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关于钢结构住宅设计的总结!

钢结构住宅是以建筑钢材构成承重结构的建筑。通常由型钢和钢板制成的梁、柱、桁架等构件构成承重结构。其与屋面、楼面和墙面等围护结构共同组成钢结构建筑物。



一、钢结构住宅体系选择

从已建成的钢结构住宅来看,主要有:

1)薄壁型钢组合墙板形式;

2)纯框架形式;

3)框架支撑形式;

4)型钢混凝土组合形式;

5)钢框架-混凝土抗震墙形式等等。


在我们看来这些结构形式各有特点,其中薄壁型钢组合墙板形式特别适宜定型产品,其体系是从墙板结构演变而来,即将薄壁型钢柱构件按大约 600mm 的间距布置形成竖向承重结构、型钢间设支撑系统以抵抗水平力,楼板根据竖向型钢的位置布置成密肋支撑结构,因上部结构为类墙板结构,其基础根据受力情况设成条形基础,对钢结构基础建设要求不高。薄壁型钢组合墙板住宅受密布结构的影响,对开间、门窗洞口、挑出构件尺寸均有一定限制。

后面几种形式可以满足多高层住宅设计要求,但从使用的角度都存在一个共同问题,即梁柱突出对住宅内部观感的影响。住宅相对于其它建筑有其特殊性,办公、厂房可以采用较为固定柱网,层高也较高,其梁柱所占空间给人的感观是适宜的,柱网规则有利于梁的布置。


受短肢剪力墙结构的启发,笔者在钢结构住宅设计中将钢柱设计成异型柱形式,以配合建筑变化的要求,图1 是两种异型钢柱截面,根据建筑墙体厚度减去面层厚度来设定翼缘宽度,框架梁与异型钢柱各个方向的翼缘刚接,图2 为相应的节点连接详图。


异型钢柱示意图

异型钢柱梁柱节点详图


在工业厂房设计中经常采用异型钢柱,采用排架受力体系时,异型钢柱经常设计成双轴对称或主受力方向单轴对称,厂房纵向采用支撑系统抵抗纵向水平力,系杆、支撑构件多连接于异型柱弱轴形心轴上,这样在结构概念设计及采用杆系软件计算容易处理。


住宅中应用异型钢柱与厂房设计还是有很大区别的,下图是厂房梁柱连接方式与住宅梁柱连接方式的简单比较


可以看出在住宅中,梁柱的截面形心轴不在同一位置上,不符合常规设计理念,在采用杆系软件计算时无法解决偏轴问题。


尽管如此,与短肢剪力墙结构相比,笔者认为异型柱是在原来较大的矩形框架柱截面或整片混凝土墙修改为的截面面积较小的异型截面,相应地也减少了截面特性,而异型钢柱是在一个工字钢截面上增加一个T型截面,相应地是增加了弱轴方向的截面特性,特别是将钢梁与钢柱弱轴的刚性连接节点转化为与柱翼缘连接,优于常见设计中工字钢柱在弱轴方向设外伸连接板的刚性连接,加强了工字钢柱弱轴稳定,对结构安全是很有利的。


一般认为工字钢柱弱轴刚性连接不可靠,所以在很多构造手册上建议在弱轴采用铰接框架加支撑体系或者采用钢管柱设计方案,抗震规范“柱在两个互相垂直的方向都与梁刚接时,宜采用箱形截面。当仅在一个方向刚接时,宜采用工字形截面,并将柱腹板置于刚接框架平面内。”

二、一般规定 

  1.钢结构住宅有低层和多层之分。低层一般不超过3层,用于别墅;多层用于公寓。 
  2.超过9层为高层。10~12层又称小高层。抗震规范GB50011对12层以下和12层以上的房屋提出不同要求。住宅钢结构一般不宜超过12层。 
  3.钢结构抗震性能与结构布置规则性有很大关系。结构布置不规则,地震时易损坏,而且除弹性设计外还要作弹塑性层间位移验算。因此应尽量使结构布置符合规则性要求。 
  4.住宅钢结构的平面布置应力求规则、对称。住宅钢结构常见的布置不规则,主要是平面不规则。如平面形状不规则,L形等,特别是支撑剪力墙偏置,明显不对称等。若楼层的最大弹性水平位移超过质心水平位移的1.2倍就属于平面不规则,此时需对支撑剪力墙的配置进行调整。 


三、设计细节的问题

1、  整体计算时选取合适的结构阻尼比根据抗震规范要求,除专门规定外,建筑结构的阻尼比应取0.05,当阻尼比不等于0.05时,地震影响系数曲线应进行修正,钢结构相关阻尼比选取值见表 1。


表 1  不同结构阻尼比应用值


从表 1 中数据可以看出,不同的钢结构体系有不同的地震影响系数,如果在结构分析时错误选择阻尼比对设计结果会产生较大影响,其中钢管混凝土和钢-砼混合结构由于是两种材料共同作用,在选取阻尼比时,应根据两种材料应用比例综合考虑阻尼比,结构整体刚度越柔,阻尼比选值越低。



2、刚接柱脚设计

常见柱脚分埋入式、外包式、外露式。在住宅设计中多采用外露式,相比其它两种方式,其现场安装、定位方便。


在设计时应注意,柱脚的刚度是靠底板的弹性变形或塑性变形来实现的,这就意味着整个结构变形包括钢结构本身变形及底板受拉变形后引起的整体变形,如在分析内力时视外露式为刚性柱脚,设计中要考虑层间位移角限值要有一定的富裕,同时应考虑底层钢柱弯矩反弯点下移引起的柱顶弯矩增大。


根据节点设计要求,为保证罕遇地震时不发生柱脚节点先于钢柱破坏,柱脚节点连接处的极限抗弯承载能力应大于 1.2 倍钢柱的全塑性受弯承载力(Wpnx·f)才可以,常见设计方法是根据柱脚反力来确定柱脚螺栓直径、连接焊缝,这样只能保证柱脚节点在多遇地震作用下具有一定强度而不破坏,而柱脚弯矩设计值所需截面抵抗模量一般小于钢柱本身截面抵抗模量(Wx),以H628X260X10X14 工字钢为例,1.2·Wpnx/Wx=1.36 倍,外露式很难保证这项设计要求。


而采用其它两种柱脚方式在转递钢柱内力时很容易满足前项要求,设计中传力明确、计算容易、构造简单、节省钢材。插入式柱脚构造相比埋入式更简单,大部分书籍认为可靠性不如埋入式,建议用于单层钢结构厂房,不适合高层建筑钢结构。


3、楼板设计要求

  1.楼板除了承受竖向荷载并将它传给框架外,还将水平力传到各个柱上,因此楼板平面内的刚度、整体性和承载力也很重要。作为建筑要求,住宅楼板还应能隔音。 
  2.现在用得较多的是压型钢板组合楼板,叠合板加现浇层,现浇楼板等。这几种楼板的整体性都很好。钢梁宜形成组合梁,梁上要设置栓钉。 
  3.预制板中应设预埋件,与钢梁焊接。 
  4.在强震区或重要建筑,柱周边宜设置钢筋和箍筋,以免楼板在水平力下被柱子压坏。 



4、梁柱刚性连接设计

梁柱间刚性连接计算可按常用设计法或全截面受弯设计法进行,当钢梁翼缘的抗弯承载力大于整个截面承载力的 70%时,可采用常用设计法进行设计,小于 70%时,应采用全截面抗弯设计法,在住宅设计中,钢梁多属于前者,常用设计法计算原则为翼缘和腹板分别承担弯矩和剪力,普遍认为计算容易,结果偏于安全。


事实上根据多高层房屋钢结构梁柱刚性连接节点的抗震设计和多高层房屋钢结构梁柱刚性节点的设计,不做任何处理的将钢梁与钢柱进行栓焊等强连接是很难达到强节点弱杆件的设计要求,对加强式节点设计有设计及构造详细说明。


具体做法主要有三种方式:梁端翼缘加焊楔形盖板、梁端底部加腋、犬骨式连接。通过笔者在实际应用后认为,三者都存在增加施工难度的问题。第四种方式:梁端翼缘加宽方式,但在标准图集中不作为主推形式介绍,当建筑对梁宽没有要求的情况下,这种连接方式最为实用、便捷。




5、节点和支撑构造要求 

  1.节点设计应符合抗震规范和《高钢规程》的要求。 
  2.柱通过小悬臂与梁拼接,可以绕过梁柱直接连接的构造困难,这是一个好办法。此时梁拼接大多采用翼缘焊接腹板拼接,也可采用全截面螺栓连接。在以上拼接中,腹板拼接要考虑弯矩。
  3.翼缘的坡口全熔透焊缝,要求用一级焊缝以确保焊接质量。有的标准规定压力容器才用一级焊缝。这是一种误解。压力容器很重要,梁翼缘与柱连接同样很重要,不能用二级。 
  4.梁与钢管砼柱的刚性连接,现在用外加劲肋和内隔板的都有,都是可以的。但要注意钢管壁板与隔板或环板的厚度匹配。 
  5.7层以上时,框架-支撑体系中的框架梁柱应刚性连接。 
  6.支撑与钢管砼连接时,不应将节点板焊在钢管管壁上,以防管壁拉开。 
  7.不应在钢管支撑内灌砼,对抗震不利。 
  8.12层以下可以不设地下室,但此时柱脚的计算反力要加大,严格说来要做到承受大震时的反力而不破坏。6、7度区允许采用外包式柱脚,但8度及以上时应采用埋入式柱脚。不允许用铰接柱脚。

四、设计钢结构住宅应尊重住宅使用的根本要求

对于钢结构住宅不能因为要推广钢材在建筑中的应用而简单、强行在住宅结构中使用,这样作对推广钢结构住宅没有实际意义。相对而言公建、体育场馆、工业厂房等是钢结构在建筑中最能发挥其特长的领域,近年来,我们已经深刻感觉到这种应用变化。



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作者: ganggouren

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