高層住宅鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計流程及應(yīng)注意的問題

王志軍

摘要：我國鋼結(jié)構(gòu)住宅起步很晚，只是改革開放后，從國外引進(jìn)了一些低層和多層鋼結(jié)構(gòu)住宅，才使我們有了學(xué)習(xí)與借鑒的機(jī)會。大規(guī)模研究開發(fā)、設(shè)計制造、施工安裝鋼結(jié)構(gòu)住宅還是近二三年才發(fā)展起來。由于具備其他結(jié)構(gòu)無法比擬的優(yōu)點，鋼結(jié)構(gòu)住宅已經(jīng)給住宅產(chǎn)業(yè)和建筑行業(yè)帶來了一場深層次的革命，從設(shè)計、施工、到一系列新材料的使用都出現(xiàn)了革命性的變化，因而在國際范圍內(nèi)代表了未來的住宅發(fā)展新模式。

關(guān)鍵詞：高層 鋼結(jié)構(gòu) 發(fā)展 設(shè)計 原則

0 引言

高層鋼結(jié)構(gòu)建筑在國外已有110多年的歷史，1883年最早一幢鋼結(jié)構(gòu)高層建筑在美國芝加哥拔地而起，到了二次世界大戰(zhàn)后由于地價的上漲和人口的迅速增長，以及對高層及超高層建筑的結(jié)構(gòu)體系的研究日趨完善、計算技術(shù)的發(fā)展和施工技術(shù)水平的不斷提高，使高層和超高層建筑迅猛發(fā)展。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在超高層建筑中由于自重大，柱子所占的建筑面積比率越來越大，在超高層建筑中采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受到質(zhì)疑；同時高強(qiáng)度鋼材應(yīng)運(yùn)而生，

在超高層建筑中采用部分鋼結(jié)構(gòu)或全鋼結(jié)構(gòu)的理論研究與設(shè)計建造可說是同步前進(jìn)。

1 鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計的原則

穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)的一個突出問題。在各種類型的鋼結(jié)構(gòu)中，都會遇到穩(wěn)定問題。對于這個問題處理不好，將會造成不應(yīng)有的損失。

根據(jù)穩(wěn)定問題在實際設(shè)計中的特點提出了以下三項原則并具體闡明了這些原則，以更好地保證鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計中構(gòu)件不會喪失穩(wěn)定。

1.1 結(jié)構(gòu)整體布置必須考慮整個體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求。

目前結(jié)構(gòu)大多數(shù)是按照平面體系來設(shè)計的，如桁架和框架都是如此。保證這些平面結(jié)構(gòu)不致出平面失穩(wěn)，需要從結(jié)構(gòu)整體布置來解決，亦即設(shè)計必要的支撐構(gòu)件。這就是說，平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出平面穩(wěn)定計算必須和結(jié)構(gòu)布置相一致。就如上述的1988年加拿大一停車場的屋蓋結(jié)構(gòu)塌落，1985年土耳其某體育場看臺屋蓋塌落，這兩次事故都和沒有設(shè)置適當(dāng)?shù)奈膿味斐沙銎矫媸Х€(wěn)。

1.2 結(jié)構(gòu)計算簡圖和實用計算方法所依據(jù)的簡圖相一致，這對框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計算十分重要。

目前任設(shè)計單層和多層框架結(jié)構(gòu)時，經(jīng)常不作框架穩(wěn)定分折而是代之以框架柱的穩(wěn)定計算。在采用這種方法時，計算框架柱穩(wěn)定時用到的柱計算長度系數(shù)，自應(yīng)通過框架整體穩(wěn)定分析得出，才能使柱穩(wěn)定計算等效于框架穩(wěn)定計算。然而，實際框架多種多樣，而設(shè)計中為了簡化計算工作，需要設(shè)定一些典型條件。

1.3 設(shè)計結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計算必須相互配合，使二者有一致性。

結(jié)構(gòu)計算和構(gòu)造設(shè)計相符合，一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計中大家都注意的問題。對要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節(jié)點連接，應(yīng)分別賦與它足夠的剛度和柔度，對桁架節(jié)點應(yīng)盡量減少桿件偏心這些都是設(shè)計者處理構(gòu)造細(xì)部時經(jīng)常考慮到的。但是，當(dāng)涉及穩(wěn)定性能時，構(gòu)造上時常有不同于強(qiáng)度的要求或特殊考慮。例如，簡支梁就抗彎強(qiáng)度來說，對不動鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時允許在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。然而在處理梁整體穩(wěn)定時上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉(zhuǎn)，同時允許梁在水平平面內(nèi)轉(zhuǎn)動和梁端截面自由翹曲，以符合穩(wěn)定分析所采取的邊界條件。

2 鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計流程

2.1 判斷結(jié)構(gòu)是否適合用鋼結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)通常用于高層、大跨度、體型復(fù)雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、高溫車間、密封性要求高、要求能活動或經(jīng)常裝拆的結(jié)構(gòu)。

2.2 結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的整個過程中都應(yīng)該被強(qiáng)調(diào)的是“概念設(shè)計”，它在結(jié)構(gòu)選型與布置階段尤其重要，對一些難以作出精確理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問題，可依據(jù)從整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、破壞機(jī)理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的設(shè)計思想，從全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細(xì)部措施。運(yùn)用概念設(shè)計可以在早期迅速、有效地進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇。所得結(jié)構(gòu)方案往往易于手算、概念清晰、定性正確，并可避免結(jié)構(gòu)分析階段不必要的繁瑣運(yùn)算。

2.3 預(yù)估截面

結(jié)構(gòu)布置結(jié)束后，需對構(gòu)件截面作初步估算。主要是梁柱和支撐等的斷面形狀與尺寸的假定。

鋼梁可選擇槽鋼、軋制或焊接H型鋼截面等。根據(jù)荷載與支座情況，其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之間選擇。翼緣寬度根據(jù)梁間側(cè)向支撐的間距按l/b限值確定時，可回避鋼梁的整體穩(wěn)定的復(fù)雜計算，這種方法很受歡迎。確定了截面高度和翼緣寬度后，其板件厚度可按規(guī)范中局部穩(wěn)定的構(gòu)造規(guī)定預(yù)估。

柱截面按長細(xì)比預(yù)估。通常50<λ<150，簡單選擇值在100附近。根據(jù)軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同，可選擇鋼管或H型鋼截面等。

2.4 結(jié)構(gòu)分析

目前鋼結(jié)構(gòu)實際設(shè)計中，結(jié)構(gòu)分析通常為線彈性分析，條件允許時考慮P-Δ，p-δ。

新近的一些有限元軟件可以部分考慮幾何非線性及鋼材的彈塑性能.這為更精確的分析結(jié)構(gòu)提供了條件。

2.5 構(gòu)件設(shè)計

構(gòu)件的設(shè)計首先是材料的選擇。通常主結(jié)構(gòu)使用單一鋼種以便于工程管理，經(jīng)濟(jì)考慮，也可以選擇不同強(qiáng)度鋼材的組合截面。構(gòu)件設(shè)計中，現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈塑性的方法來驗算截面，這和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算的彈性方法并不匹配。當(dāng)前的結(jié)構(gòu)軟件，都提供截面驗算的后處理功能。由于程序技術(shù)的進(jìn)步，一些軟件可以將驗算時不通過的構(gòu)件，從給定的截面庫里選擇加大一級，并自動重新分析驗算，直至通過，如sap2000等。這是常說的截面優(yōu)化設(shè)計功能之一。它減少了結(jié)構(gòu)師的很多工作量。

2.6 節(jié)點設(shè)計

連接節(jié)點的設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中重要的內(nèi)容之一。在結(jié)構(gòu)分析前，就應(yīng)該對節(jié)點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)計的節(jié)點與結(jié)構(gòu)分析模型中使用的形式不完全一致，這必須避免。按傳力特性不同，節(jié)點分剛接，鉸接和半剛接。

2.7 圖紙編制

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計出圖分設(shè)計圖和施工詳圖兩階段，設(shè)計圖為設(shè)計單位提供，施工詳圖通常由鋼結(jié)構(gòu)制造公司根據(jù)設(shè)計圖編制，有時也會由設(shè)計單位代為編制。由于近年鋼結(jié)構(gòu)項目增多和設(shè)計院鋼結(jié)構(gòu)工程師缺乏的矛盾，有設(shè)計能力的鋼結(jié)構(gòu)公司參與設(shè)計圖編制的情況也很普遍。

設(shè)計圖及施工詳圖的內(nèi)容表達(dá)方法及出圖深度的控制，目前比較混亂，各個設(shè)計單位之間及其與鋼結(jié)構(gòu)公司之間

不盡相同。初學(xué)者可參考他人的優(yōu)秀設(shè)計并參考相關(guān)的工具書，并依據(jù)規(guī)范規(guī)定編制。

3 鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計中應(yīng)注意的問題：

3.1 鋼結(jié)構(gòu)，有低層和多層之分。低層一般不超過3層，用于別墅；多層用于公寓。本文介紹多層公寓住宅鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中一些問題。

3.2 超過9層為高層。10～12層又稱小高層?？拐鹨?guī)范GB50011對12層以下和12層以上的房屋提出不同要求。住宅鋼結(jié)構(gòu)一般不宜超過12層。

3.3 結(jié)構(gòu)抗震性能與結(jié)構(gòu)布置規(guī)則性有很大關(guān)系。結(jié)構(gòu)布置不規(guī)則，地震時易損壞，而且除彈性設(shè)計外還要作彈塑性層間位移驗算。因此應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)布置符合規(guī)則性要求。

3.4 住宅鋼結(jié)構(gòu)的平面布置應(yīng)力求規(guī)則、對稱。住宅鋼結(jié)構(gòu)常見的布置不規(guī)則，主要是平面不規(guī)則。如平面形狀不規(guī)則，Ｌ形等，特別是支撐剪力墻偏置，明顯不對稱等。若樓層的最大彈性水平位移超過質(zhì)心水平位移的1.2倍就屬于平面不規(guī)則此時需對支撐剪力墻的配置進(jìn)行調(diào)整。

目前，國內(nèi)高層鋼結(jié)構(gòu)鋼材幾乎都從國外進(jìn)口，工程總承包由國外承擔(dān)，制造和安裝則由國內(nèi)廉價勞動力承包，隨著我國鋼產(chǎn)量的增加，鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用必然會越來越廣泛，也必然會產(chǎn)生越來越深遠(yuǎn)的影響。