。加层结构采用迭合梁，对施工条件要求较高，如施工装吊能力强，场地宽，运输方便等等。如果条件受到限制，迭合梁也可以现浇。

B、采用现浇矩形承重梁

加层结构承重梁，在地基状况很好，跨距又不大的情况下，承重梁可采用直线形矩形梁，其梁的内力按框架结构计算。

（2）、超跨度大梁

在加层结构的跨度较大时，由于梁的高度H（1/8～1/12）L直接影响结构楼层的使用高度，因而不能采用直线矩形梁，而应对承重梁采用变截面的形式，对受力更为有利，这样即可以减轻结构的自重，又可以增大结构的使用空间。如图8图9所示。

5、节点

加层结构节点必须有足够强度，应分别进行施工阶段和使用阶段的强度计算，在强度计算时，首先必需弄清楚节点处的各种内力，即剪力、弯矩和轴向力在节点中的传力方向，分析节点各种可能破坏的形态，如弯曲破坏，压弯破坏;剪切破坏;节点核心破坏;焊接部位崩断或钢筋拉断;主筋压屈;锚固破坏;箍筋崩开等，然后确定必要的计算公式和构造措施。

（1）、直线矩形梁、柱节点

直线矩形梁、柱节点往往是结构破坏的主要部位，因此在节点强度计算中应考虑节点的加强。在加层框架结构中，节点应是重点加强部位，为使结构的抗震性能提高，要考虑节点有必要的延性。

（2）、变截面梁、柱节点，

变截面梁，柱节点，要通过具体结构受力时的内力分析，结构层高的使用要求，确定梁的使用高度、变截面的形状和位置，对不同截面进行受力内力分析，找出截面控制点的位置，对控制点进行使用阶段最大设计荷载时的强度计算和结构加强措施。

二、加层结构在土层上的受力分析

原建筑物的地基是土层，加层结构的基础自然也在土层上。加层结构地面上部结构措施与在岩层上的结构措施一致，所不同的是基础处理不一样，在岩层上加层结构一般不会产生沉陷，而在土层上，施工阶段和使用阶段，由于地基土的压缩变形，整个加层结构都将产生一定沉陷。因此，从整个加层结构，不单是考虑结构自身的变形对原建筑物的影响，还需充分估计到整个加层结构沉降时对原建筑物的影响包括对结构自身的反影响。加层结构同原建筑物的连接方式。仍然是定向铰支连接。根据加层结构在使用阶段的最大荷载（包括结构自重），结合地质水文资料，准确计算出加层结构达到稳定时的沉降量，由计算结果，确定加层结构同原建筑结构顶层相交处泡沫混凝土砖的厚度，以确保加层结构在使用阶段达到稳定时，不影响原建筑物。

土层上加层结构基础一般应采用柱下钢筋混凝土条形基础，原建筑使用多年已经稳定，即地基的压缩变形已经稳定，而加层结构的稳定，是要经过施工阶段，使用阶段到稳定阶段的整个过程。在这个过程中，地基的应力是在变化着，直到地基层不在压缩为止。

垂直荷载作用下地基压力范围是以基底为中轴的外形如泡状的对称压应力分布，如图8ab所示。加层结构基础下的应力分布图形，单独分析时，同原建筑的压应力分布大体相似，从压应力分布图，可以看出上述两种结构单独作用下应力分布大体相似，地基的受压深度为12B，侧向挤压（a）图对称为4B₁，（b）图的挤压范围一侧小于4B₁，另一侧大于4B₁，其值差不大。当两种结构靠拢作用时，从图可知，在Z方向互不影响，而在X方向上将出现应力迭加区。（a）图将有从B-4B₁范围，同（b）图的B-4.5B₁范围迭加。（a）图是已稳定不变的原建筑地基应力分布图形，（b）图是加层结构待稳定后的应力分布图形两种结构靠拢作用时，加层结构地基应力对不变的原建筑地基应力分布没有多大影响，反之原建筑地基应力区对加层结构传送过来的应力产生了反作用力，这个反作用力将改变加层结构单独作用时地基应力分布。原建筑基础底面等面积下的地基土可视为不在变形的压实的老土，建筑物对地基受力后，地基土的破坏面是两侧对称挤出，加层结构从 （b）图可以看出，在结构达到稳定的过程中，地基土破坏也是两侧挤出，由于两种结构的基础靠得很近，原建筑地基不在变化，因此加层结构地基的挤压状况不是两侧挤出，而是一侧挤出或一侧挤出多另一侧挤出较少，虽然不论挤出是单向或双向并不影响限荷载数值，但是在荷载大时，可能发生基础滑动，在地震荷载时，基础滑动就不可避免了，基础滑动要使加层结构发生裂缝、扭曲或倾斜影响加强结构的使用和安全。综上所述，基础发生滑动的因素是由于地基应力不平衡所致，因此，只有采取相应的措施，使地基应力重新达到平衡，才能保证加层结构的安全使用。

加层结构靠近原建筑一侧的受力应力状况是没有侧向挤出，另一侧则是挤出较多，要使基础不因单向挤出发生滑移，只有在被挤出的一侧采取措施，控制挤出，才能使地基受力应力尽可能达到平衡，其具体措施是根据加层结构的设计基础的位置，待基坑挖成后、在被挤出的一侧，挖一道深度大于由计算确定的沉降量的应力传播隔离坑，然后放置预制的钢筋混凝土板，这块钢筋混凝土板的尺寸，由地基的受力范围确定。这块钢筋混凝土板主要起的作用是同原建筑压实的地基，对加层结构基础底面以下地基形成一个封闭区，以保证加层结构对地基作用时，不会发生侧向挤出，使地基应力分布达到新的平衡。如图11、图12所示。

施工程序是待钢筋混凝土板放置完毕后，才能开始加层框架基础部分的施工。保护基坑的加强措施仍按在岩层上施工时对原建筑基础壁的侧向支撑进行和防雨措施的按排。

三、加层结构的两种类形

第一种：加层混合结构迭合承重单层框架结构。

第二种：加层框架结构迭合承重单层框架结构。

以上两种加层类形在其迭合处增设“建筑物抗震减震装置”将“低层楼房加层结构”分离为上部加层混合结构或加层框架和承重单层框架结构两部分。“建筑抗震减震装置”已经申请了发明专利87100151。将“抗震减震装置”应用到“低层楼房加层结构”中主要是提高抵抗地震灾害的能力。地球上太平洋地震环带和地中海南亚地震带贯通整个中国，因此，对将来的建筑物在抵抗地震灾害挽救财产和人民生命方面显得特别重要。

目前，等多城市的低层楼房的改造，采用了此方案，如贵州、武汉、辽宁等城市用加层框架将原建筑从4层升到9层的实例至少已有20例以上，但是由于没有向发明者索取本技术的关键措施，而盲目利用框架加层，在修好的整体结构中，留下了严重隐患，即在设计中，没有从本技术对加层结构传力路线要绝对准确清楚，不能出现传力路线混乱和基础在地震情况下可能滑移的设计原则出发，因而，必然留下后患。这同推广采用任何一项新技术一样，必须有一个正确运用的态度，否则后患无穷。

低层楼房加层结构外观图形如说明书附图1图2所示：图2是原建筑物的正立面图与侧立面图，图1是采用加层结构后新建筑物的正立面图与侧立面图。以后的图，如图3、图4等均是结构详图。

四、经济分析（应用本技术的效果）

对加层结构经济价值的估计，首先对我国建筑物的历史根源进行分析，我国是一个十亿多人口的大国，从全国耕地面积比较是人多地少，目前国家土规划多次提出除特殊情况外，城市发展不能再占用农田，再也不能从供给城市粮食和蔬菜的农民手中夺走土地。城市的发展只能在自身的基础上找出路，现阶段城市中很多地方已经开始在原建筑上加层，当然是在原建筑的承载力有富裕的情况下进行的。然而有富裕承载力的原建筑是很有限的，因而达不到城市长远规划的要求和发展的需要，目前有不少城市已经出现拆除原建筑重新修建的情况。随着城市的不断发展，凡是不适合发展需要和影响城市规划的低层建筑迟早要拆完，也就是在一个不太长的时期内，城市的发展首先要用很大一笔资金来拆除原建筑，再在一个空地上重修新的建筑物。当然城市中有的地区还保留着解放前的一些平房和结构较差的低层楼房，对这一类建筑拆除重修是必要的，而解放后所修的只使用了10至30多年的3至5层楼的建筑，也拆除重修，显然是一很大经济损失。因此，采用加层结构解决城市建筑普遍较低是经济可行的。

对加层结构经济效益的估价：要从两个方面来比较，现以一座4层楼建筑拆除后，重修9层楼的经济价值同采用加层结构直接加到9层楼的经济价值比较如下：

拆除4层楼重建9层楼的耗资是以下几个方面：原建筑物费用拆除原建筑物中住户的搬迁费用;重建9层楼的费用等，以上费用的总和至少要一百三十万元。

采用加层结构在4层楼上直接加到9层楼的耗资是以下几个方面：原建筑物是平屋面时，其费用只是加层结构本身，即下部立柱和上部五层楼的费用;原建筑物是坡屋面时，除了加层结构的费用还有坡屋面改建为平屋面的费用。以上费用最多不过六十万元。

城市改造的途径，从以上两个方面的经济比较，显然是非常清楚的，在城市的改造过程中，拆除重建与加层改造的经济比较，实质上是，拆除重建方案中上五层楼同加层结构上五层楼的费用几乎一样，而比较的是拆除重建方案中的原建筑的费用、搬迁费用、拆除费用和重新复原4层楼的全部费用，同加层结构下部基础和立柱费用的比较。通过比较，加层结构是城市改造方面。适应经济发展的比较好的措施，从全国的角度来衡量，其经济效益是无法估计的。

Claims (1)

1、一种用于低层楼房加高的“低层楼房加层结构”由紧靠原建筑四周，新增设的通过原建筑物屋面的单层承重框架和与此迭合的加层混合结构或加层框架结构两部分组成；其特征在于：

a.加层框架结构立柱与原建筑物每层标高处，用定向铰支座连接。

b.在加层框架立柱基础外侧，设置防滑移钢筋混凝土板。

c.加层框架和与此迭合的加层混合结构或加层框架结构的迭合部，采用建筑物抗震减震装置。

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