淺談中高層住宅的鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)設(shè)計(jì)

陳天偉

摘要：中高層鋼結(jié)構(gòu)住宅是鋼結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)業(yè)化推廣的重要組成部分，也是今后中高層住宅發(fā)展的主要方向。合理的戶型，靈活分割的概念必將使其在市場上受到歡迎。21世紀(jì)是鋼結(jié)構(gòu)的世紀(jì)，鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展是大勢所趨。相信解決好中高層鋼結(jié)構(gòu)住宅適宜的技術(shù)問題，必將使中高層鋼結(jié)構(gòu)住宅成為推動(dòng)整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)業(yè)化的排頭兵。本文中對(duì)鋼結(jié)構(gòu)住宅體系進(jìn)行了綜合技術(shù)性分析，目的是確定該建筑體系的合理使用范圍，為住宅鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，減少投資的盲目性，為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)盡一份力。

關(guān)鍵詞：中高層住宅 鋼結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)中高層建筑技術(shù)在國外應(yīng)用非常廣泛，中高層建筑一般首選鋼結(jié)構(gòu)體系。國內(nèi)對(duì)在超中高層建筑中的鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行不少的開發(fā)研究與應(yīng)用。然而值得注意的是，對(duì)于在大量性類型建筑 （如單元式中高層住宅建筑）中應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)，研究較少，正因?yàn)殚L期以來，我國鋼結(jié)構(gòu)中高層建筑實(shí)例較少，加之其技術(shù)含量較高， 尤其是建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)中高層建筑技術(shù)涉及較少。如果將國內(nèi)外已有的現(xiàn)成鋼結(jié)構(gòu)中高層建筑技術(shù)照搬，應(yīng)用于大量性類型建筑建設(shè)，勢必導(dǎo)致建筑成本增加，建筑適應(yīng)性差等問題。可見，目前我國的這種鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況難以適應(yīng)大規(guī)模建設(shè)的需要。

1 中高層建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面形式

無論是單獨(dú)使用，還是與其它材料組合使用，鋼結(jié)構(gòu)中高層建筑中的桿件按其在建筑結(jié)構(gòu)中所起的作用，大致可分為三類:軸心受力構(gòu)件、受彎構(gòu)件、偏心受力構(gòu)件，構(gòu)件類型不同，對(duì)截面形式的要求也不相同。按照形成方式，截面形式大致可以分為型鋼截面、實(shí)腹式組合截面、格構(gòu)式組合截面三類。型鋼截面是指直接用單根型鋼制作而成的。目前主要是H型鋼截面、組合箱形鋼截面。組合截面是指由各類型鋼、或型鋼與鋼板根據(jù)需要按照一定的規(guī)則綱合起來的截面形式。組合截面形式繁多，在鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用非常廣泛。盡管截面形式千變?nèi)f化，但它們在設(shè)計(jì)上考慮的原則，還是一致的。橫梁的截面一般為工字形和箱形;柱子的截面一般為工字形、十字形、管形和箱形，截面的組合利用是由下述各種原則支配。力學(xué)上的合理性:提高柱、梁、支撐等構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能。提高抗屈曲承載力和抗彎承載力。獲得經(jīng)濟(jì)效益:以最少的用鋼量，覆蓋最大的空間，或跨越最大跨度。裝配施工上的合理化:考慮到連接的要求。施工開始前將構(gòu)件做成型鋼組合截面存放。結(jié)構(gòu)造型上的需要:裝配式體系里有顯示構(gòu)件本身的附加愿望時(shí)等。提高設(shè)計(jì)上的自由度組合截面能提高構(gòu)件設(shè)計(jì)上的靈活性，可使構(gòu)件的形式較為貼切地符合各種要求。

2 中高層住宅的鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 變截面梁的模擬計(jì)算 利用空間有限元分析軟件ALCOR，可直接得到靜荷載作用下構(gòu)件內(nèi)力。用梁單元建立模型，對(duì)屋面梁變截面部分采用單元細(xì)分的辦法，每一小段單元采用相等的截面面積與慣性矩，且沿梁呈均勻平緩的階梯狀變化，模擬變截面梁，在計(jì)算時(shí)把變截面梁每米分成為兩個(gè)單元，計(jì)算效果理想，而且發(fā)現(xiàn)當(dāng)把梁繼續(xù)細(xì)分時(shí)，所提高的精度在工程上是沒有多大價(jià)值的。

2.2 中高層綱架柱的計(jì)算 長度因?yàn)閯偧茉谄淦矫鎯?nèi)沒有適當(dāng)?shù)闹螛?gòu)件阻止其發(fā)生位移，故把剛架視為有側(cè)移剛架。為了得到剛架柱的計(jì)算長度，應(yīng)從整體失穩(wěn)的角度來確定。

2.3 柱間支撐的設(shè)計(jì) 在垂直于每榀剛架的方向上為減少柱列的計(jì)算長度，必須設(shè)置一定數(shù)量的支撐。，另外柱間支撐的布置盡量符合均勻受力的原則，以便更好地分擔(dān)水平剪力。

2.4 樓板設(shè)計(jì) 鋼結(jié)構(gòu)中，樓板采用壓型鋼板+現(xiàn)澆砼的做法非常普遍，這種做法有其一定的優(yōu)越性，如：可以省去砼模板、可以減少樓板鋼筋等。

2.5 屋面檁條設(shè)計(jì) 檁條是冷彎薄壁構(gòu)件，受壓板件或壓彎板件的寬厚比大，在受力時(shí)要屈曲，強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)采用有效寬度，對(duì)原有截面要減弱，不能象熱軋型鋼那樣全截面有效。鋼架整體分析采用的是全截面，如果強(qiáng)度計(jì)算不用凈截面，實(shí)際應(yīng)力將高于計(jì)算值。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受拉強(qiáng)度應(yīng)按凈截面計(jì)算，受壓強(qiáng)度應(yīng)按有效截面計(jì)算，穩(wěn)定性應(yīng)按有效截面計(jì)算，變形和各種穩(wěn)定系數(shù)均可按毛截面計(jì)算。

2.6 屋脊撓度驗(yàn)算 框架斜梁的豎向撓度限值一般情況規(guī)定為1/180，除驗(yàn)算坡面斜梁撓度外，要驗(yàn)算跨中下垂度。作框架分析，將構(gòu)件分段，用等截面程序計(jì)算，每段都要計(jì)算水平和豎向位移，不能大于允許值，等于要驗(yàn)算跨中撓度。跨中撓度反映屋面豎向剛度，剛度太小豎向變形就大。脊點(diǎn)下垂后常引起屋面漏水。屋面豎向剛度過小，第一榀剛架與山墻間的屋面出現(xiàn)斜坡，使屋面變形。剛架側(cè)移后，當(dāng)山尖下垂對(duì)坡度影響較大時(shí)，要驗(yàn)算山尖垂度，以便對(duì)屋面剛度進(jìn)行控制。

2.7 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 工程中框架鋼梁和鋼管柱的連接采用剛接，鋼梁和砼剪力墻的連接、主梁和次梁的連接采用鉸接。鋼梁僅在梁腹板處采用高強(qiáng)螺栓連接，大大減少了現(xiàn)場工作量，簡化了鋼結(jié)構(gòu)的安裝程序，提高了鋼結(jié)構(gòu)的安裝速度。

3 住宅鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造價(jià)案例分析

以我國目前的建設(shè)實(shí)踐而言，商品住宅生產(chǎn)經(jīng)營成本主要包括土地征用及拆遷補(bǔ)償費(fèi)、前期工程費(fèi)、基礎(chǔ)設(shè)施費(fèi)、建筑安裝工程費(fèi)、公共設(shè)施配套費(fèi)，利息支付和管理費(fèi)用等。本文將就其中幾項(xiàng)對(duì)住宅鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)住宅進(jìn)行比較和分析。

以廣東地區(qū)建材價(jià)格為例，對(duì)常見中高層住宅6層和中高層住宅12層進(jìn)行估價(jià)，結(jié)果如表4-1和表4-2所示。表4-1是這兩幢住宅分別與相同形式的鋼結(jié)構(gòu)住宅的造價(jià)比較。住宅鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自重較輕，對(duì)地基承載力要求較砼結(jié)構(gòu)住宅要低，表4-2將住宅鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)的砼結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了簡要的對(duì)比。

經(jīng)過比較分析得出，住宅鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系與傳統(tǒng)住宅體系相比有許多特定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)點(diǎn):①主要構(gòu)建工業(yè)化程度較高，80%可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化系列化。②建造周期短。大部分鋼構(gòu)件工廠化制作，現(xiàn)場安裝，可大大縮短施工工期。預(yù)計(jì)可縮短有效施工工期的30~50%。③由于住宅鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以鋼材為主，基本杜絕土磚的使用，可減少土地資源的消耗，并且鋼材的再利用率明顯高于其他結(jié)構(gòu)。

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