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摘要：本文在总结国内轻钢直接增层结构的形式及特点的基础上，对轻钢增层结构在实际工程应用中的静力学特性进行了详细分析，对实际的工程项目有一定的指导意义。
关键词：轻钢增层结构、既有结构、共同作用分析
Abstract: this article from the characteristics of reinforced concrete finite element analysis, based on ANSYS finite element analysis software, the steel of a steel reinforced concrete node on the 3 d entity modeling and related the convergence problem and processing method, this paper analyzes research of hope for building mixed structure beam wall node research field vibration resistance make some contributions.
Keywords: building mixed structure, beam wall node, finite element analysis
Abstract: the paper summarized the domestic light steel structure of the form of direct increase and characteristics, and on the basis of light steel structure of the practical engineering application layer in the statics characteristics are analyzed, and the actual project has some significance.
Keywords: light steel structure, both the layer structure, common function analysis
中圖分类号： TU391文献标识码：A文章编号：
引言
建筑轻钢结构增层是目前逐步被推广的一种房屋增层与改造形式，它具有自重轻、抗震性能好和施工方便等优点在国内逐渐获得广泛的应用。
但目前设计方法也不够完善，一般只对增层部分进行设计计算。而采用轻钢结构增层后，结构的整体质量、刚度、周期、阻尼比等都发生了变化，仅对增层部分结构进行计算分析是不安全的，应进行建筑结构的整体分析。
轻钢直接增层结构的形式及特点分析
1、轻钢直接增层结构的形式
轻钢增层按结构形式可分为直接增层、外套增层、室内增层和地下增层四种直接增层工程应用最为广泛，而直接加层是指在旧房结构主体结构上直接加高，荷载全部或部分由旧房基础、梁、柱来承担的结构形式。
目前，轻钢直接增层的主要形式有以下几种：门式刚架轻钢结构体系增层；多层轻钢框架增层；网架结构增层；轻钢屋架结构增层。
2、轻钢增层结构的特点
轻钢增层结构除具有传统加层节约土地，有效扩大使用面积，创造大空间，缩短建设周期等优势外，还具有下列主要特点：
(1)与钢筋混凝土结构和砖混结构相比，轻钢增层可减轻结构自重1/21/3。
(2)轻钢增层结构形式多样化，使许多不能加层的砖混及钢筋混凝土结构增层成为可能，而且实现大空间是其独特优势。
(3)轻钢增层的造价和技术目前可以做到与砖混结构持平。
(4)轻钢增层适用范围广。不仅适用于各类民用建筑，而且也适用于工业建筑。
综上所述，轻钢增层结构以其经济、快速、高效的独特优势在民用建筑和工业建筑中倍受青睐，其在房屋增层与改造中的应用前景也十分广阔。
当然，轻钢增层除了存在上述这些优点外，也存在一些不足，例如：轻钢增层后形成下刚上柔、下重上轻的刚度和质量分布不均匀的结构体系，对抵御地震不利等问题。
二、轻钢增层结构具体设计计算分析
1、轻钢增层结构柱脚节点连接形式对整体结构的影响
轻钢结构直接增层的柱脚形式可分为铰接和刚接柱脚。对于铰接柱脚，柱脚仅受轴向压力和水平方向剪力。对于刚接柱脚，柱脚除受轴向压力和水平方向剪力外，还受到加层结构传来的弯矩。
在实际工程中柱脚锚栓的预紧力不同程度的存在，根据有限元模型计算分析可知，铰接柱脚锚栓的预紧力能提高柱脚的抗剪承载力;刚接柱脚弯矩使得锚栓产生拉应力，考虑柱脚锚栓拉力能提高柱脚的抗剪承载力，同时施加预紧力可以进一步提高柱脚抗剪承载力和转动刚度。设计要同时考虑锚栓拉应力和混凝土压应力的增加。
2、轻钢增层结构的静力分析
以以下模型为分析对象：在既有四层钢筋混凝土框架结构顶部分别加一层、两层轻钢结构以及未进行加层的结构，在下文中将用“4", "4+1"、 "4+2”来表示。
工况条件分别为：
工况一:1.2×恒荷载+1.4×活荷载;
工况二:1.2×恒荷载+1.4×0.9×(活荷载+风荷载);
工况三:1.2×X自重+1.3×地震作用。
图1 结构平面布置图
以下以ANSYS有限元模型对此结构进行具体分析。
原四层钢筋混凝土框架及增层后整体框架内力计算
将原框架模型进行简化处理后，在工况一、三作用下，列举结构内力中剪力图和截面最大应力图如图2所示。
（a）剪力图 (b)最大应力图
图2结构内力图
根据以上分析思路，分别对原四层框架顶部增加一层钢框架、原四层框架顶部增加二层轻钢框架，钢框架柱脚采用刚接、原四层框架顶部增加二层钢框架，钢框架柱脚铰接，进行具体分析计算（由于篇幅有限，具体的计算结果在此不再赘述）。
（2）、计算结果分析
a对于同一种结构，同一种工况下，加层结构柱脚为铰接时，加层结构的水平位移比柱脚为刚接的大。
b在1况一、三作用下，原"4”层结构的应力和应变变化比较均匀，各层之间的差别不太大；而增层后的“4+1”和“4+2”结构在增层楼层处的应力和应变与原结构相比变化比较明显，尤其是“4+2"结构的变化更加突出。这正是由于轻钢结构的质量、刚度与钢筋混凝土相比较小造成的，所以增层结构的设计是十分重要的。
c由于轻钢结构增层的刚度与原钢筋棍凝土框架的刚度变化不大，而且增层部分的质量较下部小，没有出现增层的层间位移角及结构内力突变现象。
由于篇幅有限，轻钢增层结构的动力分析不能在此详细叙述。
结论
通过本文对轻钢增层结构的计算分析("4", "4+1”和“4+2")，可总结出以下几点：
(1)结构在恒载、活载以及地震力作用下进行组合时，有地震力参与的组合，结构的楼层水平位移比较大，因此地震作用是引起楼层水平位移的主要因素。在对轻钢增层这种新型结构体系进行设计时，应主要考虑地震力作用对结构的影响。
(2)当增层结构柱脚为铰接时，增层结构的水平位移比柱脚刚接的水平位移大。
(3)对原结构顶部增加不同层数的轻钢结构来说，顶部增加的层数越多，轻钢增层结构对原结构的影响也就越大，尤其是在增层楼层处结构的应力和应变变化更加明显。因此，应对这种上柔下刚、质量分布不均匀的结构进行合理的设计。
参考文献
【1】崔艳秋、柳锋。轻钢结构在建筑物增层设计应用中的若干问题等。山东建筑工程学院学报；2001 第3期
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：轻钢增层结构、既有结构、共同作用分析
Abstract: this article from the characteristics of reinforced concrete finite element analysis, based on ANSYS finite element analysis software, the steel of a steel reinforced concrete node on the 3 d entity modeling and related the convergence problem and processing method, this paper analyzes research of hope for building mixed structure beam wall node research field vibration resistance make some contributions.
Keywords: building mixed structure, beam wall node, finite element analysis
Abstract: the paper summarized the domestic light steel structure of the form of direct increase and characteristics, and on the basis of light steel structure of the practical engineering application layer in the statics characteristics are analyzed, and the actual project has some significance.
Keywords: light steel structure, both the layer structure, common function analysis
中圖分类号： TU391文献标识码：A文章编号：
引言
建筑轻钢结构增层是目前逐步被推广的一种房屋增层与改造形式，它具有自重轻、抗震性能好和施工方便等优点在国内逐渐获得广泛的应用。
但目前设计方法也不够完善，一般只对增层部分进行设计计算。而采用轻钢结构增层后，结构的整体质量、刚度、周期、阻尼比等都发生了变化，仅对增层部分结构进行计算分析是不安全的，应进行建筑结构的整体分析。
轻钢直接增层结构的形式及特点分析
1、轻钢直接增层结构的形式
轻钢增层按结构形式可分为直接增层、外套增层、室内增层和地下增层四种直接增层工程应用最为广泛，而直接加层是指在旧房结构主体结构上直接加高，荷载全部或部分由旧房基础、梁、柱来承担的结构形式。
目前，轻钢直接增层的主要形式有以下几种：门式刚架轻钢结构体系增层；多层轻钢框架增层；网架结构增层；轻钢屋架结构增层。
2、轻钢增层结构的特点
轻钢增层结构除具有传统加层节约土地，有效扩大使用面积，创造大空间，缩短建设周期等优势外，还具有下列主要特点：
(1)与钢筋混凝土结构和砖混结构相比，轻钢增层可减轻结构自重1/21/3。
(2)轻钢增层结构形式多样化，使许多不能加层的砖混及钢筋混凝土结构增层成为可能，而且实现大空间是其独特优势。
(3)轻钢增层的造价和技术目前可以做到与砖混结构持平。
(4)轻钢增层适用范围广。不仅适用于各类民用建筑，而且也适用于工业建筑。
综上所述，轻钢增层结构以其经济、快速、高效的独特优势在民用建筑和工业建筑中倍受青睐，其在房屋增层与改造中的应用前景也十分广阔。
当然，轻钢增层除了存在上述这些优点外，也存在一些不足，例如：轻钢增层后形成下刚上柔、下重上轻的刚度和质量分布不均匀的结构体系，对抵御地震不利等问题。
二、轻钢增层结构具体设计计算分析
1、轻钢增层结构柱脚节点连接形式对整体结构的影响
轻钢结构直接增层的柱脚形式可分为铰接和刚接柱脚。对于铰接柱脚，柱脚仅受轴向压力和水平方向剪力。对于刚接柱脚，柱脚除受轴向压力和水平方向剪力外，还受到加层结构传来的弯矩。
在实际工程中柱脚锚栓的预紧力不同程度的存在，根据有限元模型计算分析可知，铰接柱脚锚栓的预紧力能提高柱脚的抗剪承载力;刚接柱脚弯矩使得锚栓产生拉应力，考虑柱脚锚栓拉力能提高柱脚的抗剪承载力，同时施加预紧力可以进一步提高柱脚抗剪承载力和转动刚度。设计要同时考虑锚栓拉应力和混凝土压应力的增加。
2、轻钢增层结构的静力分析
以以下模型为分析对象：在既有四层钢筋混凝土框架结构顶部分别加一层、两层轻钢结构以及未进行加层的结构，在下文中将用“4", "4+1"、 "4+2”来表示。
工况条件分别为：
工况一:1.2×恒荷载+1.4×活荷载;
工况二:1.2×恒荷载+1.4×0.9×(活荷载+风荷载);
工况三:1.2×X自重+1.3×地震作用。
图1 结构平面布置图
以下以ANSYS有限元模型对此结构进行具体分析。
原四层钢筋混凝土框架及增层后整体框架内力计算
将原框架模型进行简化处理后，在工况一、三作用下，列举结构内力中剪力图和截面最大应力图如图2所示。
（a）剪力图 (b)最大应力图
图2结构内力图
根据以上分析思路，分别对原四层框架顶部增加一层钢框架、原四层框架顶部增加二层轻钢框架，钢框架柱脚采用刚接、原四层框架顶部增加二层钢框架，钢框架柱脚铰接，进行具体分析计算（由于篇幅有限，具体的计算结果在此不再赘述）。
（2）、计算结果分析
a对于同一种结构，同一种工况下，加层结构柱脚为铰接时，加层结构的水平位移比柱脚为刚接的大。
b在1况一、三作用下，原"4”层结构的应力和应变变化比较均匀，各层之间的差别不太大；而增层后的“4+1”和“4+2”结构在增层楼层处的应力和应变与原结构相比变化比较明显，尤其是“4+2"结构的变化更加突出。这正是由于轻钢结构的质量、刚度与钢筋混凝土相比较小造成的，所以增层结构的设计是十分重要的。
c由于轻钢结构增层的刚度与原钢筋棍凝土框架的刚度变化不大，而且增层部分的质量较下部小，没有出现增层的层间位移角及结构内力突变现象。
由于篇幅有限，轻钢增层结构的动力分析不能在此详细叙述。
结论
通过本文对轻钢增层结构的计算分析("4", "4+1”和“4+2")，可总结出以下几点：
(1)结构在恒载、活载以及地震力作用下进行组合时，有地震力参与的组合，结构的楼层水平位移比较大，因此地震作用是引起楼层水平位移的主要因素。在对轻钢增层这种新型结构体系进行设计时，应主要考虑地震力作用对结构的影响。
(2)当增层结构柱脚为铰接时，增层结构的水平位移比柱脚刚接的水平位移大。
(3)对原结构顶部增加不同层数的轻钢结构来说，顶部增加的层数越多，轻钢增层结构对原结构的影响也就越大，尤其是在增层楼层处结构的应力和应变变化更加明显。因此，应对这种上柔下刚、质量分布不均匀的结构进行合理的设计。
参考文献
【1】崔艳秋、柳锋。轻钢结构在建筑物增层设计应用中的若干问题等。山东建筑工程学院学报；2001 第3期
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。