鋼框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件選型比較

刁鵬展

(太原市建筑設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030002)

0 引言

梁板柱及基礎(chǔ)構(gòu)成鋼框架結(jié)構(gòu)，目前鋼框架梁一般采用焊接H型鋼梁，鋼次梁采用國(guó)標(biāo)窄翼緣H型鋼梁，也可采用上翼緣小下翼緣大組合鋼梁，基礎(chǔ)同一般鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)沒(méi)有大的區(qū)別，這兩方面選型大家沒(méi)有過(guò)多爭(zhēng)議，本文主要對(duì)鋼柱截面形式和樓板形式的選型做以下比較。

1 樓板

目前鋼框架樓板體系主要有:

1)現(xiàn)澆混凝土樓板;

2)SP預(yù)應(yīng)力混凝土空心樓板;

3)壓型鋼板樓板;

4)鋼筋桁架樓承板。

現(xiàn)澆樓板，缺點(diǎn)是不能適應(yīng)主體鋼結(jié)構(gòu)快速施工的要求，現(xiàn)場(chǎng)需采用施工速度較慢的木模或鋼模支模施工，不能實(shí)現(xiàn)多個(gè)樓層分層澆筑混凝土板的流水施工法，影響施工進(jìn)度，體現(xiàn)不出鋼結(jié)構(gòu)在安裝速度方面的優(yōu)越性，優(yōu)點(diǎn)是單從樓板費(fèi)用相比較低，實(shí)際工程中較少或者局部使用;SP預(yù)應(yīng)力混凝土空心板跨度大、承載力高，施工速度快，可以減少鋼次梁，節(jié)省用鋼量，但對(duì)原料質(zhì)量和過(guò)程控制要求高，加之成型工藝特殊(采用干硬性混凝土，密實(shí)度較難控制)，產(chǎn)品合格率低，由于板跨大，運(yùn)輸和吊裝的難度大，如果不加注意，很容易造成SP板意外損壞，目前較多用于工業(yè)建筑中，民用建筑比較少見(jiàn);本文重點(diǎn)比較下壓型鋼板樓板和鋼筋桁架樓板。

壓型鋼板樓板目前主要采用非組合樓板，主要原因:

1)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的板型多數(shù)是無(wú)壓痕及波槽，不能傳遞疊合面之間的縱向剪力，樓板抗剪連接件按組合樓板計(jì)算也不易滿足;

2)組合樓板中壓型鋼板，需采用防火涂料并增加相應(yīng)費(fèi)用，從造價(jià)上來(lái)講，沒(méi)有多大優(yōu)勢(shì)。鋼筋桁架樓板是國(guó)內(nèi)鋼構(gòu)公司從德國(guó)引進(jìn)的一種模板加樓板體系，就是采用0.5 mm厚的鍍鋅鋼板作為底模，上面預(yù)先制作好單向鋼筋籠，然后直接作為樓板安裝在鋼梁上。

這兩種樓板與普通混凝土樓板單比簡(jiǎn)單的價(jià)格，肯定沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，但比安裝速度，比工廠化生產(chǎn)，比現(xiàn)代化設(shè)備焊接及現(xiàn)場(chǎng)手工捆扎鋼筋，這樣就占絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，省卻了大量的支模工作，不僅節(jié)省了大量勞力，還減少了現(xiàn)場(chǎng)工作量，改善了工人的施工條件，現(xiàn)在的甲方對(duì)進(jìn)度較為重視，在最短的時(shí)間內(nèi)回收投資，減少風(fēng)險(xiǎn)，因此是目前比較常用的鋼結(jié)構(gòu)樓板。

兩種樓板孰優(yōu)孰劣，關(guān)于是采用鋼筋桁架板還是壓型鋼板樓板，從結(jié)構(gòu)可靠度上講沒(méi)有區(qū)別，無(wú)論是承載力還是耐火，但是概念上鋼筋桁架板要比壓型鋼板好，特別是鋼筋桁架組合樓板可改造性和可修復(fù)性要比壓型鋼板組合樓板好?；馂?zāi)條件下如果沒(méi)有達(dá)到耐火極限，火就被撲滅，那么鋼筋桁架樓板可修復(fù)的概率就高于壓型鋼板樓板，這與是否在壓型鋼板中配筋無(wú)關(guān)，即便是在壓型鋼板底部配筋，由于壓型鋼板破壞，雖然承載力可以修復(fù)，但外觀也是難以修復(fù)的，而鋼筋桁架板底板是平的，對(duì)層高和天花板處理均有利;從結(jié)構(gòu)計(jì)算角度來(lái)講，普通的壓型鋼板樓板由于垂直于板肋方向鋼筋無(wú)法布置，只能按單向板計(jì)算，而鋼筋桁架底模的鋼板幾乎沒(méi)有肋，通過(guò)增加一個(gè)方向的配筋就可以形成雙向板，可以減小板厚，增大跨度，受力模式更加合理，但樓板型號(hào)不可能選得太多，不如壓型鋼板靈活，配筋要考慮模數(shù)，配筋量大，稍有浪費(fèi);鋼筋桁架板因無(wú)相關(guān)的國(guó)家、行業(yè)規(guī)范，在設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)師不好操作，有顧慮;普通的壓型板有較為成熟的規(guī)范，能普遍的被設(shè)計(jì)單位接受;從施工安裝角度來(lái)講，由于鋼筋桁架板每塊板的重量相對(duì)較大，人工鋪板較困難，需要塔機(jī)配合。由于鋼筋桁架骨架的存在，做到施工時(shí)不設(shè)臨時(shí)支撐的跨度更大一些，次梁少，現(xiàn)場(chǎng)鋼筋綁扎量少，鋼筋排列均勻，上下層鋼筋間距及鋼筋保護(hù)層厚度有可靠保證，但現(xiàn)場(chǎng)鋼筋綁扎相對(duì)壓型鋼板樓板比較困難。在雨季施工時(shí)，桁架模板鋼筋會(huì)有銹蝕，鋼筋除銹工作量不小。還有鋼筋桁架板供應(yīng)廠家比較少，目前主要集中在長(zhǎng)江三角洲和京津唐地區(qū)，運(yùn)輸比較麻煩，因運(yùn)輸距離造成的成本不能忽視，而壓型鋼板由于非常輕便，堆放、運(yùn)輸及安裝都非常方便，這方面優(yōu)勢(shì)相對(duì)比較明顯。

2 鋼柱

目前純鋼框架采用的鋼柱主要有圓鋼管柱，H形鋼柱，十字形柱，箱形柱。圓鋼管柱由于節(jié)點(diǎn)麻煩，同建筑平立面不好配合，實(shí)際工程中只是在建筑中局部使用;H型鋼柱由于弱軸方向的力學(xué)性能相對(duì)于強(qiáng)軸有較大差距，不太適用于框架的受力。一般在弱軸方向設(shè)置支撐體系，做成“框架—支撐結(jié)構(gòu)”(這種結(jié)構(gòu)體系不是本文討論的范疇)。

H型鋼柱弱軸長(zhǎng)細(xì)比、腹板的寬厚比、結(jié)構(gòu)整體弱軸方向的剛度及節(jié)點(diǎn)域在結(jié)構(gòu)計(jì)算中都不容易滿足，而且弱軸與鋼梁連接節(jié)點(diǎn)也比較麻煩，因此在跨度較大，層高較大，層數(shù)較高的高烈度區(qū)框架結(jié)構(gòu)體系中很少使用。

十字形柱沒(méi)有弱軸，破壞模態(tài)屬于局部屈曲的塑性破壞，且塑性變形主要發(fā)生在彎矩作用平面的翼緣上。其受彎承載力、延性及抗震承載力較好，但與圓管柱、箱形柱比，其抗扭性能較差，特別是在高軸壓比下變形很快，一般與鋼筋混凝土組合形成型鋼混凝土組合柱受力性能更好?？紤]到本身截面特性使得腹板不易出現(xiàn)塑性鉸，鋼規(guī)和抗規(guī)只對(duì)工字形和箱形柱的腹板高厚比有要求，對(duì)十字柱沒(méi)有要求，腹板板厚可以做的很薄，節(jié)省材料。十字柱是屬于異型柱范圍，具體工藝要根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)來(lái)確定，一般的情況下，首先可以將十字柱拆成一個(gè)工字和兩個(gè)T形分別加工，其工藝要嚴(yán)格按這兩種構(gòu)件的工藝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，然后加隔板進(jìn)行組焊，十字柱的難點(diǎn)就是在最后的這一道工序，其工藝要視具體設(shè)計(jì)尺寸和要求來(lái)定，對(duì)隔板要求進(jìn)行銑加工或使用數(shù)控下料以保證90°角。由于內(nèi)側(cè)有兩道腹板，截面特性造就了十字形柱受彎承載力沒(méi)有充分發(fā)揮，外側(cè)的翼緣也不能做的太寬，一則因?yàn)槭窃诹叶葏^(qū)寬厚比的要求，翼緣過(guò)寬板厚就得加厚，材料比較浪費(fèi)，二則是因?yàn)橐砭夁^(guò)寬，柱子中間的加勁板較難焊接施工;由于翼緣較窄，梁柱中心線需對(duì)齊，對(duì)于一些建筑功能布局比較緊張的房間(如樓電梯間，管井，外墻立面)難滿足，其他相關(guān)建筑設(shè)備專業(yè)不好配合，對(duì)建筑限制較多。另外十字形柱由于截面內(nèi)部板材較多且不封閉，導(dǎo)致不易涂刷防火涂料，涂刷面積較大，防火費(fèi)用較高。

箱形柱由于兩個(gè)方向的受力性能基本一致，更符合框架縱橫向均勻受力的特性，尤其是對(duì)于雙向地震作用的鋼框架結(jié)構(gòu)，這種特性就更為明顯。箱形柱的截面寬度要比鋼梁翼緣寬度大很多，在跨度不是特別大的結(jié)構(gòu)中一般比較容易實(shí)現(xiàn)強(qiáng)柱弱梁，通過(guò)在節(jié)點(diǎn)處加寬梁翼緣，可以很容易實(shí)現(xiàn)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的要求，目前國(guó)內(nèi)由于技術(shù)等因素，多采用手工組對(duì)，而箱形柱的工序較復(fù)雜，所用到的焊接方法較多，焊接越多，變形也就越大，造成的累積誤差(變形和裝配精度)也就大，施工不好安裝。箱形柱內(nèi)隔板需采用電渣焊工藝，按目前國(guó)內(nèi)的水平，一般要求板厚要做到16 mm以上，過(guò)小的板厚容易燒穿，板件變形大，也就意味著箱形柱截面不能過(guò)小，小截面的箱形柱很不合算。箱形柱的制作成本相對(duì)比較高，每噸加工費(fèi)用要比H型鋼高出1 000元～2 000元，但箱形截面柱便于涂刷防火涂料和柱子的外包裝修。

3 結(jié)語(yǔ)

由于鋼筋桁架板和箱形柱供應(yīng)廠家少，對(duì)于面積不大，功能要求不很苛刻的建筑，宜優(yōu)先采用壓型鋼板樓板和工字形柱或者十字形柱。對(duì)于規(guī)模較大，層高要求嚴(yán)，建筑布局緊張，功能較復(fù)雜的建筑可以考慮采用鋼筋桁架板和箱形柱，畢竟鋼筋桁架板，箱形柱從受力模型上更合理，與其他專業(yè)更好配合，在當(dāng)前甲方看重方案的國(guó)情下更容易實(shí)現(xiàn)建筑師的意圖。具體到實(shí)際工程，設(shè)計(jì)師還應(yīng)從造價(jià)(包括材料，人工費(fèi)用)、受力特點(diǎn)、建筑功能規(guī)模、耐久性、防火費(fèi)用及工期等各個(gè)方面做綜合比較。

［1］《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》編委會(huì).鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.第3版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

［2］陳富生，邱國(guó)樺，范 重.高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

［3］鋼結(jié)構(gòu)論壇(www.okok.org).