多層輕鋼住宅的結(jié)構(gòu)體系與設(shè)計

1、多層輕鋼住宅的結(jié)構(gòu)體系與設(shè)計-結(jié)構(gòu)理論1 .輕鋼住宅在我國的發(fā)展我國輕型鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)過20多年的發(fā)展歷史，雖然起步并不晚，主要由于經(jīng)濟與技術(shù)的原因使得多層輕鋼住宅的發(fā)展受到制約。 國內(nèi)最 早出現(xiàn)的輕鋼結(jié)構(gòu)住宅是94年11月建于上海浦東北蔡的8層鋼結(jié)構(gòu) 住宅，采用冷彎成型的矩形鋼管混凝土柱和 U型冷彎型鋼組合梁組 成框架。具特點是采用稻草板作外墻和樓板的組件， 單位面積用鋼量 34kg/m2.天津經(jīng)濟開發(fā)區(qū)太平村是我國住宅產(chǎn)業(yè)化的探索基地之一，來自中國，日本，美國，加拿大等15個國家和地區(qū)的95名參展商展示了 各自的產(chǎn)品，其中鋼結(jié)構(gòu)住宅均采用框架結(jié)構(gòu)。樓板及墻體、屋頂均 采用復(fù)合結(jié)構(gòu)，工廠預(yù)制，現(xiàn)場

2、安裝，縮短了施工工期。長沙遠(yuǎn)大集團建造的8層鋼結(jié)構(gòu)公寓，稱之為集成化建筑。該建 筑裝有中央空調(diào)一體化機組，整體浴室，五表”遠(yuǎn)傳系統(tǒng)等現(xiàn)代化設(shè)備。室內(nèi)設(shè)計考究，體現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)住宅的風(fēng)格和質(zhì)量，表明了鋼結(jié)構(gòu) 住宅的良好發(fā)展前景。表1為若干輕鋼住宅經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)。當(dāng)前，國家將住宅產(chǎn)業(yè)作為國民經(jīng)濟新的經(jīng)濟增長點。為居民提供高質(zhì)量的符合市場需求的商品化住宅成為必然趨勢。國家鼓勵發(fā)展新型建筑體系工已將其列入優(yōu)先發(fā)展的高新技術(shù)領(lǐng)域中。國務(wù) 院1999年頒發(fā)的72號文件提出要發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)，在沿海大城市限期停止使用粘土磚。建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額研究司正在編制與修改與多層鋼結(jié)構(gòu)房屋密切相關(guān)的技術(shù)規(guī)程。建設(shè)部科技司在今年

3、上半年分別召開了鋼結(jié)構(gòu)住宅 產(chǎn)業(yè)化技術(shù)導(dǎo)則編制研討會”和鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑體系及關(guān)鍵技術(shù)研 究課題立項評審會”。通過了 18個包括鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑體系及其關(guān)鍵 和試點工程的立項。國家政策為鋼結(jié)構(gòu)住宅開發(fā)創(chuàng)造了條件，鋼結(jié)構(gòu) 產(chǎn)業(yè)化住宅有望在最近取得突破性進展。2 .多層輕鋼住宅的優(yōu)勢過去我國大量開發(fā)的是以小開間磚混結(jié)構(gòu)為主的住宅。這種住宅體系由于使用實心粘土磚，浪費土地資源，建筑物自重大，對抗震不 利。另一方面，由于結(jié)構(gòu)體系自身的限制，住宅平面布局多為封閉式 的小開間，不能適應(yīng)不斷變化的居住模式的要求。與傳統(tǒng)住宅相比， 多層輕鋼住宅具有明顯的特點與優(yōu)勢，日益受到重視。(1)自重輕，抗震性能好。采用高效

4、輕型薄壁型材，構(gòu)件截面 特性優(yōu)良，相對承載力高，受力性能良好，整體剛度大，抗震性能好， 可以大量節(jié)約材料，減輕結(jié)構(gòu)重量，降低基礎(chǔ)，運輸和安裝費用。因 此，對地震區(qū)，地質(zhì)條件差和運輸不便的地區(qū)，具優(yōu)越性更為明顯。(2)外形美觀，建筑造型簡潔，豐富，構(gòu)件截面尺寸小，凈使 用面積增加。鋼材強度高，可以提供較大的柱網(wǎng)布置；當(dāng)考慮樓板的 組合作用，使用組合梁或扁梁時，可以增加凈高。這種開放式住宅既 為建筑師提供設(shè)計的回旋余地，又為住戶提供了靈活分隔室內(nèi)空間的 可能。(3)供貨迅速，安裝方便，可以比混凝土結(jié)構(gòu)至少縮短一半工 期。在當(dāng)前貸款利率高的金融形式下，早投產(chǎn)，早回收投資，這對于降低工程總造價，增加投

5、資效益幅度是十分重要的(4)干法施工，裝備化程度高，建設(shè)快速，高效，質(zhì)量有保證。(5)輕鋼結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)和使用的過程中能源與原材料消耗低，建 筑垃圾少，粉塵少，噪音低，具有很高的可重復(fù)使用性和可循環(huán)性， 因此是一種綠色環(huán)保結(jié)構(gòu)。3 .多層輕鋼住宅的體系與結(jié)構(gòu)特點3.1 抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系主要應(yīng)用于多層輕鋼住宅的體系可分為： 純鋼框架體系，框架- 支撐體系，鋼框架-混凝土剪力墻體系，周圍抗側(cè)力體系等。(1)純框架體系常用于48層住宅。它主要由寬翼緣的 H型 或箱形柱和工字型梁組成，亦可采用熱軋 H型鋼。這種體系具有較 為靈活的空間布局，但側(cè)向剛度較弱。相對于框架一支撐體系，用鋼 量較大。純框架體系多采用

6、雙向剛接，這樣可以加大結(jié)構(gòu)自身的側(cè)移 剛度，減少抗側(cè)移構(gòu)件內(nèi)力，加強耗能機制，提高建筑物的延性。但 節(jié)點形式較為復(fù)雜。由于建筑美觀的要求，端板連接不宜于多層輕鋼 住宅。(2)框架-支撐體系主要由焊接工字型梁柱組成。多數(shù)情況下， 這種體系為橫向承重。梁柱節(jié)點在橫向上，為剛接；縱向為較接。因 此，結(jié)構(gòu)在縱向相當(dāng)于排架，抗側(cè)移剛度很低，需設(shè)置側(cè)向支撐抵抗 水平荷載，限制結(jié)構(gòu)的水平變形。支撐可用梢鋼，角鋼或圓鋼桿，具 體形式可結(jié)合建筑立面或門窗洞口需要采用單斜桿、X型、K型或偏心支撐。單斜桿簡單明快，但必須設(shè)置兩組不同傾斜支撐，以保證結(jié)構(gòu)在兩個方向具有同樣抗側(cè)力能力。X型支撐具有很好的側(cè)向剛度， 但是

7、交叉點處的細(xì)部構(gòu)造比較復(fù)雜。偏心支撐具有非常好的抗震耗能 效果。它的工作原理是：在中、小地震作用下，支撐提供主要的抗側(cè) 力剛度，與中心支撐相似；在大地震作用下，保證支撐不發(fā)生受壓屈 曲，而讓耗能梁段屈服消耗能量。它是專為抗震設(shè)計提供的支撐形式。（3）框架-鋼筋混凝土剪力墻（筒）體系。用鋼筋混凝土剪力 墻部分或全部代替鋼支撐，就形成了框架-鋼筋混凝土剪力墻（筒） 體系。它適用于小高層住宅。一般將樓梯或電梯間設(shè)計成鋼筋混凝土 墻（筒）。這樣即有效的加強了建筑物的側(cè)向剛度，又解決了樓梯間 的防火問題。如果結(jié)構(gòu)剛心偏移過大，出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的問題，可在適當(dāng)部 位設(shè)置鋼支撐。（4）周圍抗側(cè)力體系。這種體系在歐美

8、國家的商業(yè)和民用建筑 中十分流行。它的特點是剛架柱強軸與其相交的建筑軸線垂直，形成外筒，抵抗水平荷載，將之傳遞到基礎(chǔ)。它適用于建筑外型接近于正 方型的結(jié)構(gòu)。可以將這種思路應(yīng)用到框架一支撐體系中。 把縱向的支 撐去掉，將原有位置的剛架柱扭轉(zhuǎn) 90度，梁柱由較接變?yōu)閯偨?。這 樣，剛架柱同時起到抗風(fēng)柱與豎向支撐的作用。對于多層輕鋼民用住宅體系的選擇，不必拘泥于某一種特定的體 系。可以根據(jù)建筑平面設(shè)計的要求，靈活處理，綜合使用不同的抗側(cè) 力體系。3.2 樓面屋蓋結(jié)構(gòu)樓面和屋蓋必須有足夠的強度，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

9、施工速度快，平面剛度大，增加房屋凈高的 優(yōu)點。具體做法是在鋼梁上鋪設(shè)壓型鋼板， 再現(xiàn)澆100150mm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。止匕外，預(yù)應(yīng)力圓孔板、迭合板、組合扁梁 也是常用形式。3.3 墻體結(jié)構(gòu)各種輕質(zhì)墻體材料以其良好的保溫、 隔熱、隔聲性能受到開發(fā)商 的青睞。目前，墻體主要分為自承重式和非自承重式。自承重墻體主 要包括用于外圍護結(jié)構(gòu)的加氣混凝土塊、太空板、輕鋼龍骨加強板等， 以及用于內(nèi)墻的輕混凝土板、石膏板、水泥刨花板、稻草板等。外掛 的非自承重式墻體材料主要有

10、彩色壓型鋼板、彩色壓型鋼夾芯板、玻 璃纖維增強外墻板等。采用非自承重式墻體材料，需設(shè)置墻梁用以懸 掛外圍護結(jié)構(gòu)。門窗洞口上下要布置。墻梁多采用 C或Z型冷彎薄 壁型鋼，尺寸取決于跨度（剛架間距）和墻距（板跨）。3.4 多層輕鋼住宅的防火鋼材屬于不耐火材料，溫度為 400 C時，鋼材的屈服強度將降 為常溫的一半，溫度達(dá)到600 C時，鋼材基本喪失全部強度和剛度。 所以，鋼結(jié)構(gòu)不僅要進行結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計，還要采用防火措施保護。 目前常用的防火措施有以下四種方法（1）防火涂料法。將具有一定 厚度的防火涂料直接噴在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件上。防火涂料主要兩類：涂層850mm,粒狀表面，密度較小，耐火極限 13h的為厚

11、涂型防火隔熱 材料；涂層37mm,遇火膨脹增厚，耐火極限0.152h的為薄涂型 防火隔熱材料。噴涂法造價較低，操作簡便，施工速度快，但是構(gòu)件 表面不平整，影響美觀。（2）隔離法。將防火材料或防火磚沿構(gòu)件的 外圍，將構(gòu)件包裹，與外界隔離。這種方法美觀，無污染，但施工速 度較慢，適用于外露的構(gòu)件。（3）實心包裹法。將鋼構(gòu)件澆注到混凝 土中。（4）膨脹漆覆蓋法。將具有一定厚度的膨脹漆噴涂、抹、刷在 經(jīng)過處理的構(gòu)件表面?？够饦O限最高達(dá) 2h.覆蓋法施工容易，但不適 用于潮濕的環(huán)境，僅適用于干燥的室內(nèi)。4 .工程實例4.1 工程背景介紹某示范樓建筑面積4665m2,5層純鋼框架結(jié)構(gòu)，長67m,寬13.5

12、m, 層高3m.焊接工字形梁，縱橫雙向剛接 H形柱。樓面活荷載為 2.0kN/m2,屋面活荷載0.3kN/m2,輕型屋面恒荷載0.3kN/m2;基本 風(fēng)壓0.25 kN/m2;設(shè)計地震烈度為7度，II類場地。屋面為冷彎薄壁 C型楝條鋪雙層鍍鋅壓型鋼板夾100mm厚保溫棉屋面系統(tǒng)，外墻采 用200mm厚陶?；炷量招钠鲶w墻，分戶墻為 180mm厚菱鎂土板， 戶內(nèi)隔墻為90mm厚菱鎂土板。條型基礎(chǔ)，柱與基礎(chǔ)為剛接。示范樓共有四個居住單元，兩種建筑平面布置形式，建筑面積分 別為143 m2, 102 m2.一單元為大兩室兩廳，二、三、四單元為小兩 室兩廳。一單元的大客廳使用了組合扁梁， 從而實現(xiàn)了梁

13、與樓蓋的一 體化，減少了結(jié)構(gòu)層高。對于正常極限狀態(tài)下的組合扁梁，將鋼和混凝土兩種材料組成的組合梁截面換算成同一種材料的截面，再按照彈性理論計算。為了樓板的放置，扁梁的下翼緣一般較寬，需驗算施工 時產(chǎn)生的偏心荷載。為了減少設(shè)計工作量，通常把扭矩簡化為已對大 小相等、方向相反的力分別作用于扁梁的上下翼緣。詳細(xì)分析方法見 文獻。4.2 計算方法與基本要求對于多層輕鋼住宅，盡管采用單向板，但由于縱橫向均有墻體荷 載分布，宜采用三維空間計算模型。本工程采用的是普通樓板，不考 慮樓蓋對鋼架梁剛度增大的作用，忽略樓板的空間聯(lián)系作用，空間模 型為純框架結(jié)構(gòu)。計算分析是采用有限元分析軟件ANSYS完成。在結(jié)構(gòu)計

14、算中采用三維梁單元，質(zhì)量單元計算結(jié)構(gòu)自振周期以及靜力分 析。相對于工業(yè)建筑而言，多層民用建筑的荷載工況簡單明了。 主要 考慮以下三種工況：工況一：1.2相載標(biāo)準(zhǔn)值+ 1.4舌荷載標(biāo)準(zhǔn)值工況二：1.2相載標(biāo)準(zhǔn)值+ 0.85 ¥.4 X(風(fēng)荷載+活荷載)標(biāo)準(zhǔn) 值工況三：1.2潼力代表值+ 1.3冰平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值對于多層輕鋼住宅地震荷載計算，由于樓層較低，結(jié)構(gòu)布置對稱， 采用底部剪力法就可滿足要求。多層輕鋼住宅側(cè)向位移具體要求如下：(1)在風(fēng)荷載作用下的頂點水平位移與總高度之比不宜大于1/500.(2)層間相對位移與層高之比不宜大于 1/400.(3)在常遇地震作用下，層間側(cè)移不超過樓層高度1/250.對于多層輕鋼住宅，還要滿足剛架柱構(gòu)件穩(wěn)定性與鋼框架的整體 穩(wěn)定性要求。4.3 計算分析由于活荷載與基本風(fēng)壓較小，所以工況三為控制工況。計算設(shè)計 時將兩種方案進行了比較，不改變剛架梁的截面形式，只對剛架柱進 行改動。方案一，剛架柱為工字形；方案二，剛架柱為箱形。(1)兩種方案的剛架柱在強軸方向慣性矩相同，即在橫向結(jié)構(gòu) 的剛度相同，因此橫向主自振周期以及地震作用下橫向最大層間位移 基本一致。(2)本工程長寬比5,縱橫雙向剛接，因此對于方案一，當(dāng)橫 向側(cè)向剛度滿足要求時，縱向剛度也能達(dá)到要求。(3)在滿足規(guī)