基础隔震钢结构跃层加层体系地震反应分析

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【摘 要】钢结构跃层夹层技术在我国正逐渐被普及，它以不改变原建筑结构的基础上，利用钢架柱的支撑作用，对建筑物进行加层，作为一种新式的外套框架加层结构，主要分为整体和分离两种形式，分离即外框与原建筑脱离，整体式即建筑外框和原建筑整合为一个主体。钢结构越层加层技术较钢筋混泥土的加工方式更具优势，其隔震效果也得到了广泛的关注。接下来本文就对基础隔震钢结构跃层加层体系详细阐述，以及在地震中的应用。

【关键词】钢结构；跃层夹层技术；隔震；应用

1 钢结构跃层加层优势

1.1 钢结构跃层加层优势

钢机构在加层改造工程中的优势体现在重量较轻、抗震作用优异、施工作业便捷。其比一般的钢筋混泥土的加层工程质量更好。

首先，在相同的加层工程中，钢结构的重量几乎只有混凝土一半，重量轻这也是钢机构的最大优势，重量轻也就减轻了建筑结构的负重，降低了加固成本。

其次，因为钢结构的重量较轻所以使建筑的整体重量变轻，因此在地震发生时也会减少地表波动对建筑的损伤。另外钢结构的强度高、可变形，因此在加层受到地震影响的时候可以达到缓冲部分冲击的作用，在最大程度上减少了地震对建筑的不良影响。

然后其在开展加层工程时方便施工，只需在现场对各部件进行简单组装，避免了钢筋混凝土在施工中涉及到的重型设备以及场地的过多限制，同时施工现场的管理工作也方便了许多。其施工工期也很短，为业主提供了时间上的便利。

最后，钢结构在施工的时候不受新增层数的限制，造型可塑性强，在保证质量的同时也兼顾美观，符合时展的审美标准。

1.2 钢结构跃层加层存在问题

首先，目前我国钢结构跃层加层工程普遍存在头重脚轻的现象，底层梁的负荷过重，新加层结构与旧建筑结构还没有有效结合，因此需要在前期准备工作中统筹好整体建筑和新结构的关系，切勿盲目施工造成事故。

其次，对于钢结构涉及到的力学研究还不够完善，缺少系统的分析研究，规范标准也有待统一。因此在施工开展前，要对新结构和旧建筑进行全面的分析，记录好各项数据，并以此作为开展工作的前提条件。

然后，涉及钢结构跃层加层技术的书籍匮乏，所记录的基本是针对某一工程，因此缺乏系统全面的分析书籍，在施工过程中参考的资料有限。所以将以往施工经验进行整理，分析出一套通用的专业技术型书籍就显得很有必要。

最后，钢结构跃层加层大多建立在原有钢筋混泥土结构上，因为上下两部建筑材料不同，因此其竖向的强度也存在差异，在地震发生时，各段运动性质不同，容易发生事故。

2 隔震技术研究

2.1 基础隔震技术现状

较早的隔震技术是利用增强建筑物自身的刚度强度来实现，因为技术等方面的缺陷，无法预估地震时的实际情况，因此早起隔震技术的使用较为盲目，存在安全患。有效隔震技术不光要依靠建筑本身抗震能力，还需增加调控装置，帮助建筑本身分担一部分的地震影响，才可以达到隔震的良好效果。调控装置分为四种类型，即主动、半自动、被动、混合。其中发展最为成熟的属被动控制系统，因为其拥有独立运作、成本低、操控简易等优势。利用调节建筑结构频率达到隔震效果的基础隔震技术就属于被动控制中的一种，我国也已经在《建筑抗震设计规范》中对其明确制定规范。

2.2 隔震技术的内涵

基础隔震技术是指利用隔振器和阻尼器等隔震装置对建筑上下部进行分离，分离部分可以对地下传来的震动进行消耗，从而减少地震对建筑上部的影响。其原理主要是利用隔震设备减少建筑受波动影响的反应时间，将地震时摇晃的建筑结构控制在建筑中下部，基本是在弹性的运作情况下保证建筑物的安全。目前虽然隔震技术的发展已经日益成熟，但是在工程中的实际使用有限，因此需要将基础隔震技术和跃层加层相结合，进行分析。

2.3 选择合适的隔震支座

在《建筑抗震设计规范》中明确指出：橡胶隔震装置在永久、可变两种荷载运作下竖向的平均压应力设计值不能超过15Mpa，并且拉应力在发生烈度较大的地震时不应出现。这些规范为设计者在选定隔震支座直径的时候提供了依据的标准。地震发生时，铅芯橡胶隔震支座可以有效的保护建筑物，缓冲地震对建筑物的损害，另外因为钢结构跃层加层底层的刚度低于其他结构，因此变形较为频繁的发生在底层和抗震层，而这两者的层间位移不大，所以其位移的方式大多都是整体平动。结构对于地震反应的强度很大程度受铅芯橡胶隔震支座水平刚度、阻尼影响，提高支座刚度之后，结构的位移、基底剪力都会变大，增加结构阻尼又会使两者变小。以在隔震结构设计时，需要对铅芯橡胶隔震支座进行合理计算，以达到最大的减震作用。

3 基础隔震技术与钢结构跃层加层体系分析

首先，钢结构跃层加层体系具有共同性，比如侧面由高到低的刚度分布不均、易在旧房顶层标高处造成突变等。因此在施工设计的时候要特别注意底层框架梁和底层框架柱的设计，外套框架负荷力和刚度的增强需要选择合适的截面长度和形式，并且把握好刚度比值K1和K2.另外在构筑建筑框架基础和原建筑地基基础加固方面需要因地制宜，结合施工工地的不同地形条件开展工作。

其次，结合一段时间内工程施工的经验，可以发现，钢结构跃层加层的强度作用主要是体现在原建筑结构和新建加层数量较少的时候，这种情况采用钢结构的经济压力也会小许多，而当加层多的时候，用钢数量便会加大，并且是由刚度、稳定性共同起控制作用，在这种结构的工程施工中，梁和柱的连接点是整个结构的薄弱区域，若要对其进行稳固，需要拿捏好梁和柱的截面刚度。

再次，加层数量多、高度高的结构中，为了减少成本、达到美观的效果，就需要提高加层下部大梁的截面刚度，更好的支撑子框架的重量，解决了在每一层设置大梁的问题。而针对分离式跃层加层来说，整体式因为对新旧建筑结构做了连接，因此其抗侧刚度更强，不仅分散了系梁的负重力，也使梁、柱的截面面积减少。最后整体式的结构还可以与原建筑的抗震系统结合，提高整体的抗侧强度。

然后，钢结构跃层加层体系的特点之一就是各部分的刚度不同，《建筑抗震设计规范》针对强震和频繁地震指出需要用时程分析法和振型分解反应谱法两种方式进行地震有关计算，通过计算之后可以发现钢结构跃层加层受地震影响时的侧移呈现出弯剪型，结构上下部受力不同，对应的每一次层的位移程度也不同。由此可以看出底层框架在抗震能力上还存在一些缺陷。

最后，另外通过对地震反应进行监测，可以发现由于分离式跃层加层因为各段结构刚度不同，导致建筑内部的抗震能力存在差异，因此不利于抗震控制，在建设时应该考虑好各层的刚度分配，切勿相差太多。而整体式跃层加层因为刚度高于分离式跃层加层，因此其受地震影响大、峰值较长时间存在，排除第二层，其他层间剪力均高于分离式结构。

4 结束语

综上所述，使用钢结构跃层加层技术需要根据现场实际情况，当层数较少的时候使用钢结构可以利用强度起稳固作用，且经济较为实惠，而当跃层层数较多的时候，使用钢结构并不一定可以达到效果，因为此时是用刚度和稳定性进行控制，消耗的钢材数量较大。这就要求因地适宜，遵循一定的限值标准。总的来看，钢结构施工有用地少、安全性高等优势，因此钢结构跃层加层技术还是值得在建筑行业进行广泛推广的。

参考文献：

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[2]王元清，宋锋，石永久，钱晓键.基础隔震钢结构跃层加层体系地震反应分析[J].工程抗震与加固改造，2005（3）.

[3]李宏伟.钢结构跃层加层技术及其工程应用研究[J].科技创新与应用，2013（5）.