輕鋼別墅結構設計工程實例分析

李紅娜

摘 要：以某輕鋼別墅工程的結構設計為例，介紹了輕鋼別墅的結構設計過程，分析設計參數和各項指標。為輕鋼別墅的結構設計提供借鑒和參考。

關鍵詞：輕鋼；別墅；結構設計

1 引言

輕鋼結構房屋隨著裝配式建筑的春風，在持續(xù)升溫，國內的輕鋼結構住宅在持續(xù)增多。而且輕鋼結構住宅以其質量輕、施工速度快、環(huán)保等特性[1]，在別墅建筑中頗受歡迎。但是輕鋼別墅的結構設計較為復雜，適用于輕鋼別墅的結構設計軟件較少，而且不具有通用性，較難模擬冷彎薄壁型鋼結構的受力蒙皮作用。本文使用佳構strat通用有限元軟件，對某輕鋼結構別墅進行結構設計，詳細介紹了輕鋼別墅的結構設計與校核。

2 輕鋼別墅簡介

2.1 簡介

輕鋼結構體系主要指采用輕型鋼結構材料或輕鋼構件制作的結構體系，一般采用冷彎薄壁型鋼C型鋼、Z型鋼和H型鋼等[2]。

低層冷彎薄壁型鋼房屋體系，將受力結構與維護結構合為一體， 具有受力蒙皮作用，即與支承構件可靠連接的結構面板體系所具有的抵抗自身平面內剪切變形的能力。這種結構體系的墻體結構是由立柱、頂導梁、底導梁、面板、支撐、拉條或撐桿等部件通過連接件形成的組合構件。墻體結構本身及相互間再通過自攻螺釘、拉鉚釘、抗拔螺栓絲桿等相連接形成整體結構。該體系的維護結構是結構面板和屋面板，它直接安裝在立柱或梁上，用以傳遞荷載和支承墻（梁）[3]。

2.2 工程概況

本項目為漯河市雪霽花?；閼c小鎮(zhèn)項目，坐落于河南省漯河市，該項目采用vertex軟件進行建筑設計和加工制作，采用strat軟件進行結構驗算。結構類型為冷彎薄壁型鋼墻體結構體系，建筑長13.7米，寬12.9米，建筑高4.8米，一層，建筑面積為104.66平方米。

墻體為輕鋼龍骨墻體，采用9mm厚OSB板內嵌泡沫混凝土，所有鋼構件均采用冷彎薄壁C型鋼，材料強度為Q550，規(guī)格為C89mm×41mm×11mm×0.8mm。自攻螺釘選用ST4.8級。屋面板選用12mm厚OSB板維護，上鋪瀝青瓦。

3 結構分析依據

本項目結構分析依據的規(guī)范主要是《低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術規(guī)程》和其他結構設計規(guī)范。由于本項目結構全部由一種C型鋼組合而成，結構較為特殊，PKPM等結構設計軟件不能滿足設計要求，綜合考慮各種因素，確定結構設計軟件采用STRAT，因為strat可以對低層冷彎薄壁型鋼結構體系進行全面細致的構件驗算，包括偏心桁架的立柱、剪撐的強度穩(wěn)定驗算，連接剪撐、立柱的銷釘的抗剪驗算、得到需要銷釘的面積，木墻板的強度和固定墻板所需要的銷釘面積。確保各個環(huán)節(jié)、各個部位均滿足受力要求，使這種結構體系的設計更安全、合理，并在此基礎上實現結構設計的優(yōu)化[4]。 STRAT軟件水平地震作用采用反應譜法。構件驗算將驗算偏撐桁架立柱的軸壓、局部彎曲作用下，剪撐的軸向拉壓作用，以及剪撐端部抗剪銷釘的面積。對于木板墻，程序會驗算墻板本身的壓彎強度、剪切強度。針對墻板通過銷釘與立柱連接固定、連接，程序還計算墻板側邊需要的抗剪銷釘面積。

4 結構分析

4.1 建模與計算

對該結構進行建模，首先建立立柱，將由多個C型鋼形成的立柱定義為組合截面，根據需要采用拼接式或格構式的截面形式，然后建立墻體結構的梁，門窗上面的托梁可采用桁架梁，托梁截面定義為組合截面。再繪制墻板，進行墻單元整合。對于屋頂三角桁架，則直接輸入桁架的上弦桿、下弦桿、腹撐桿，此處不定義組合截面?？梢詫ξ菁芙Y構進行一定的簡化，當屋面梁全部布置完畢后，點擊板殼邊生成屋面板。然后對屋面板殼加載，分別加上恒載和活載。設置樓層表，結構層數為一層，修改樓層高度為實際結構的高度，樓面為非剛樓面，按照《建筑結構荷載規(guī)范》調節(jié)體型系數，分別對墻體結構和屋面的節(jié)點加上風荷載。在以上的建模過程中，需要注意的問題為確保結構構件全部交點分圖，墻單元整合，屋面板荷載全部傳到屋架結構上。

具體結構設計參數如下：梁柱構件采用材料為Q550鋼材，墻板和屋面板采用TC17A木板，屋面恒載為0.75KN/m2 ，屋面活載為0.5KN/m2，基本風壓0.4KN/m2，設防烈度為6度，地震分組為第一組，以風載節(jié)點的方式分別在墻板和屋面板的節(jié)點上輸入體型系數，程序自動導算風荷載。調節(jié)好總體參數后，生成計算數據，進行力學計算，采用LU分解法，振型方法為蘭索斯法。

4.2 結構分析

首先查看plots中結構模型的各個荷載工況下的變形，當變形正常時，再進入Archi規(guī)范驗算階段，若變形不正常，重新返回Prep前處理模塊，調整結構模型。進入Archi模塊后，運行結構類型、構件合并、特殊構件、計算長度、荷載組合、參數判斷和規(guī)范驗算，查看應力結果，形成計算報告。驗算的參數包括：振型質量參與系數，結構舒適性驗算、基底總內力、傾覆彎矩、剪重比、樓層總體內力、樓層側移、樓層的抗側剛度和豎向剛度，整體穩(wěn)定性驗算、樓層最小地震剪力系數等。

在結構分析過程中，結構設計冗余量較大，結構偏于安全。在軟件中，還可以調整應力比上限和下限來進行鋼截面的優(yōu)化。

5 結論

輕鋼別墅在我國的應用會越來越多，搞好輕鋼別墅的設計至關重要，但是輕鋼別墅的結構設計較為欠缺，結構設計軟件大都不能完全模擬輕鋼別墅的受力情況。本文利用佳構設計軟件，介紹了低層冷彎薄壁型鋼結構別墅的結構設計過程，提供一種輕鋼別墅的結構設計案例，為國內輕鋼別墅的結構設計提供借鑒和參考。

參考文獻：

[1] 劉湘婷.輕鋼結構住宅設計實例分析[J].黑龍江科技信息，2013（23）：179.

[2] 田鏡楷.新型輕鋼結構體系的設計研究[J].哈爾濱師范大學自然科學學報，2013（3）：79～82.

[3] JGJ227-2011.低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術規(guī)程[S].

[4] STRAT 輕型薄壁鋼住宅鋼結構設計手冊（無比鋼結構）.