多层钢结构住宅结构设计探讨.pdf

江苏建筑 2 0 1 1 年第 5期 总第 1 4 3 期 4 9 多层钢结构住宅结构设计探讨 曹飞 安徽省 投 资集 团公 司 ， 安 徽合 肥2 3 0 0 2 2 【 摘 要] 从住宅建筑的发展来看， 钢结构住宅具有强度高、 自 重轻、 抗震性好、 施工污染少、 可循环再生、 使用率高等一系 列优点 ． 发展 钢结构住 宅可提 高住 宅的产业化水平和居住功能水准 。文章对 多层钢结构住 宅结构设计进行探讨 。 【 关键 词】 钢结构； 多层住宅； 结构设计 [ 中图分 类号】 T U 3 9 1 T U 2 4 1 ． 7 【 文 献标 识码 ] A[ 文章 编号 ] l 0 0 5 6 2 7 0 { 2 0 1 1 0 5 0 0 4 9 0 3 Di s c us s i o n o n M u l t i - s t o r e y S t e e l Bu i l d i n g St r uc t ur e De s i g n CA0 Fe i De p a r t me n t o f R a i l wa y I n v e s t me n t o f An h u i P r o v i n c e I n v e s t me n t Grou p ， He f e i An h u i 2 3 0 0 2 2 C h i n a Abs t r a c t F r o m t he p e r s pe c t i v e o f t h e d e v e l o p me nt o f r e s i d e n t i a l b ui l d i n g ， s t e e l s t r u c t u r e h o u s i ng h a s a n u mb e r o f a d v a n t a g e s w i t h l i g h t w e i g h t ，r e s i s t a n c e t o s h o c k ，g o o d s e i s mi c r e s i s t a n c e， l e s s c o n s t ruc t i o n p o l l u t i o n ，r e c y c l e d us a g e ， t h e h i g h u s a g e r a t e ．S t e e l r e s i de nt i a l d e v e l o p me n t c a n i n c r e a s e t h e d o me s t i c s t e e l i n d us t r y l e v e l a nd s t a n da r d o f l i v i n g f u n c t i o ns ．I n t hi s p a p e r ，d e s i g n o f mu l t i s t o r e y s t e e l b ui l di n g s t r uc t ur e i s e x p l a i ne d． Ke y wor ds s t e e l s t ru c t u r e ；mul t i - s t o r e y bu i l d i n g；s t r u c t u r a l d e s i g n 0前 言 钢结 构是以钢材为材料做成受力 构件 的结构 。钢结 构 与其它结构相 比， 在使用 功能 、 设计 、 施工 以及综 合经济 方 面都 具有优势 。 钢结构住宅 以 自重轻 、 基础造价低 、 施工快 、 周期 短 、 投资 回收快 、 施工 污染 环境 少 、 抗 震性 能好 等综 合 优势 而受 到各方的重视 。 1 钢结构住宅的应用优 势 钢结构在住宅 建筑 中应用 的优势 主要 体现在 以下几个 方 面 1 ． 1 ’设计 制造周期短， 设计生产一 体化 现代结 构设计 借助 于计算 机和专 业化结 构分 析 软件， 使得 设计周期大大 缩短。 设计 中的修 改和调 整非常方 便 。 同时， 由于钢结 构具有工厂 预制 、 现 场安装 的特点， 可 以将 前期设计 和现场 的生产手段 相结合， 通过 网络计算 机和数 控机 床结 合， 使 设计 人员在 工作 室 中完成设计 后，即由工 厂 的生产线完成产 品制作， 具 有极高 的效率和精确度 ， 可 以 大大减少项 目建设周期 。 1 ． 2有 利 合 理 布置 功 能 区 间 在居住建 筑中． 建筑师 和居 民一 直希望 能够有 大跨 的 无竖 向结 构 的空间， 这样， 可以根据 需求进 行灵活 隔断， 使 室 内布置呈 多样化 。传 统住宅 由于所用 材料 的性 质， 限制 了空间布置 的 自由。钢结构 住宅可 以利用钢材强度 高的特 点。 采用大开间柱 网布置， 使建 筑平面分 隔灵 活， 可以利用 非承重墙体灵 活分 隔室内空间， 形成开放式住 宅。同时， 利 用钢结 构连接简单 的特点， 在垂 直平面 内比传统结构 能更 好地应用错层 、 跃层结构 。 由于钢结 构住 宅的构件截面尺寸 小， 可 以增 加使 用面积， 提高得 房率 。 l - 3 承 载强度高， 抗震性能好 相 同的荷载， 钢结 构截面最小， 相 同的截 面， 钢结 构承 载力最大 。在抗震设 防区。 由于钢结 构重量轻． 6层轻钢住 宅 的重量仅 相 当于 4层 砖混结 构 的重量，因此 ， 本身所 受 的地震作用小； 而且， 钢材具有 高延性， 有较好的耗 能能 力， 因此。 抗震 性能好． 结构安全度 高。 1 ．4施工优 势突出， 综合造价低 现 浇 混 凝 土 需 要 连 续 施 工 ． 在 我 国 北 方 地 区 受 到 施 工 季节 的影 响。钢结构 的大部分 构件在 工厂生产 ． 运往 现场 通过焊接或 螺栓进行 整体组装 ， 可全天候作 业。施工 现场 作业量小， 减少 了施 工临时用地， 对周 围环境 污染小， 提高 了施工的机械化水平 。施工 时可以节省支模 、 拆模 的材料 。 由此降低成 本， 大 大加快施 工速度 。资金价值 在施工 中充 分体现， 减 少资金 成本 ． 对 开发 商的销售 和资 金 回笼 极为 有 利 。钢 结 构 承 载 力 高 ，可 以 实 现 结 构 的 大 开 间 布 置 ，构件 截面小，自重 比较轻， 地基的处理 比较容易， 可以采用天然 基础形式 。由于基础在 工程造价 中 占有 比重 比较 大， 上部 结构重量轻可 以降低基 础的造价， 从 而减少整个 项 目的投 资 。 【 收稿 日 ] 1 2 0 1 1 0 4 【 作者简介】 曹 飞 ， 男 ， 安 徽 省 投 资 集 团 公 司 ， 工 程 师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 0 江苏建筑 2 o i l 年第 5期 总第 1 4 3 期 2结构 体 系选 择 与 结 构 布 置 多 层 钢 结 构 住 宅 可 以选 用 的 建筑 结 构 体 系 主要 有 纯 框 架 体 系 、 框 架 一 支 撑 体 系 、 交 错 桁 架结 构 体 系 等 。 2 ． 1 框 架 体 系 和 框 架 一 支 撑体 系 框架体系是由基础 、 柱 、 梁 、 板结构件组成。 框架 结构体 系平 面布置灵 活， 可提供较大 的室 内空间， 结 构各部分刚度 均匀． 结构有较好的延性， 自振周期较长， 延性较好； 但框架结 构的侧 向刚度较小， 在 水平荷载作用 下位移较大， 易引起非 结构构件破坏。 在房屋层数较 多时， 为增加横 向抗侧移刚度， 同时减小柱子 的计算长度 增强稳定性， 可采用框 架一支撑 体 系 。框 架一 支撑 体 系在 梁 柱 框 架 基 础 上 沿 竖 向布 置 抗 剪 支撑构件，水平剪力主要 由腹杆轴力 的水平分 量承担而不 是 南 柱 承 受 。 多层住宅框架体系和框架一支撑体系的梁柱截面可采 用轧制或焊接 H形截面 、 方钢 管等， 支撑构 件多采用角钢或 部分 T型截 面。在 7 。 抗震设 防 区多层 住宅 的用 钢量多 在 3 5 k g ／ m z ～ 4 0 k g ] m 2 。 在结构平 面布置 卜宜采用 大梓 网 、 大 开问的结构布置形式， 柱距 5 m ～ 8 m较常见 。 框架柱 在房 屋横 向 、 纵 向成 列布置 、 不宜错开太 多， 若设 置支撑构件时， 应 注 意 避 让 门窗 洞 口或 设 在 无 孔 口的 分 户 墙 中 。 2 ． 2 交错桁架结构体系 交错 桁架结构体系的基本组成是柱子 、 桁架 、 梁 和板 。 柱子仅布置在 房屋周围， 不 设中间柱 。 桁架 跨度等于建筑 全宽。 高 度等于楼层高度， 桁架两端 支承在外 嗣柱上， 在相邻 柱轴线上为上 、 下 层交错布置。 而楼板一端支承在桁架 的 上弦杆． 另一 端悬挂在相邻桁 架 的下 弦杆 。 建筑纵 向外 围 各柱通过连梁连接。建筑水平荷 载主要被桁架 中斜腹杆轴 力的水平分量所平衡．水平荷 载最终通 过落地桁架的斜腹 杆或底层 斜撑传至基础 。 桁架杆件截面可采用 角钢 、 焊接 T型 、 H 型 或 方 管 截 面 。 柱截 而 通 常 采 用 H 型 、钢 管 等 。 交错桁架结构体系 中杆件受力合 理，大部分杆件 以受轴心 力为主 ． 用钢 量节约 ， 在 7 o 抗震设防 区， 其用钢量 较框架结 构 节 约 1 0 ％左 右．当建 筑 横 向 尺 寸 较 大 ，这 一 优 势 将 更 明 显 ； 桁 架结构抗侧移 刚度大 ， 位移也较小 ， 柱强轴 可布置在 纵向 ． 以加大结构纵向侧移刚度。 交错桁架结构体系结构布 置时注意使一层桁架 的斜腹杆落地 与基础 梁连接 或通过 底层 斜撑传至基础 。 否则结 构水平位移过 大， 难 以满 足规范 要求 还应注意水平 、 竖向结 构布置要做到规则对称 。 从结 构布置上说 ，交错桁架结构体系可以提供两倍于框架结构 体系 的更大开问． 进深也大大增加 。 可 以提供更大的使用面 积 。 此外， 交错桁架结 构体 系柱子数 目较少， 所 以基础数量 较少， 能够进一步节约材料 。 在设计 中采用何种结构 体系， 应综 合考 虑多种影 响因 素 。 除分析 建筑高度 、 受力 特点 、 合理 柱网尺寸 等结构 因 素 外 ， 还 应 该 考 虑 施 工 的 难 易 程 度 、 用 钢 量 、 施 工 速 度 、 造 价 、 宜改变布置的大空问更适应现代生活等因素的影 响。 3节点设计及结构计算 图 1 钢框架体系 图 2交错 桁 架体 系 在钢 结 构 住 宅 体 系 中，节 点 的设 计 相 当重 要 。 节 点 设 计 不仅应做到传力可靠 连接 方便 ．还应该注意节点 的受 力 特征应和计算模型相 吻合， 这样才能保证结 构的安全可靠 。 按传 力特征来分， 钢结 构节点可分为 铰接 、 刚接和半 刚接 节 点 。 铰接节点构造简单， 在 受弯构件 中引起跨 中弯矩较大， 用 钢量增 多； 剐接节点连接 可减小跨中弯矩， 节 约用钢， 但构造 较复杂 。 在框架结构多层住宅 中， 柱 多采用 H型截面， 强轴 布置在横 向， 横 向梁柱通 常为剐接节点 。 纵 向腹板一般较薄， 亦可采用铰接节点 。框架一支撑结构 中梁柱节点可 以是铰 接或半刚接 。 支撑与构件的连接 、 交错桁架结构 中桁架杆件 的连接 、 桁 架 与柱连接通常设计 为铰接节点 。 交错桁架结 构 中纵 向连梁与柱可设计为刚接 。 存刚性 连接 中， 应审视节点 域的问题． 节点域 直接影响 到 节 点 的 强 度 、 网 4 度 、 变 形 及 抗 震 性 能 。 当 节 点 域 验 算 不 满足 时． 不廊该简 单的调整构件 截面尺寸． 这样 可能带来用 钢 量 的大 量 增 加 ， 可 以考 虑 采 用 在 柱 腹 板 处 贴 焊 补 强 板 、 梁 上下翼缘加楔形盖板 、 狗骨法等方法解决 。 多层 钢结 构住宅 设计计 算可 采用 设计 单位 较普 及的 S T S 、 M T s 、 S A P 2 0 0 0 、 A N S Y S等钢结构设计软件 。 对计算结 果要逐一 审核 ， 包含周 期 、 位移 、 应力 比等 方面， 应重 视结构 设计的优化以节约用钢量。 4围护 墙 体 的选 取 为 突出钢结 构 自重 轻、 布置灵 活 、 可改性 好的 特点， 钢 结构住宅不 宜采用传统 的“ 砖 ” 类 或其它 自重较 大的材料 。 而多采用“ 板 ” “ 块 ” 类墙体 。 在 多层住宅 中， 可选择加 气混 凝土砌块 、 压型钢板加 轻质保温材料组成 的复合墙 体 、 蒸压 轻质加气混凝t A L C 板 、 钢丝 网水泥增 夹芯板等墙体。 A L C 板是 目前应用较 多的一种墙体材料 。内墙也可采用纸 面石 膏板 、 纤 维石膏板 、 玻璃纤维增强水泥板 、 纸 面稻草板等。 5 楼 盖 体 系 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 1年第 5期 总第 1 4 3期 多 层 钢 结 构 住 宅 房 屋 的 楼 板 不 仅 起 着 传 递 竖 向荷 载 的 作用 在水平 荷载作 用下。 还 起着保 证抗侧 力构件 空间协 调 的作用 。 因此． 楼板 必须 有足够的承载力 、 刚度和整体性 。目 前。 钢结 构住 宅中较多地采用压 型钢 板混凝土组合楼板 。由 于 组 合 楼 板 担 负 着 传 递 水 平 力 的作 用 ．故 而 钢 梁 与 压 型 钢 板连接处 应设置必要 的栓钉．压型钢 板组合楼板 有蝶 型压 型钢板楼 板 、 劲 扣式压型钢板 楼板等． 对钢结构住 宅可采 用 劲 扣 式 压 型 钢 板 。 其 内 口封 闭 。 平 整 的 板 底 外 观 不 需 要 再 做 吊顶 。 6防 火 防 腐 做 法 钢材 耐火性能差 。 温 度达 到 6 0 0℃时， 钢材 基本 丧失 强 度 和刚度， 钢 材容易锈 蚀， 锈 蚀后截 面面积 减小引 起构件 承 载力 降低 。 钢结构建筑 的防火防腐是一个特别 重要的问题 。 常用 的防火措施 有防火涂 料法 、 隔离 法 、 实心包 裹法 、 膨胀 漆覆盖法等 。 从施工等 角度 考虑， 多层住 宅中可根据钢结构 的部位不 同分别采用厚 型或薄型 防火涂料，并在露 明部位 加涂装饰漆来 防火 。钢结 构的防腐一般采用 工厂制作时涂 刷防锈漆 解决， 除这种必 须采取 的 防锈 措施外， 尚应 注意构 造防腐． 即设计 中尽量避免 出现难于检查 、 清刷 和油漆 之处， 避免 出现能积 留湿气 和大量灰尘的死角或 凹槽 。这些构造 措施 可为减缓 钢结 构 的锈 蚀速度 创造 一个 良好 的环境 ， 对 钢 结 构 防 腐 起 着 积 极 的 作 用 。此外 ． 选 材 上 可 以考 虑 采 用 耐 火 耐候 钢等防火 防腐 性能优 良的钢材，这样可 减少 防火涂 料 的使用量， 省去防锈漆， 大大节约后期维护工本， 不仅 如此， 耐火耐 候钢还具有 自愈性和永久 性，即在钢材使用 中表 面 受擦撞或火 灾后 ， 其耐火耐候性 不变。 7结 语 总之．钢结 构住 宅体 系具 有混凝土 结构所无法 比拟 的 优点． 如抗震 性能好 、 施工 快 、 造价合理 等 。在我 国努力建 设 节 约 型 社 会 、 大 力 推 广 住 宅 产 业 化 的 形 势 下 ，钢 结 构 体 系必将 成为住宅体 系 的主流， 钢结构住 宅体系 的发 展和应 用一定会有 广阔的前景 。 本文立 足设计 的角度， 对钢结构住 宅 的发 展进行介绍 ，提出 了多层钢 结构住宅 中应 注意的几 个 问题并 就相应的解决措施进行 了探讨 。 参 考 文 献 【 1 】 G B 5 0 0 1 7 2 0 0 3钢 结构设 计规 范[ S 】 ． 北京 中国计 划 出 版 社 ， 2 0 0 3 _ [ 2 】 J G J 7 2 0 1 0空间 网格 结构技 术规 程[ S 】 ． 北京 中国建 筑 工 业 出版 社 ． 2 0 1 0 ． 【 3 】 C E C S 2 0 0 2 0 0 6建 筑钢结 构防 火技 术规 范【 S 】 ． 北京 中 国计 划 出版 社． 2 0 0 6 ． 上接 第 4 8页 以上各条均体现 了人 防地 下室结构设计经济合 理性 的 要求 。除此之外 ， 还 应坚持 以下几个设计 原则 1 对 没 有 爆 炸 动荷 载 或 常 规 武 器 作 用 部 位 ， 则 不 应 考 虑有等效荷载作用 ，并且一 般不考虑压缩波 和空气 冲击波 两者同时作用 。 2 人 防构件考虑塑性 阶段工作 。 由于构 件在塑性 阶段 工作 可 比仅在弹性 阶段工作 吸收更多的荷载能量 ，以此可 充分 利用材料潜力 ， 如钢筋混凝土受弯 构件 ， 在屈 服后 还要 经历很大变形才会完全坍塌 ， 如考虑塑性 阶段工作 ， 可承受 更大动力荷载 ， 因此 有较 大经济意义 。 3 在 防 空 地 下 室 设 计 中 ， 不 能 直 接 采 用 静 力 作 用 下 计 算图表进行截面设计 ． 否则将造成不应 有的浪费 。 这是 由于 加入综合 调整系数使得等效静荷 载与其等量的静荷载 并不 等价 。在抗 弯验算 中， 其差异 恰好反应在综合调 整系数上 ， 而在抗剪 、抗 压验 算中 ，其差异 除了与综 合调整 系数 有关 外 ， 还与材料强度折减 系数 等有关 。 4 门框墙的设计一般是按悬 臂梁计算 ， 但需注意 的就 是 因平 时使用 时需要的 出入 口通 道均较宽 。而战时 又相应 较窄 ， 这样有可能会使 门框墙 的悬臂长度过 长 ， 而使水 平筋 过 大 ， 这 种情况 下 ， 可 考虑在 不影响 功能使用 的前 提下 ， 加 设柱 、梁 改变门框墙的受力形式 ，得 到较为经济 的设 计效 果 。 9结 语 爆 炸动 荷载与结 构物之 间的相互 作用机 理相 当复杂 ， 目前规范 中的很 多计 算公式还是半理论半 经验性 质的 。所 以 防 空 地 下 室结 构设 计 更 强 调 概 念 设 计 和结 构 构 造 ，在 很 多方面有不 同于普 通地下室结构设计 的要求 ，且要 求更加 严格 ， 比如跨 中拉筋伸人支座 的锚 固长度要增加 ， 钢筋搭接 截面和最大受力截 面处的箍筋间距要加密 ，主筋最 小配筋 率和最小配箍率 可能要适当提高 。墙板 中的钢筋一 般要求 双层双 向等等 。 我们要 理解 人防结构设计 的内涵 ， 把握其 内 在本质 ． 才能做出合格 的设计 。 参 考 文 献 [ 1 】 G B 5 0 0 3 8 2 0 0 5人 民防空地 下 室设计规 范f S 】 ． 中 国建筑 工 业 出 版 社 ． 2 o 0 5 ． [ 2 】 G B 5 0 2 2 5 2 0 0 5人 民防 空工程设 计规 范【 S 】 ． 中国建筑工 业 出版 社 ． 2 0 0 5 ． [ 3 】 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2混凝土结构设 计规 范[ S 】 ． 中国建 筑工业 出版社 ． 2 0 0 2 ． [ 4 ] G B S O 0 1 1 - 2 0 1 0建筑抗 震 设计 规 范【 S 】 ． 中 国建筑 工业 出版 社 ． 2 O1 0 ． 【 5 】 人 民防 空地下 室设计规 范 管理组 编． 防空地 下室设 计 教 材 f M】 ． 【 6 】 曹继 勇， 张尚根． 人 民防 空地 下 室结构设 计[ m1 ． 中国计 划 出版 社 ． 2 0 o 6， 8 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m