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多層輕鋼結構的住宅設計

作者：建筑鋼結構網(wǎng)    
時(shí)間：2009-12-22 20:26:15 [收藏]


    摘要：本文闡述了低多層輕鋼結構住宅常用的結構體系及主要構件的設計，對目前存在的問(wèn)題作了一定的 探討并指出發(fā)展方向。

    關(guān)鍵詞：輕鋼結構 結構體系 組合樓蓋


    一、前言

    　　輕鋼結構住宅相比于傳統住宅，有其突出的優(yōu)點(diǎn)：

    　　?。?）輕鋼結構配件制作工廠(chǎng)化和機械化程度高，商品化程度高。

    　　?。?）現場(chǎng)施工速度快，主要為干作業(yè)，有利于文明施工。

    　　?。?）鋼結構建筑是環(huán)保型的可持續發(fā)展產(chǎn)品。

    　　?。?）自重輕，抗震性能好。

    　　?。?）綜合經(jīng)濟指標不高于鋼筋混凝土結構。

    　　隨著(zhù)我國鋼產(chǎn)量的快 速增長(cháng)，對用鋼政策由限制用鋼到合理用鋼到積極用鋼，國務(wù)院1999年頒發(fā)的72號文件提出要發(fā)展鋼結 構住宅產(chǎn)業(yè)，在沿海大城市限期停止使用粘土磚。因此開(kāi)發(fā)輕鋼結構住宅體系已成為當前住宅結構研究 中的熱點(diǎn)。不過(guò)，多層輕鋼結構的研究還處于起動(dòng)階段，研究力度還不夠，實(shí)際設計和施工還存在不少爭議和問(wèn)題。這些都急需解決，以利于輕鋼住宅在我國健康快速發(fā)展。

    二、結構體系選型

    　　對低、多層住宅，目前國內外常用的結構體系主要有：

    （一）冷彎薄壁型鋼體系

    　　構件用薄鋼板冷彎成C形、Z形構件，可單獨使用，也可組合使用，桿件間連接采用自攻螺釘。這種體系節點(diǎn)剛性不易保證，抗側能力較差，一般只用于1～2層住宅或別墅。筆者處理的幾個(gè)舊房加層，如薊縣 國稅局、天津港派出所等改造工程，使用了該體系，效果較好。

    （二）框架

    　　目前，這種體系在多層鋼結構住宅中應用最廣?？v橫向都設成鋼框架，門(mén)窗設置靈活，可提供較大的開(kāi)間，便于用戶(hù)二次設計，滿(mǎn)足各種生活需求。鋼框架考慮樓蓋的組合作用，運用在低多層住宅中，一般 都能滿(mǎn)足抗側要求。但是由于目前框架柱以H型鋼為主，弱軸方向梁柱連接的剛性難以保證，因此設計 施工時(shí)須慎重處理。

    （三）框架支撐體系

    　　在風(fēng)載或地震作用較大區域，為提高體系的抗側剛度，增加軸交支撐或偏交支撐效果很好。這種體系為多重抗側體系，而且梁柱節點(diǎn)，柱腳節點(diǎn)可設計成鉸接、半剛接，施工構造簡(jiǎn)單，基礎主要承受軸力， 體形較小，因此成為人們青睞的對象。

    （四）框架剪力墻體系

    　　在低多層住宅中，可以應用傳統的剪力墻體系，如鋼筋混凝土剪力墻或鋼板剪力墻。目前正在研究的空腔結構板是一種理想的抗側結構?？涨唤Y構板是一種新型的輕質(zhì)板材，采用黃紙制成具有眾多等邊空腔 結構的板狀基架，然后經(jīng)浸漬而成。該板材與鋼框架可靠連接，便可形成新型剪力墻。另外美國，澳大利亞等國還開(kāi)發(fā)了交錯桁架體系，比較新穎。

    三、 主要構件設計

    （一）柱

    　　前已述及，鋼結構住宅一般為大開(kāi)間，框架柱在兩個(gè)方向都承受較大的彎矩，同時(shí)應該考慮強柱弱梁的要求。而目前廣泛使用的焊接H型鋼或I字熱軋鋼截面，強弱軸慣性矩之比3～10，勢必造成材料浪費。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(shí)可以提高框架的側向剛度，防火性能好，而且結 構破壞時(shí)柱體不會(huì )迅速屈曲破壞。因此，盡管平面受力結構中，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得到廣泛應用。方鋼管混凝土柱將是鋼結構住宅發(fā)展 的 主要方向，但由于缺乏相應的規范、規程，目前在住宅中應用還很少。尤其鋼管砼梁、柱的連接較為復雜，不利于工廠(chǎng)制作和現場(chǎng)施工，應加大力度開(kāi)發(fā)研究。

    （二）樓蓋

    　　在多層輕鋼房屋中，樓蓋結構的選擇至關(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力結構的空間協(xié)調作用；另外從抗震角度來(lái)看，還應采用相應的技術(shù)和構造措施減輕樓板自 重。常用的樓蓋結構有：壓型鋼板－現澆混凝土組合樓板，現澆鋼筋混凝土板以及鋼－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 設置抗剪鍵，也偏保守地假設鋼結構承受全部荷載，這樣不僅增加材料用量和結構自重，反而會(huì )造成強梁弱柱的不利情況。有一6層算例，表1、表2分別反映了考慮樓蓋組合作用對梁剛度以及結構整體剛度的影響。

    表1 截面慣性矩對比

    構件名稱(chēng) 截面慣性矩 組合前后的對比

    主梁（負彎矩區） 1.51（2.22） 1.47

    主梁（正彎矩區） 1.51（4.28） 2.83

    次梁 0.797（2.48） 3.11

    注：括號內為考慮年組合作用的情況

    表2 結構位移對比

    結果 工況1 工況2 工況3

    樓層梁撓度 16.9（10.9） 16.9（10.2） /

    屋蓋梁撓度 35.5（35.4） 34.3（34.2） /

    底層層間位移 16.9（10.2） 4.8（3.7） 8.4（5.9）

    頂點(diǎn)位移 / 18.2（13.8） 49.9（31.0）

    注：括號內為考慮年組合作用的情況

    　　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的側移大為減少，此考慮組合作用應予關(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。




    （三）支撐體系

    　　支撐分軸交支撐和近年發(fā)展起來(lái)的偏交支撐兩種，前者耐震能力較差，后者在強震作用下具有良好的吸能耗能性能，而且為門(mén)窗洞的布置提供了有利條件，目前國內用的還很少，建議在高烈度區首選偏交支撐。剪切型耗能梁段，加勁肋按以下公式設計：

    　a＝29tw－d / 5,（γp＝±0.09rad）（1）

    　a＝38tw－d / 5,（γp＝±0.06rad）（2）

    　a＝56tw－d / 5,（γp＝±0.03rad）（3）

    式中，a―――加勁肋間距，d―――梁高， ―――腹板厚度，γp―――塑性轉角；彎曲型耗能梁段還需在 梁段端點(diǎn)外1.5bf處加設加勁肋。

    （四）節點(diǎn)抗震設計

    　　框架梁柱節點(diǎn)一般采用兩種連接方法，根據"常用設計法"，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)行設計。震害表明，這種設計不能有效滿(mǎn)足"強節點(diǎn)弱桿件"的抗震要求，在高烈度區隱患 很大。改進(jìn)的框架節點(diǎn)設計，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算公式確定：

    式中： 為基于極限強度最小值的節點(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；為梁件的 全塑性受彎承載力； 為基于極限強度最小值的節點(diǎn)連接最大受剪承載力，僅由腹板的連接承擔；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計值。

    四、結論

    　　1）低、多層輕鋼結構住宅考慮樓蓋與鋼梁的組合作用，可顯著(zhù)減小主梁撓度和柱頂位移。

    　　2）為改進(jìn)框架節點(diǎn)的抗震性能，可在梁端上下翼緣加焊楔形蓋板或將梁端上下翼緣加寬。

    　　3）設偏心支撐時(shí)，梁應根據耗能梁段的受力類(lèi)型設置加勁肋。

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