多層民用輕鋼住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)探討

高維維

【摘要】隨著時(shí)代的發(fā)展和進(jìn)步，人們漸漸體會(huì)到了輕鋼住宅的優(yōu)越之處，但是，與歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)的輕鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)水平還相對(duì)較低，采用輕鋼結(jié)構(gòu)的民用住宅還比較少見(jiàn)。所以，深入研究我國(guó)低層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系是極具現(xiàn)實(shí)意義的。筆者主要對(duì)低多層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅常用的結(jié)構(gòu)體系及主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)，對(duì)當(dāng)前存在的問(wèn)題作了一定的建議。

【關(guān)鍵詞】多層建筑；結(jié)構(gòu)體系；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)住宅具有重量輕、抗震性能好、可現(xiàn)場(chǎng)裝配的優(yōu)勢(shì)，符合住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展戰(zhàn)略。目前，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用于低、多高層住宅在結(jié)構(gòu)體系上已經(jīng)較成熟，但與之配套的圍護(hù)體系、關(guān)鍵的應(yīng)用技術(shù)研究卻相對(duì)滯后。因此本文對(duì)住宅輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。

1、結(jié)構(gòu)體系的選擇

建筑層數(shù)越多，高度越高，則由于風(fēng)力或地震力引起的側(cè)向力就越大，建筑物必須有相應(yīng)的剛度來(lái)抵抗側(cè)向力。因此，結(jié)構(gòu)體系也就需要不斷的發(fā)展。目前，多層和小高層鋼結(jié)構(gòu)建筑常用的結(jié)構(gòu)體系有以下幾種。

（1）框支結(jié)構(gòu)體系。純框架在風(fēng)、地震荷載作用下，側(cè)移不符合要求時(shí)，可以采用帶支撐的框架，即在框架體系中，沿結(jié)構(gòu)的縱、橫兩個(gè)方向布置一定數(shù)量的支撐。在這種體系中，框架的布置原則和柱網(wǎng)尺寸，基本上與框架體系相同，支撐大多沿樓面中心部位服務(wù)面積的周圍布置，沿縱向布置的支撐和沿橫向布置的支撐相連接，形成一個(gè)支撐芯筒。采用由軸向受力桿件形成的豎向支撐來(lái)取代由抗彎桿件形成的框架結(jié)構(gòu)，能獲得比純框架結(jié)構(gòu)大的多的抗側(cè)力剛度，可以明顯減小建筑物的層間位移。

（2）框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系。在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻可以組成框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)以剪力墻作為抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，既具有框架結(jié)構(gòu)平面布置靈活、使用方便的特點(diǎn)，又有較大的剛度。當(dāng)鋼筋混凝土墻沿服務(wù)性面積（如樓梯間、電梯間和衛(wèi)生間）周圍設(shè)置，就形成框架多筒體結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)體系在各個(gè)方向都具有較大的抗側(cè)力剛度，成為主要的抗側(cè)力構(gòu)件，承擔(dān)大部分水平荷載，鋼框架主要承受豎向荷載。

2、主要構(gòu)件設(shè)計(jì)

2.1柱子

鋼結(jié)構(gòu)住宅一般為大開間，框架柱在兩個(gè)方向都承受較大的彎矩，同時(shí)應(yīng)該考慮強(qiáng)柱弱梁的 要求。而目前廣泛使用的焊接H型鋼或I字熱軋鋼截面，強(qiáng)弱軸慣性矩之比3～10，勢(shì)必造成材料浪費(fèi)。因此對(duì)于軸壓比較大，雙向彎矩接近，梁截面較高的框架柱采用雙軸等強(qiáng)的鋼管柱或方鋼管混凝土柱是適宜的。對(duì)于方鋼管混凝土柱，不僅截面受力合理，同時(shí)可以提高框架的側(cè)向剛度，防火性能好，而且結(jié)構(gòu)破壞時(shí)柱體不會(huì)迅速屈曲破壞。因此，盡管平面受力結(jié)構(gòu)中，選用H型鋼或I字鋼在受力上還是合理的但總體上，箱形鋼管柱尤其是方鋼管混凝土柱應(yīng)得到廣泛應(yīng)用。方鋼管混凝土柱將是鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展的主要方向，但由于缺乏相應(yīng)的規(guī)范、規(guī)程，目前在住宅中應(yīng)用還很少。尤其鋼管砼梁、柱的連接較為復(fù)雜，不利于工廠制作和現(xiàn)場(chǎng)施工，應(yīng)加大力度開發(fā)研究。

2.2樓面屋蓋結(jié)構(gòu)

樓面和屋蓋必須有足夠的強(qiáng)度，剛度和穩(wěn)定性，同時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量減少樓板厚度，增加室內(nèi)凈高。壓型鋼板-混凝土組合樓蓋是目前應(yīng)用較為廣泛的形式。它具有施工速度快，平面剛度大，增加房屋凈高的優(yōu)點(diǎn)。具體做法是在鋼梁上鋪設(shè)壓型鋼板，再現(xiàn)澆100～150mm混凝土。在鋼梁上焊接足夠的剪力連接件，使鋼梁與混凝土協(xié)同工作構(gòu)成組合樓蓋。這種做法耗鋼量較大，且需防火處理。可以用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土薄板取代壓型鋼板。此外，預(yù)應(yīng)力圓孔板、迭合板、組合扁梁也是常用形式。

2.3支撐和剪力墻形式

多層框架鋼結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向剛度較弱，隨著層數(shù)的增加，為了抵抗水平地震作用，減小層間錯(cuò)移，常在墻體內(nèi)布置垂直支撐，為了方便門窗開洞，支撐形式可以靈活采用，如X型、單斜桿型、K型、M型、W型、V型和人型等。建議多采用偏心支撐，因其在地震作用下具有較好的延性和耗能性能。

剪力墻按其材料和結(jié)構(gòu)的形式可分為鋼筋混凝土剪力墻、鋼筋混凝土帶縫剪力墻和鋼板剪力墻等。鋼筋混凝土剪力墻剛度較大，地震時(shí)易發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致墻體產(chǎn)生斜向大裂縫而脆性破壞。為避免這種現(xiàn)象，可采用帶縫剪力墻。鋼板剪力墻是以鋼板做成剪力墻結(jié)構(gòu)，與鋼框架組合，起到剛性構(gòu)件的作用。

3、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)分析前，就應(yīng)該對(duì)節(jié)點(diǎn)的形式有充分思考與確定。常常出現(xiàn)的一種情況是，最終設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)分析模型中使用的形式不完全一致，這必須避免。

具體設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容：

3.1焊接

對(duì)焊接焊縫的尺寸及形式等，規(guī)范有強(qiáng)制規(guī)定，應(yīng)嚴(yán)格遵守。焊條的選用應(yīng)和被連接金屬材質(zhì)適應(yīng)。E43對(duì)應(yīng)Q235，E50對(duì)應(yīng)Q345. Q235與Q345連接時(shí)，應(yīng)該選擇低強(qiáng)度的E43，而不是E50.

焊接設(shè)計(jì)中不得任意加大焊縫。焊縫的重心應(yīng)盡量與被連接構(gòu)件重心接近。其他詳細(xì)內(nèi)容可查規(guī)范關(guān)于焊縫構(gòu)造方面的規(guī)定。

3.2栓接

鉚接形式，在建筑工程中，現(xiàn)已很少采用。

普通螺栓抗剪性能差，可在次要結(jié)構(gòu)部位使用。

高強(qiáng)螺栓，使用日益廣泛。常用8.8s和10.9s兩個(gè)強(qiáng)度等級(jí)。根據(jù)受力特點(diǎn)分承壓型和摩擦型。兩者計(jì)算方法不同。高強(qiáng)螺栓最小規(guī)格M12.常用M16～M30.超大規(guī)格的螺栓性能不穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中應(yīng)慎重使用。

自攻螺絲用于板材與薄壁型鋼間的次要連接。國(guó)外在低層墻板式住宅中，也常用于主結(jié)構(gòu)的連接。

3.3 連接板

可簡(jiǎn)單取其厚度為梁腹板厚度加4mm.然后驗(yàn)算凈截面抗剪等。

3.4 梁腹板

應(yīng)驗(yàn)算栓孔處腹板的凈截面抗剪。承壓型高強(qiáng)螺栓連接還需驗(yàn)算孔壁局部承壓。

3.5 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場(chǎng)焊接等的施工空間及構(gòu)件吊裝順序等。構(gòu)件運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法安裝是初學(xué)者常犯的錯(cuò)誤。此外，還應(yīng)盡可能使工人能方便的進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)定位與臨時(shí)固定。

3.6 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮制造廠的工藝水平。比如鋼管連接節(jié)點(diǎn)的相貫線的切口需要數(shù)控機(jī)床等設(shè)備才能完成。

結(jié)語(yǔ)：

當(dāng)前我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)研究已進(jìn)入一個(gè)新階段，應(yīng)及時(shí)把握其發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，積極借鑒并吸納國(guó)外成熟技術(shù)，注意各專業(yè)間的相互配合，促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，相信我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展前景是美好的。

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