多層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計(jì)與施工問題探討

王起敬

摘 要:本文通過分析多層鋼結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),針對(duì)設(shè)計(jì)與施工中的相關(guān)問題進(jìn)行探討,以期通過技術(shù)分析更好的發(fā)揮多層鋼結(jié)構(gòu)住宅的綜合應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵字:多層鋼結(jié)構(gòu);住宅;構(gòu)件設(shè)計(jì);施工

1 多層鋼結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

目前國(guó)內(nèi)在多層(一般為7層以下)鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑中常采用框架體系。這種體系是將梁柱構(gòu)件剛接,依靠梁柱受彎來承受豎向荷載和水平荷載。它的特點(diǎn)是可以做成大開間,充分滿足建筑布置上的要求。柱子采用軋制H型鋼或焊接工字鋼、方鋼管、圓鋼管或冷彎型鋼組合斷面(兩層以下),也可以采用鋼管混凝土,主梁、次梁一般均采用熱軋或焊接H型鋼。

梁與柱的連接節(jié)點(diǎn),一般采用焊接剛性連接節(jié)點(diǎn)。梁的腹板與柱連接常采用摩擦型高強(qiáng)螺栓通過連接板連接或通過連接板焊接;次梁與主梁連接節(jié)點(diǎn),通常采用鉸接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì),即只考慮次梁端部與主梁連接之間的剪力作用。

樓面和屋蓋體系一般是有以下幾種形式:壓型鋼板混凝土組合樓板、預(yù)制混凝土疊合板、現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板。由于壓型鋼板混凝土組合樓板具有施工速度快、平面剛度大,房屋凈空高的特點(diǎn),是一種比較理想的樓層形式。

鋼結(jié)構(gòu)住宅的外墻體一般采用外掛式輕質(zhì)復(fù)合墻板以減輕結(jié)構(gòu)自重。對(duì)于6層以下的多層住宅,也可采用內(nèi)嵌式加氣混凝土砌塊。外墻墻體材料主要有:蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土(ALC)板、GRC夾心復(fù)合板、鋼絲網(wǎng)水泥夾心板等。內(nèi)墻材料一般可采用加氣混凝土砌塊、紙面石膏板、纖維石膏板、玻璃纖維增強(qiáng)水泥板、紙面稻草板等。

2 多層鋼結(jié)構(gòu)住宅建設(shè)中的主要構(gòu)件設(shè)計(jì)

2.1 柱

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,所以應(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～l0,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宇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 樓蓋

在多層輕鋼房屋中,樓蓋結(jié)構(gòu)的選擇至關(guān)重要,它除了將豎向荷載直接分配給墻柱外,更主要的作用是保證與抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的空間協(xié)調(diào)作用;另外從抗震角度來看,還應(yīng)采用相應(yīng)的技術(shù)和構(gòu)造措施減輕樓板自重。常用的樓蓋結(jié)構(gòu)有:壓型鋼板一現(xiàn)澆混凝土組合樓板、現(xiàn)澆鋼筋混凝土板以及鋼一混凝土疊合板,而以第一種最為常用。目前,在多層輕鋼房屋整體分析時(shí),還普遍不考慮樓蓋與鋼梁的組合作用,即使設(shè)置抗剪鍵,也偏保守地假設(shè)鋼結(jié)構(gòu)承受全部荷載,這樣不僅增加材料用量和結(jié)構(gòu)自重,反而會(huì)造成強(qiáng)梁弱柱的不利情況。有一6層算例,考慮樓蓋組合作用對(duì)梁剛度以及結(jié)構(gòu)整體剛度的影響。算例表明,考慮組合作用后主梁的剛度大大增加,使得梁的撓度和地震作用下柱頂?shù)膫?cè)移大為減少,此考慮組合作用應(yīng)予關(guān)注。為使樓層高度減到最小,提供更大的空間,組合扁梁樓蓋也成為一種趨勢(shì)。

2.3 支撐體系

支撐分軸交支撐和近年發(fā)展起來的偏交支撐兩種,前者耐震能力較差,后者在強(qiáng)震作用下具有良好的吸能耗能性能,而且為門窗洞的布置提供了有利條件,目前國(guó)內(nèi)用的還很少,建議在高烈度區(qū)首選偏交支撐。常用的EBF偏交支撐形式此所示。剪切型耗能梁段.加勁肋按以下公式設(shè)計(jì):

a=29tw-d/5,(yp=±0.09rad)(1)

a=38tw-d/5,(yp=±0.06rad)(2)

a=56tw-d/5,(yp=±0.03rad)(3)

式中a—加勁肋間距.d—梁高,tw—腹板厚度,yp—塑性轉(zhuǎn)角;彎曲型耗能梁段還需在梁段端點(diǎn)外1.5bf處加設(shè)加勁肋

2.4 節(jié)點(diǎn)抗震

框架梁柱節(jié)點(diǎn)一般采用兩種連接方法,根據(jù)“常用設(shè)計(jì)法”,即翼緣連接承受全部彎矩,梁腹板只承受全部剪力的假定進(jìn)行設(shè)計(jì)。震害表明,這種設(shè)計(jì)不能有效滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”的抗震要求,在高烈度區(qū)隱患很大。改進(jìn)框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì),在梁端上下翼緣加焊楔形蓋板或者將梁端上下翼緣局部加寬蓋板面積或加大的翼緣截面面積主要由大震下的驗(yàn)算公式確定,式中:為基于極限強(qiáng)度最小值的節(jié)點(diǎn)連接最大受彎承載力,全部由局部加大后的翼緣連接承擔(dān):為梁件的全塑性受彎承載力:為基于極限強(qiáng)度最小值的節(jié)點(diǎn)連接最大受剪承載力,僅由腹板的連接承擔(dān);為梁的凈跨;為梁在重力荷載代表值作用下按簡(jiǎn)支梁分析的梁端截面剪力設(shè)計(jì)值。

3 多層鋼結(jié)構(gòu)住宅施工過程中應(yīng)注意的問題

3.1 鋼結(jié)構(gòu)的焊接

施工時(shí)制定的焊接順序:一般采用由平面中心向四周劃擴(kuò)展,采用結(jié)構(gòu)對(duì)稱、節(jié)點(diǎn)對(duì)稱焊,先焊鋼梁、后焊鋼柱;在同一節(jié)點(diǎn)處,采用雙人對(duì)稱焊接方法;同一節(jié)鋼柱的二層粱結(jié)構(gòu)先焊上層,后焊下層;同一層梁先焊一行或列中間接頭,然后向外擴(kuò)展;同一根梁先焊一端焊縫,等其冷卻后再焊 一端焊縫,嚴(yán)禁兩端同時(shí)焊接,以減少應(yīng)力集中;對(duì)同一梁節(jié)點(diǎn),安裝墊板后采用先焊下翼緣焊縫,再焊上翼緣焊縫。

在整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)施工焊接過程中質(zhì)量控制,嚴(yán)格遵循以下要求:雨天不安排焊工作業(yè);焊接過程中每一條焊縫的焊渣都要清理干凈,并認(rèn)真檢查焊縫質(zhì)量;焊接完畢后用角向打磨機(jī)將焊縫兩側(cè)各100mm范圍內(nèi)打磨干凈,以便探傷。對(duì)關(guān)鍵部位如挑梁、屋頂梁、鋼柱對(duì)接焊縫100%探傷檢查,其他部位按20%以上探傷檢查,檢測(cè)結(jié)果必須全部符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB11345-1989《鋼焊接手工超聲波探傷和探傷結(jié)果分級(jí)》規(guī)定的Ⅱ級(jí)上質(zhì)量要求,尤其是鋼柱對(duì)接縫、挑粱的焊接的99%以上焊縫焊接質(zhì)量必須達(dá)到I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)的除銹與涂裝

除繡和涂裝是保證鋼結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期耐久性要求的重要保證,項(xiàng)目施工中制定了嚴(yán)格的施工步驟和質(zhì)量控制措施。

除銹與涂裝質(zhì)量控制。一是構(gòu)件加工及安裝完成后,進(jìn)行全面除銹,及時(shí)進(jìn)行涂裝。二是運(yùn)輸、吊裝過程中,安排專人隨時(shí)檢查涂裝層,及時(shí)修補(bǔ)損壞處。三是安裝節(jié)點(diǎn)的螺栓和焊縫,經(jīng)檢查安裝質(zhì)量符合要求后,在限定時(shí)間內(nèi)完成除銹和涂層工作。

防繡漆質(zhì)量控制。鋼結(jié)構(gòu)在工廠涂裝二底防繡漆,現(xiàn)場(chǎng)只需對(duì)高強(qiáng)螺栓接頭、焊接接縫、運(yùn)輸?shù)跹b碰撞損傷部位進(jìn)行補(bǔ)涂。

防火涂料質(zhì)量控制?，F(xiàn)場(chǎng)涂裝防火涂料,涂裝前對(duì)涂裝部位表面進(jìn)行清理,按二級(jí)防火標(biāo)準(zhǔn)設(shè)汁要求的涂層厚度和遍數(shù)涂裝施工。

3.3 鋼梁、柱與砌體之間連接處的抗裂處理

為防止鋼梁、柱與砌體之間連接不牢,出現(xiàn)開裂、滲水現(xiàn)象,可采用在鋼柱上每隔400 mm焊接26拉結(jié)筋的處理方法,拉結(jié)鋼筋伸入墻內(nèi)1000mm。鋼粱、柱“H”形凹槽內(nèi)均用非規(guī)格加氣混凝土砌塊體填砌,外設(shè)置Φ4@150mm的鋼筋網(wǎng)片每邊伸出柱子翼緣350 mm,外部粉刷保溫砂漿。鋼梁與砌體的連接構(gòu)造與鋼柱相似。

結(jié)束語

多層鋼結(jié)構(gòu)住宅體系采用高強(qiáng)輕質(zhì)墻體材料和高頻焊接薄壁H型鋼,是降低建筑物自重的一個(gè)重要方法,也體現(xiàn)了相對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì),若其價(jià)格能進(jìn)一步降低,則鋼結(jié)構(gòu)體系的競(jìng)爭(zhēng)力將進(jìn)一步提高,從而使房地產(chǎn)開發(fā)商和住戶均能獲得較大收益,綜合應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。

參考文獻(xiàn)

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