多層民用輕鋼住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)探討

文/高維維 沈陽沈飛集團(tuán)鋁業(yè)幕墻工程有限公司 遼寧沈陽 110000

鋼結(jié)構(gòu)住宅具有重量輕、抗震性能好、可現(xiàn)場裝配的優(yōu)勢,符合住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展戰(zhàn)略。目前,鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用于低、多高層住宅在結(jié)構(gòu)體系上已經(jīng)較成熟,但與之配套的圍護(hù)體系、關(guān)鍵的應(yīng)用技術(shù)研究卻相對滯后。因此本文對住宅輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。

1、結(jié)構(gòu)體系的選擇

建筑層數(shù)越多，高度越高，則由于風(fēng)力或地震力引起的側(cè)向力就越大，建筑物必須有相應(yīng)的剛度來抵抗側(cè)向力。因此，結(jié)構(gòu)體系也就需要不斷的發(fā)展。目前，多層和小高層鋼結(jié)構(gòu)建筑常用的結(jié)構(gòu)體系有以下幾種。

（1）框支結(jié)構(gòu)體系。純框架在風(fēng)、地震荷載作用下，側(cè)移不符合要求時，可以采用帶支撐的框架，即在框架體系中，沿結(jié)構(gòu)的縱、橫兩個方向布置一定數(shù)量的支撐。在這種體系中，框架的布置原則和柱網(wǎng)尺寸，基本上與框架體系相同，支撐大多沿樓面中心部位服務(wù)面積的周圍布置，沿縱向布置的支撐和沿橫向布置的支撐相連接，形成一個支撐芯筒。采用由軸向受力桿件形成的豎向支撐來取代由抗彎桿件形成的框架結(jié)構(gòu)，能獲得比純框架結(jié)構(gòu)大的多的抗側(cè)力剛度，可以明顯減小建筑物的層間位移。

（2）框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系。在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻可以組成框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)以剪力墻作為抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，既具有框架結(jié)構(gòu)平面布置靈活、使用方便的特點(diǎn)，又有較大的剛度。當(dāng)鋼筋混凝土墻沿服務(wù)性面積（如樓梯間、電梯間和衛(wèi)生間）周圍設(shè)置，就形成框架多筒體結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)體系在各個方向都具有較大的抗側(cè)力剛度，成為主要的抗側(cè)力構(gòu)件，承擔(dān)大部分水平荷載，鋼框架主要承受豎向荷載。

2、主要構(gòu)件設(shè)計(jì)

2.1 柱子

鋼結(jié)構(gòu)住宅一般為大開間，框架柱在兩個方向都承受較大的彎矩，同時應(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3～10，勢必造成材料浪費(fèi)。因此對于軸壓比較大，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。對于方鋼管混凝土柱，不僅截面受力合理，同時可以提高框架的側(cè)向剛度，防火性能好，而且結(jié)構(gòu)破壞時柱體不會迅速屈曲破壞。因此，盡管平面受力結(jié)構(gòu)中，選用H型鋼或I字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)場施工，應(yīng)加大力度開發(fā)研究。

2.2 樓面屋蓋結(jié)構(gòu)

樓面和屋蓋必須有足夠的強(qiáng)度，剛度和穩(wěn)定性，同時應(yīng)當(dāng)盡量減少樓板厚度，增加室內(nèi)凈高。壓型鋼板-混凝土組合樓蓋是目前應(yīng)用較為廣泛的形式。它具有施工速度快，平面剛度大，增加房屋凈高的優(yōu)點(diǎn)。具體做法是在鋼梁上鋪設(shè)壓型鋼板，再現(xiàn)澆100～150mm混凝土。在鋼梁上焊接足夠的剪力連接件，使鋼梁與混凝土協(xié)同工作構(gòu)成組合樓蓋。這種做法耗鋼量較大，且需防火處理。可以用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土薄板取代壓型鋼板。此外，預(yù)應(yīng)力圓孔板、迭合板、組合扁梁也是常用形式。

2.3 支撐和剪力墻形式

多層框架鋼結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向剛度較弱，隨著層數(shù)的增加，為了抵抗水平地震作用，減小層間錯移，常在墻體內(nèi)布置垂直支撐，為了方便門窗開洞，支撐形式可以靈活采用，如X型、單斜桿型、K型、M型、W型、V型和人型等。建議多采用偏心支撐，因其在地震作用下具有較好的延性和耗能性能。

剪力墻按其材料和結(jié)構(gòu)的形式可分為鋼筋混凝土剪力墻、鋼筋混凝土帶縫剪力墻和鋼板剪力墻等。鋼筋混凝土剪力墻剛度較大，地震時易發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致墻體產(chǎn)生斜向大裂縫而脆性破壞。為避免這種現(xiàn)象，可采用帶縫剪力墻。鋼板剪力墻是以鋼板做成剪力墻結(jié)構(gòu)，與鋼框架組合，起到剛性構(gòu)件的作用。

3、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)分析前，就應(yīng)該對節(jié)點(diǎn)的形式有充2分思考與確定。常常出現(xiàn)的一種情況是，最終設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)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。

具體設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容：

3.1 焊接

對焊接焊縫的尺寸及形式等，規(guī)范有強(qiáng)制規(guī)定，應(yīng)嚴(yán)格遵守。焊條的選用應(yīng)和被連接金屬材質(zhì)適應(yīng)。E43對應(yīng)Q235，E50對應(yīng)Q345.Q235與Q345連接時，應(yīng)該選擇低強(qiáng)度的E43，而不是E50.

焊接設(shè)計(jì)中不得任意加大焊縫。焊縫的重心應(yīng)盡量與被連接構(gòu)件重心接近。其他詳細(xì)內(nèi)容可查規(guī)范關(guān)于焊縫構(gòu)造方面的規(guī)定。

3.2 栓接

鉚接形式，在建筑工程中，現(xiàn)已很少采用。

普通螺栓抗剪性能差，可在次要結(jié)構(gòu)部位使用。

高強(qiáng)螺栓，使用日益廣泛。常用8.8s和10.9s兩個強(qiáng)度等級。根據(jù)受力特點(diǎn)分承壓型和摩擦型。兩者計(jì)算方法不同。高強(qiáng)螺栓最小規(guī)格M12.常用M16～M30.超大規(guī)格的螺栓性能不穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中應(yīng)慎重使用。

自攻螺絲用于板材與薄壁型鋼間的次要連接。國外在低層墻板式住宅中，也常用于主結(jié)構(gòu)的連接。

3.3 連接板

可簡單取其厚度為梁腹板厚度加4mm.然后驗(yàn)算凈截面抗剪等。

3.4 梁腹板

應(yīng)驗(yàn)算栓孔處腹板的凈截面抗剪。承壓型高強(qiáng)螺栓連接還需驗(yàn)算孔壁局部承壓。

3.5 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)必須考慮安裝螺栓、現(xiàn)場焊接等的施工空間及構(gòu)件吊裝順序等。構(gòu)件運(yùn)到現(xiàn)場無法安裝是初學(xué)者常犯的錯誤。此外，還應(yīng)盡可能使工人能方便的進(jìn)行現(xiàn)場定位與臨時固定。

3.6 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮制造廠的工藝水平。比如鋼管連接節(jié)點(diǎn)的相貫線的切口需要數(shù)控機(jī)床等設(shè)備才能完成。

結(jié)語：

當(dāng)前我國鋼結(jié)構(gòu)研究已進(jìn)入一個新階段，應(yīng)及時把握其發(fā)展趨勢，結(jié)合我國國情，積極借鑒并吸納國外成熟技術(shù)，注意各專業(yè)間的相互配合，促進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，相信我國鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展前景是美好的。

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