高層鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計方案

盧宇

（中建八局第一建設(shè)有限公司，濟南 250000）

1 引言

由于高層建筑的總體規(guī)模較大，因此，確保其整體穩(wěn)定性、提高抗震性成為設(shè)計工作中的重點目標(biāo)。相比于傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，現(xiàn)階段新型的鋼結(jié)構(gòu)是較好的取代形式，其穩(wěn)定性表現(xiàn)更為優(yōu)良，抗震性能好，且解決了傳統(tǒng)技術(shù)工期長的問題[1]。

2 工程概況

某高層住宅項目工程，總建筑面積約為12×104m2，主體部分共設(shè)計16 層，總高48 m，為單元式一梯兩戶布局形式。在本工程中，主體部分采用鋼管混凝土柱- 鋼框梁體系，以滿足高層住宅建設(shè)需求。

3 鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

3.1 建筑設(shè)計分類

本工程建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50 a，建筑抗震設(shè)防類別為丙類。

3.2 樓面荷載標(biāo)準(zhǔn)值

根據(jù)規(guī)劃要求主體結(jié)構(gòu)選擇“鋼管混凝土柱- 鋼框梁”形式。在設(shè)計結(jié)構(gòu)時，應(yīng)注重如下幾項指標(biāo)。

1）樓面荷載：（1）標(biāo)準(zhǔn)層活荷載2.0 kN/m2，電梯機房為7.0 kN/m2；（2）消防樓梯3.5 kN/m2；標(biāo)準(zhǔn)層恒載4.50 kN/m2。

2）風(fēng)荷載和雪荷載：（1）考慮到建筑高度較高的特點，為確保在風(fēng)荷載作用下整體結(jié)構(gòu)具有足夠的穩(wěn)定性，要注重對基本風(fēng)壓的控制，若重現(xiàn)期為50 a 時，要求風(fēng)荷載=0.30 kN/m2；（2）考慮重現(xiàn)期為10 a 的使用條件，此時風(fēng)荷載=0.20 kN/m2；（3） 地面粗糙度B 類，建筑體形系數(shù)=1.3；（4） 該工程中雪荷載的基本雪壓按50 a 重現(xiàn)期考慮，取0.3 kN/m2。

3）地震荷載：（1）考慮到地震災(zāi)害易對建筑穩(wěn)定性造成影響，應(yīng)確保建筑在地震環(huán)境中維持穩(wěn)定性；（2）具體要求即抗震設(shè)防等級為Ⅲ級、地震加速度0.20g、特征周期Tg=0.40 s、阻尼比為0.04。

3.3 結(jié)構(gòu)計算

本工程采用中國建筑科學(xué)研究院編制的STS-SETWE 計算軟件（高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計計算- 高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析軟件），結(jié)構(gòu)分析采用三維空間建模體系，水平地震力采用振型分解反應(yīng)譜法，并考慮扭轉(zhuǎn)、耦聯(lián)等因素的影響。其軟件計算結(jié)果見表1。

表1 軟件計算結(jié)果

在設(shè)計中，由于假定側(cè)向力由鋼管混凝土柱-鋼框梁自身承擔(dān)，所以，其結(jié)構(gòu)的層間位移、頂點位移參照J(rèn)GJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中“框架-剪力墻”結(jié)構(gòu)的位移為標(biāo)準(zhǔn)，將其控制在Δu/H=1/650、u/H=1/700，其中，Δu 為結(jié)構(gòu)頂點屈服位移；u 為結(jié)構(gòu)頂點延性系數(shù)；H 為樓體高度，m[2]。

通過結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定驗算得知，本工程中鋼結(jié)構(gòu)剛重比明顯大于10，滿足整體穩(wěn)定驗算標(biāo)準(zhǔn)。但如果該結(jié)構(gòu)中剛重比正好小于20，則在計算時應(yīng)將重力二階效應(yīng)的方法考慮在內(nèi)。因此，本工程在通過特定的方法對鋼結(jié)構(gòu)進行驗算之后，得出的結(jié)果數(shù)值與JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第5.4.4 條規(guī)定中的整體穩(wěn)定驗算標(biāo)準(zhǔn)相吻合，工程的抗震等級也基本滿足相關(guān)規(guī)范要求[3]。

4 鋼結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

4.1 基礎(chǔ)設(shè)計

在施工過程中，本工程選擇人工挖孔樁，樁端的持力層為強風(fēng)化泥巖，整棟建筑的基礎(chǔ)部分較穩(wěn)定，實現(xiàn)了高效的荷載傳遞。

4.2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

主體選擇的是鋼框架結(jié)構(gòu)，材料為Q355B 鋼材，同時，依據(jù)設(shè)計圖紙搭建鋼管體系并內(nèi)澆混凝土，以形成穩(wěn)定性良好的鋼管混凝土框架柱。由于管內(nèi)不同區(qū)段的混凝土強度等級存在差異，其對下部強度要求更高，為C40，而上部為C35。

4.3 樓蓋體系

在樓蓋施工中，選擇鋼筋桁架樓承板結(jié)構(gòu)，并對厚度進行了針對性優(yōu)化，以更好地保證標(biāo)準(zhǔn)層及屋面樓板保持一致，均設(shè)為120 mm。在形成完整的鋼筋混凝土板后，可利用抗剪栓釘連接，使其與鋼梁形成穩(wěn)定的整體，從而進一步加強組合樓蓋。

由于“鋼- 混凝土”這一組合方式在力學(xué)表現(xiàn)上更優(yōu)良，且能夠兼并發(fā)揮出鋼和混凝土兩部分材料的性能優(yōu)勢，因此，在采取此方式時，次梁截面會明顯減小，且還具有加大樓層凈高的效果。

4.4 圍護墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計

在建筑工程倡導(dǎo)環(huán)保理念的背景下，輕型材質(zhì)的優(yōu)勢得到了充分發(fā)揮，并相繼被應(yīng)用于高層建筑施工中。這其中，尤其典型的是復(fù)合夾心板墻，因為其相較于傳統(tǒng)材料，具有更輕便、保溫效果更好的優(yōu)勢，可有效減少材料用量。

在鋼結(jié)構(gòu)住宅工程中，如黏土磚等材料缺乏適應(yīng)性，因此更為合適的是加氣混凝土砌塊等結(jié)構(gòu)。在本工程中，為了給用戶提供舒適的居住體驗，外墻部分統(tǒng)一采用ALC 墻板，而內(nèi)隔墻選擇100 mm 厚輕質(zhì)復(fù)合墻板材料。

4.5 節(jié)點設(shè)計

鋼結(jié)構(gòu)要在建筑整體結(jié)構(gòu)中形成完整的體系，則節(jié)點設(shè)計顯得尤為關(guān)鍵。因為這是整個設(shè)計工作中的要點。

從鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點的類別來看，其主要包含梁柱節(jié)點、柱腳節(jié)點等多個部分。在設(shè)計中，可以將安全可靠作為基本前提，選擇具有便捷化特性的工藝，從而最大化減少焊縫連接。

從傳力特性的角度來看，以剛性節(jié)點和鉸接節(jié)點的應(yīng)用較廣泛，其工藝較成熟。對于方鋼管柱施工，將鋼管柱直接埋入基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，利用鋼骨混凝土柱結(jié)構(gòu)縱筋起到傳遞彎矩的效果。

4.6 除銹和防火設(shè)計

4.6.1 除銹與涂裝

全方位檢驗鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量情況，并在各方面都滿足要求后除銹，當(dāng)足夠潔凈時方可涂裝。本工程選擇噴砂除銹的方式，除銹等級控制標(biāo)準(zhǔn)為Sa2.5 級。涂裝操作的具體步驟為：

1）刷涂無機富鋅底漆1 道，經(jīng)此環(huán)節(jié)處理后產(chǎn)生的干膜厚度至少達60 μm。

2）防銹部位均勻涂上環(huán)氧云鐵漆，顏色根據(jù)實際情況靈活選擇，厚度30 μm。

3）在鋼結(jié)構(gòu)搭建過程中，由于該環(huán)節(jié)含有部分焊接作業(yè)，因此該處需刷涂防腐漆。

4）在運輸過程中加強防護，不可出現(xiàn)涂層受損的情況，若部分區(qū)域存在損傷，則需選擇相適應(yīng)的技術(shù)修補。

5）全面清理焊接后產(chǎn)生的焊渣。

4.6.2 鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定使用

要保證鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定使用，則還要建立在耐火性能優(yōu)良的基礎(chǔ)上。本工程采取的是二級防火標(biāo)準(zhǔn)，所有構(gòu)件的耐火性能足夠良好，具體見表2。

表2 結(jié)構(gòu)耐火性能

此外，為體現(xiàn)高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的優(yōu)越性，需盡可能減輕結(jié)構(gòu)的自重，而墻體應(yīng)采用輕質(zhì)材料。在本工程中，選用蒸壓輕質(zhì)砂加氣混凝土砌塊，其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在：

1）輕質(zhì)。該產(chǎn)品的計算容重僅為400～650 kg/m2，為混凝土的1/4，可以有效減輕建筑物的自重。

2）保溫。該產(chǎn)品在做外圍護結(jié)構(gòu)時，不用輔助材料即可滿足嚴(yán)格的保溫節(jié)能要求，而用50 mm 厚的蒸壓輕質(zhì)砂加氣混凝土砌塊能達到240 mm 普通磚墻的保溫效果。

3）抗?jié)B。該產(chǎn)品內(nèi)部小孔均為獨立的封閉孔，直徑約1～2 mm，不僅能阻止水分?jǐn)U散，而且在同等條件下抗?jié)B性比普通黏土磚高85%。

4）防火。該產(chǎn)品的原材料和產(chǎn)品本身均為無機物，絕不燃燒，其100 mm 厚的墻體耐火極限≥4.0 h。

5 鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相比

由于鋼結(jié)構(gòu)工程具有自重輕、施工速度快、建筑產(chǎn)業(yè)化和利于環(huán)境保護等特點，因而已越來越被人們所重視，因此，在全國各地陸續(xù)出現(xiàn)了一批鋼結(jié)構(gòu)住宅。與普通的混凝土結(jié)構(gòu)相比，其應(yīng)用于住宅建筑中時，具有的優(yōu)點主要包括：

1）鋼結(jié)構(gòu)建筑總質(zhì)量小、地震力效應(yīng)小且延性好，相應(yīng)抗震性能優(yōu)良。歷次大地震災(zāi)害資料對比說明了這一點。

2）由于工廠化加工制造，施工速度快，工期可縮短20%以上，使建筑物更早地投入使用，提早產(chǎn)生效益。

3）鋼結(jié)構(gòu)采用干法施工，這不僅有效減少了對環(huán)境的污染，而且構(gòu)件運輸方便、費用低，可在梁腹板處開孔走管道，避免了如混凝土結(jié)構(gòu)在梁底通過的情況。因此，在樓層高度相同的情況下，采用鋼結(jié)構(gòu)，可較好地提高層間的凈高。

4）鋼結(jié)構(gòu)容易實現(xiàn)大跨度與復(fù)雜結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造開放式住宅，因此建筑設(shè)計靈活、豐實。對此采取大開間設(shè)計，可讓戶內(nèi)空間可多方案分割，以滿足用戶的不同需求。

5）建筑空間利用率及使用系數(shù)高。具體來說，在梁高相同的情況下，鋼結(jié)構(gòu)開間可比混凝土大30%，且在梁柱等強度條件下，可增加建筑有效使用面積5%～8%。

6）綠色環(huán)保效果好。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，鋼結(jié)構(gòu)住宅施工時減少了砂、石、灰的用量，且所用的材料主要是綠色、可回收或降解的材料，因此在建筑物拆除時不會造成垃圾，在真正意義上實現(xiàn)了綠色建筑。

6 結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)住宅是現(xiàn)階段建筑領(lǐng)域的重要應(yīng)用形式，其在行業(yè)內(nèi)具有推動性作用，是創(chuàng)造高品質(zhì)工程項目的重要途徑，能夠為用戶提供高品質(zhì)的居住體驗?？傮w而言，鋼結(jié)構(gòu)住宅在質(zhì)量、成本等方面都具有優(yōu)良的表現(xiàn)，在未來將取得更廣泛的應(yīng)用，因此，值得工程人員在此方面深入探討，以進一步推動鋼結(jié)構(gòu)住宅建設(shè)事業(yè)的發(fā)展。