文/朱健 上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司山東分公司 山東濟(jì)南 250013
孫偉、李本兵 山東同創(chuàng)設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司 山東濟(jì)南 250013
在多層鋼混結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)階段,要重視通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的框架系統(tǒng)、構(gòu)件等單體進(jìn)行設(shè)計(jì),為建筑后期的大鋼筋采購、小橫桿的結(jié)構(gòu),以及節(jié)點(diǎn)間受力關(guān)系的協(xié)調(diào)提供了必要的設(shè)計(jì)依據(jù)。另外,由于多層鋼構(gòu)的設(shè)計(jì)給建筑結(jié)構(gòu)的框架系統(tǒng)提供了骨架結(jié)構(gòu),各組件之間的聯(lián)系也是利用槍法實(shí)現(xiàn)的,而其結(jié)構(gòu)中又貫徹了連續(xù)傳力路徑的原理,所以這樣的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化方法也是科學(xué)的研究結(jié)論,能夠說明多層鋼構(gòu)的優(yōu)越性和結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單度。雖然如今,鋼構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)相對(duì)較多了,但從一般的建筑設(shè)計(jì)條件上來看,在鋼梁、鋼柱的設(shè)計(jì)過程中,要關(guān)注的設(shè)計(jì)內(nèi)容仍然是結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度,這也是目前設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中,通過完善的力學(xué)分析和建立相應(yīng)的物理模型,進(jìn)一步分析整體強(qiáng)度情況,并根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中所需進(jìn)行改進(jìn),進(jìn)而通過合理的鋼結(jié)構(gòu)來減少鋼材的使用,以進(jìn)一步提高我國多層鋼結(jié)構(gòu)的組合和復(fù)合鋼結(jié)構(gòu)建筑的整體設(shè)計(jì)水平[1-2]。
鋼結(jié)構(gòu)建筑與傳統(tǒng)混凝土建筑的主要區(qū)別在于施工方法:傳統(tǒng)混凝土建筑需要大量的現(xiàn)場(chǎng)施工工作,而鋼結(jié)構(gòu)建筑可以由工廠生產(chǎn)的部件制造,這大大減少了所需的現(xiàn)場(chǎng)工作量,大部分的施工工作可以通過現(xiàn)場(chǎng)組裝部件來完成。由于鋼結(jié)構(gòu)可以在以后重新使用,鋼結(jié)構(gòu)建筑也符合當(dāng)前建筑領(lǐng)域的環(huán)境可持續(xù)性概念。多層鋼結(jié)構(gòu)建筑現(xiàn)在被廣泛用于民用住宅、商業(yè)建筑和工業(yè)大廳。鋼結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度高于傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu),整體質(zhì)量相對(duì)較小,因此可以更好地減少地震荷載對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)破壞,從而獲得更好的抗震性能。鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)是基于可以由各種專業(yè)制造商生產(chǎn)的部件。對(duì)構(gòu)件的有效質(zhì)量控制足以控制設(shè)計(jì)的整體質(zhì)量,所以鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)質(zhì)量是比較高的。在施工效率方面,與傳統(tǒng)的混凝土施工相比,施工總量相對(duì)較小,構(gòu)件在工廠準(zhǔn)備好后,運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝和安裝,大部分施工工作已經(jīng)完成,因此,施工效率較高,總的施工周期相對(duì)較短[3]。
多層框架鋼結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)的平面布置。從每層樓的頂部藝術(shù)平面單視圖開始,確定柱網(wǎng)和框架的縱向和橫向位置。單節(jié)點(diǎn)建筑應(yīng)減少桿件的類型,多層鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的空間穩(wěn)定性,便于結(jié)構(gòu)間水平荷載的傳遞,多層鋼結(jié)構(gòu)各層的水平力分布和空間穩(wěn)定性起著重要作用,應(yīng)設(shè)計(jì)水平布置的剛性板,使整個(gè)結(jié)構(gòu)在水平力作用下有相同的側(cè)向位移。如果樓板的剛度不夠或樓板鉆孔加工。如果對(duì)水平剛度有影響,應(yīng)在框架的整體剛度之外采取必要的措施,例如在樓板梁、翼緣向水平支撐布置轉(zhuǎn)移水平力。剛性地板或水平框架還可以使框架在縱向和橫向上共同發(fā)揮作用。它們共同抵御扭矩。一旦建筑物確定了地板布局,就會(huì)進(jìn)行垂直布局,并根據(jù)生產(chǎn)和使用要求確定適當(dāng)?shù)目v向和橫向框架系統(tǒng)。在這一點(diǎn)上,需要注意的是,在動(dòng)態(tài)水平荷載(或地震作用)下,層間剛度不應(yīng)突然改變。整個(gè)建筑的多層鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能接近整體剛度中心在縱向和橫向的總水平力,不包括水平力引起的扭轉(zhuǎn)力矩。水平荷載傳遞路徑必須短而可靠[4]。
關(guān)于建筑的形狀,必須根據(jù)客戶的要求和設(shè)計(jì),為各種住宅選擇不同的鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。多層鋼架系統(tǒng)主要包括框架系統(tǒng)、中心框架支撐系統(tǒng)、偏心框架支撐系統(tǒng)、框架系統(tǒng)和巨型框架系統(tǒng)等。其中,框架主要是作為支撐結(jié)構(gòu)來支撐房屋的主要受力,框架也是抵抗側(cè)向力的系統(tǒng)。根據(jù)上述體系的抗側(cè)力排序,抗側(cè)力從高到低的順序是圓柱和巨型框架體系〈框架梁體系〉框架體系,可以得出結(jié)論,框架體系是抗側(cè)力最低的鋼結(jié)構(gòu)體系。在建造房屋時(shí),鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的選擇是非常重要的。如果選擇的鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不合適,整個(gè)房屋的生命和安全將受到嚴(yán)重影響。因此,在選擇多層鋼結(jié)構(gòu)時(shí)必須考慮以下幾點(diǎn):
應(yīng)考慮到設(shè)計(jì)要求和首選的建筑高度。因此,如果一座大樓要具有強(qiáng)大的防震功能,就必須采用一個(gè)骨架的建筑體系,其不但易于架設(shè),同時(shí)具備高度的側(cè)向安全性。如果房屋較高大,則很易于遭受強(qiáng)風(fēng)和地震的沖擊。如果防火等級(jí)很好,房屋的高度沒有那么高大,應(yīng)該選用比較簡(jiǎn)易的預(yù)應(yīng)力砼框架結(jié)構(gòu)系統(tǒng);如果房屋高度比較高,中間的樓梯和各種管道構(gòu)件比較多,就應(yīng)該選擇結(jié)構(gòu)與中央鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)相結(jié)合的形式[5]。
例如,對(duì)于一些客戶來說,建筑必須有足夠的使用空間,所以這種類型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)可能需要鋼筋和支撐系統(tǒng)或鋼筋筒體系統(tǒng),這兩種系統(tǒng)既要滿足客戶的空間要求,又要滿足結(jié)構(gòu)的抗震性能要求。
根據(jù)施工情況,可以選擇不同的鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。如果施工時(shí)間有限,在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下,可以使用不同的鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。由于鋼結(jié)構(gòu)一般只需在現(xiàn)場(chǎng)組裝,可以在短時(shí)間內(nèi)完成,從而避免了施工時(shí)間的增加。另一方面,混凝土結(jié)構(gòu)有較長的組裝時(shí)間,因?yàn)榛炷帘仨毐粷沧?、壓?shí)和事后進(jìn)行長期維護(hù)。
對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的多層建筑,有必要選擇一個(gè)具有成本效益的系統(tǒng)。一般來說,抗側(cè)力越高,項(xiàng)目的成本就越高。如果使用混凝土抗側(cè)力系統(tǒng),必須考慮到混凝土自身重量對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的影響,這不可避免地會(huì)增加成本。另一方面,如果不需要抗側(cè)力,可以采用純鋼框架系統(tǒng),這種結(jié)構(gòu)的建筑成本較低[6]。
4.1.1 鋼框架之間的連接節(jié)點(diǎn)
鋼框架之間的連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì),一種特殊的方法是使用特殊的鉚接和螺栓連接組合,以確保高樓地下停車場(chǎng)和底層鋼結(jié)構(gòu)之間的連接強(qiáng)度和剛度,并提高對(duì)地震和自然災(zāi)害的保護(hù)。設(shè)計(jì)形式更合理,設(shè)計(jì)更復(fù)雜,但連接節(jié)點(diǎn)的剛度和強(qiáng)度由連接節(jié)點(diǎn)的組合有效提供,滿足了剛性節(jié)點(diǎn)的要求。
4.1.2 模塊單元之間的連接節(jié)點(diǎn)
模塊單元之間的連接采取了特殊結(jié)的形式。這種連接方式采用了特殊的銷子、螺栓和鉚釘?shù)慕M合,以確保模塊之間的角接點(diǎn)的強(qiáng)度和剛度。這種設(shè)計(jì)穩(wěn)固、牢靠、易于制造,符合剛性單元的要求。這種節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)將各個(gè)模塊單元連接成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)系統(tǒng),可用于多層鋼結(jié)構(gòu)模塊建筑。
4.1.3 傳統(tǒng)鋼框架與模塊單元之間的連接節(jié)點(diǎn)
底層鋼筋的頂部應(yīng)與模塊單元重疊,使地下連續(xù)墻穿透單元與模塊單元由結(jié)合。將上隔板轉(zhuǎn)換為類似于模塊單元的銷軸形狀;在上隔板的端部焊接一個(gè)隔板,使其與上模塊梁重疊;在鋼柱的不連續(xù)部分焊接橫向肋條,以加固單元區(qū)域;在腹板的每一側(cè)焊接一塊加固肋條到相應(yīng)的加固肋條隔板的底部中心,防止局部腹板不穩(wěn)定[7]。
4.2.1 節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化模型及其在模型中的實(shí)現(xiàn)
模塊結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化應(yīng)符合實(shí)際的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu),優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)如下:考慮到模塊柱上下功能之間對(duì)每個(gè)元素?cái)?shù)量的限制,模型以模塊柱與模板梁之間的最短鋼柱表示,連接在上下功能中間的柱頭節(jié)點(diǎn);柱頭節(jié)點(diǎn)與上下模板連接的梁底節(jié)點(diǎn)之間是鉸鏈連接,與鉸合單元的漸進(jìn)自由度有關(guān);上下模板梁的連桿是模型化。這些連接形式都要求在短柱內(nèi)部的鉸鏈和環(huán)路之間可以傳遞上下模板連接的彎矩,形成剛性的鉸鏈效應(yīng)。
4.2.2 模塊連接節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化的合理性研究
利用ANSYS 有限元軟件構(gòu)建了一種簡(jiǎn)單的十字形節(jié)點(diǎn)模型,用Beam189 塊仿真梁、立柱和短梁,用Link八塊仿真連接。在模板長度、位置與加載方法一致的情形下,將骨架的荷載-位移曲線與全身模板上的骨架曲線實(shí)現(xiàn)了比較。全身模型的載荷-位移能力約為86kN,相應(yīng)的位移為134.1mm,而簡(jiǎn)化模型的載荷-位移能力約為77kN,相應(yīng)的位移為114.1mm,不過兩個(gè)模型之間的差異不大。如果我們比較兩個(gè)模型的彈性位移,都是50mm 左右,在彈性領(lǐng)域的剛度差異不大:簡(jiǎn)化模型的彈性剛度低于實(shí)體模型,約為實(shí)體模型的81.6%。這就意味著簡(jiǎn)化模型中并未考慮實(shí)體模型的不同結(jié)構(gòu),也并未考慮板的屈曲后的剛度。而既然在工程中需要材料達(dá)到一定彈性水平,這種優(yōu)化對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言也是能夠進(jìn)行和保守的,所以簡(jiǎn)化連接處理是合理的。
新型的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)方式主要有兩種,一種是梁端削弱式節(jié)點(diǎn),另一種是梁端加強(qiáng)式節(jié)點(diǎn)。下面對(duì)兩種節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行分析[8]:
4.3.1 對(duì)于梁端削弱式節(jié)點(diǎn)
其目的在于減少結(jié)點(diǎn)附近的梁及柱子數(shù)量,減小結(jié)點(diǎn)和梁及柱子之間的高度差異。在地動(dòng)時(shí),梁和柱子的動(dòng)態(tài)性能比較好,但因?yàn)榻Y(jié)點(diǎn)之間是連接在一起的,焊接的時(shí)候結(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)焊接缺陷,所以就算沒有焊接缺陷,接頭的動(dòng)力學(xué)性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及梁和柱子,所以在這兩個(gè)方面都必須加以協(xié)調(diào)。前者對(duì)連接處理的精確度要求較高,圓形松弛的大小需要十分準(zhǔn)確,切面需要拋光,以減少應(yīng)力聚集;分體式連接的優(yōu)點(diǎn)在于可以降低連接部位的應(yīng)力聚集,使金屬連接向外移動(dòng),進(jìn)而改善連接的破壞狀態(tài)。
4.3.2 梁端加強(qiáng)式節(jié)點(diǎn)
它主要是利用提高橫梁與鋼柱間的連接面積而做到的,這樣一來橫梁端面的節(jié)點(diǎn)附近的力學(xué)性能也較其他地方好。所以,當(dāng)?shù)貏?dòng)發(fā)生后,一般的鋼柱連接因橫截面積減小,首先出現(xiàn)變形,而在塑性變形出現(xiàn)以前,在橋端和節(jié)點(diǎn)之間建立塑性連接,以便保存橋端和節(jié)點(diǎn)。在梁的兩端的這些加固連接通常以兩種方式實(shí)現(xiàn):通過增加一個(gè)重疊連接或一個(gè)軸向連接。重疊連接通過改善延展性增加了連接的承載能力,但這種加固方法不容易檢查,只能通過破壞性試驗(yàn)來驗(yàn)證,這需要高質(zhì)量的焊縫。蓋板和梁的凸緣之間的距離。此外,軸組件主要由節(jié)點(diǎn)以下的三角軸加固,這增加了節(jié)點(diǎn)處的橫截面積。
設(shè)計(jì)柱長系數(shù)對(duì)整個(gè)框架柱的穩(wěn)定承載力有一定影響。例如,在真實(shí)的模塊結(jié)構(gòu)中,模塊的柱子不是上下相連的,而且模塊的某一層也有固定的梁和大梁,這與傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)不同,所以有限元軟件分析的結(jié)果可能存在精度問題,導(dǎo)致設(shè)計(jì)的柱長消耗大量的鋼材,影響設(shè)計(jì)結(jié)果。在實(shí)際的裝配式建筑設(shè)計(jì)中,柱子和組合梁都是焊接在角部構(gòu)件上的,可以認(rèn)為是剛性連接,整體連接力很強(qiáng),但現(xiàn)有規(guī)范沒有對(duì)設(shè)計(jì)長度系數(shù)和計(jì)算方法進(jìn)行分析,所以這種設(shè)計(jì)中存在兩端柱子的密封和平衡問題,如果忽略了相鄰組合柱單元的應(yīng)力,整個(gè)結(jié)構(gòu)的組合梁和柱子也可能存在問題。
連接方法及其質(zhì)量直接影響到鋼結(jié)構(gòu)的性能。鋼結(jié)構(gòu)的連接必須安全可靠,傳力明確,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,生產(chǎn)方便,節(jié)省鋼材。連接接頭應(yīng)足夠堅(jiān)固,并為連接提供足夠的空間。下面將討論三種連接方法和鋼結(jié)構(gòu)的性能:
焊縫由電弧產(chǎn)生的熱量形成,局部熔化焊條和工件并凝結(jié)成冷卻珠,從而將待焊接的部件連接成一個(gè)整體。
優(yōu)點(diǎn):構(gòu)件截面無削弱,節(jié)省鋼材,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,易于加工,接頭剛度高,密封性能好,在一定的自動(dòng)化操作條件下易于使用,生產(chǎn)效率高。缺點(diǎn):焊接接近鋼材時(shí),由于焊接溫度高,形成熱變形區(qū),會(huì)削弱部分材料;焊接鋼材時(shí)溫度高且冷卻分布不均勻,結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和殘余變形,對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力、剛度和利用性能有一定影響;焊縫的延展性和強(qiáng)度都較低,可能出現(xiàn)焊接缺陷,引起疲勞強(qiáng)度。
螺栓連接是一個(gè)連接元件,例如一個(gè)螺栓,它把要連接的部分連接成一個(gè)整體。螺栓連接有兩種類型:傳統(tǒng)螺栓連接和高強(qiáng)度螺栓連接。
優(yōu)點(diǎn):施工方法簡(jiǎn)單,容易組裝,特別是在現(xiàn)場(chǎng)的連接,當(dāng)結(jié)構(gòu)需要組裝和拆卸以及需要臨時(shí)連接時(shí),容易拆卸。缺點(diǎn)。需要在板和連接孔上鉆孔,增加了勞動(dòng)力,對(duì)制造精度要求高;螺栓孔也削弱了構(gòu)件的橫截面,連接部分往往必須相互重疊或有額外的二次連接板(或角),使鋼結(jié)構(gòu)施工更加復(fù)雜和昂貴。
鉚接是指鉚釘?shù)囊欢擞幸粋€(gè)裝配好的半圓頭,在釘柄退火后迅速插入接頭的釘孔中,然后用鉚槍將另一端鉚入釘頭,使接頭密封。
鉚接的優(yōu)點(diǎn):可靠的能量傳遞,良好的延展性和韌性,易于檢查和保證質(zhì)量,適用于重型結(jié)構(gòu)和直接承受動(dòng)態(tài)載荷的結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn):鉚接過程復(fù)雜,耗時(shí),材料和勞動(dòng)力密集。因此,它在很大程度上已被焊接和高強(qiáng)度螺栓所取代。
多層鋼結(jié)構(gòu)模塊與鋼框架復(fù)合結(jié)構(gòu)建筑由鋼結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)模塊組成,可以有效地組合和分離,具有建筑成本低、穩(wěn)定性高、形式簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。相比之下,傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)是一個(gè)由梁和柱組成的系統(tǒng),連接手段簡(jiǎn)單。這導(dǎo)致了一個(gè)相對(duì)較大的結(jié)構(gòu),其缺點(diǎn)是厚度低、穩(wěn)定性低和強(qiáng)度低。模塊化鋼結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)的相似之處在于,這兩種類型的建筑都需要高質(zhì)量的鋼材,其質(zhì)量和具體參數(shù)在施工過程中被反復(fù)檢查,也可以使用相同的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行修改,而且都充分利用了鋼材的三個(gè)主要特性,即耐用、強(qiáng)度和輕質(zhì)。不同的是,鋼結(jié)構(gòu)建筑模塊是對(duì)傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)的改進(jìn),它是一個(gè)多柱多梁的系統(tǒng),8 根柱子和16 根梁可以用預(yù)制的方式在交叉點(diǎn)共存,這是鋼結(jié)構(gòu)建筑模塊與傳統(tǒng)鋼框架結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別。與反對(duì)使用螺栓和銷釘?shù)膫鹘y(tǒng)鋼架結(jié)構(gòu)不同,多層鋼結(jié)構(gòu)模塊對(duì)焊接方法、節(jié)點(diǎn)施工等提出了更高、更嚴(yán)格的要求。
在多層鋼結(jié)構(gòu)的建筑設(shè)計(jì)過程中,除了需要設(shè)計(jì)構(gòu)件和整體結(jié)構(gòu)的拉力外,還需要關(guān)注管道的工程設(shè)計(jì)過程,要注重避免管道與整體結(jié)構(gòu)的沖突,減少在后續(xù)施工安裝過程中對(duì)鋼結(jié)構(gòu)框架的調(diào)整,確保管道能與整體結(jié)構(gòu)的框架相匹配。同時(shí),在設(shè)計(jì)過程中注重施工的重要性,而將其限制在適當(dāng)?shù)氖┕ぜ夹g(shù)上。
綜上所述,多層鋼結(jié)構(gòu)模塊和復(fù)合鋼結(jié)構(gòu)建筑不僅在材料成本方面有優(yōu)勢(shì),而且在建筑質(zhì)量和功能方面也有比較明顯的優(yōu)勢(shì),能有效地限制污染,實(shí)現(xiàn)真正意義上的"綠色"建筑。在當(dāng)今的建筑中,采用鋼結(jié)構(gòu)和復(fù)合結(jié)構(gòu)的模塊化和多層建筑所占的比例越來越大。與傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)相比,這些建筑不僅在材料成本、施工工藝和整體質(zhì)量方面具有明顯的優(yōu)勢(shì),而且對(duì)環(huán)境的影響也很小,其鋼構(gòu)件可以回收利用,是真正的可持續(xù)建筑。對(duì)于建筑的整體質(zhì)量來說,在初始階段進(jìn)行適當(dāng)?shù)摹⒖茖W(xué)的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的,可以為建筑的后續(xù)施工提供指導(dǎo)意義。