淺議住宅鋼結(jié)構(gòu)的特點及其設計思路

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　摘要：鋼結(jié)構(gòu)應用于建筑已有數(shù)十年的歷史。為了凸現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)住宅的優(yōu)點，本文簡單介紹了鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點及其在住宅上的設計思路。

　　關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；住宅；可行性；設計思路

　　1、鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

　　一般來說，材料的特性是推出新型建筑形式的出發(fā)點。鋼結(jié)構(gòu)是用鋼板、熱軋型鋼或冷加工成型的薄壁型鋼制造而成的。和其它材料的結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)有如下一些特點。

　　1.1 材料的強度高，塑性和韌性好

　　鋼材和其它建筑材料諸如混凝土、磚石和木材相比，強度要高得多。因此，特別適用于跨度大或荷載很大的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)。鋼材還具有塑性和韌性好的特點。塑性好，結(jié)構(gòu)在一般條件下不會因超載而突然斷裂；韌性好，結(jié)構(gòu)對動力荷載的適應性強。良好的吸能能力和延性還使鋼結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的抗震性能。另一方面，由于鋼材的強度高，做成的構(gòu)件截面小而壁薄，受壓時需要滿足穩(wěn)定的要求，強度有時不能充分發(fā)揮。

　　1.2 材質(zhì)均勻，與力學計算的假定比較符合

　　鋼材內(nèi)部組織比較接近于勻質(zhì)和各向同性，而且在一定的應力幅度內(nèi)幾乎是完全彈性的。因此，鋼結(jié)構(gòu)的實際受力情況和工程力學計算結(jié)果比較符合。鋼材在冶煉和軋制過程中質(zhì)量可以得到嚴格控制，材質(zhì)波動的范圍小。

　　1.3 鋼結(jié)構(gòu)制造簡便，施工周期短

　　鋼結(jié)構(gòu)所用的材料單純而且是成材，加工比較簡便，并能使用機械操作，因此，大量的鋼結(jié)構(gòu)一般在專業(yè)化的金屬結(jié)構(gòu)廠做成構(gòu)件，精確度較高。構(gòu)件在工地拼裝，可以采用安設簡便的普通螺栓和高強度螺栓，有時還可以在地面拼裝和焊接成較大的單元再行吊裝，以縮短施工周期。此外，對已建成的鋼結(jié)構(gòu)也比較容易進行改建和加固，用螺栓連接的結(jié)構(gòu)還可以根據(jù)需要進行拆遷。

　　1.4 鋼結(jié)構(gòu)的重量輕

　　鋼材的密度雖比混凝土等建筑材料大，但鋼結(jié)構(gòu)卻比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)輕，原因是鋼材的強度與密度之比要比混凝土大得多。以同樣的跨度承受同樣荷載，鋼屋架的重量最多不超過鋼筋混凝土屋架的1/3至1/4，冷彎薄壁型鋼屋架甚至接近1/10，為吊裝提供了方便條件。對于需要遠距離運輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)，如建造在交通不便的山區(qū)和邊遠地區(qū)的工程，重量輕也是一個重要的有利條件。

　　當然任何一種材料都不是十全十美的，鋼材的耐腐蝕性和耐火性就較為欠缺，在對結(jié)構(gòu)進行防護時費用比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高。不過在沒有侵蝕性介質(zhì)的一般廠房中，構(gòu)件經(jīng)過徹底除銹并涂上合格的油漆，銹蝕問題也并不嚴重。近年來出現(xiàn)的耐大氣腐蝕的鋼材具有較好的抗銹性能，已經(jīng)逐步推廣應用，并取得了良好的效果。鋼材長期經(jīng)受100℃輻射熱時，強度沒有多大變化，具有一定的耐熱性能，但溫度達150℃以上時，就須用隔熱層加以保護。鋼材不耐火，重要的結(jié)構(gòu)必須注意采取防火措施。例如，利用蛭石板、蛭石噴涂層或石膏板等加以防護。

　　2、鋼結(jié)構(gòu)住宅的特點

　　鋼結(jié)構(gòu)住宅與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，在使用功能、設計、施工以及綜合經(jīng)濟方面具有優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下方面。

　　2.1 設計制造周期短，設計生產(chǎn)一體化

　　現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設計借助于計算機和專業(yè)化結(jié)構(gòu)分析軟件，使得設計周期大大縮短，設計中的修改和調(diào)整非常方便。同時，由于鋼結(jié)構(gòu)具有工廠預制、現(xiàn)場安裝的特點，可以將前期設計和現(xiàn)業(yè)的生產(chǎn)手段相結(jié)合，通過網(wǎng)絡計算機和數(shù)控機床結(jié)合，使設計人員在工作室中完成設計后，即由工廠的生產(chǎn)線完成產(chǎn)品制作，具有極高的效率和精確度，可以大大減少項目建設周期。

　　2.2 能夠合理布置功能區(qū)間

　　在居住建筑中，建筑師和居民一直希望能夠有大跨的無豎向結(jié)構(gòu)的空間，這樣，可以根據(jù)需求進行靈活隔斷，使室內(nèi)布置呈多樣化。傳統(tǒng)住宅由于所用材料的性質(zhì)，限制了空間布置的自由。

　　2.3 承載強度高，抗震性能優(yōu)越

　　相同的荷載，鋼結(jié)構(gòu)截面最小，相同的截面，鋼結(jié)構(gòu)承載力最大。在抗震設防區(qū)，鋼筋砼結(jié)構(gòu)有許多不足之處，而鋼結(jié)構(gòu)重量輕，六層輕鋼住宅的重量僅相當于四層磚混結(jié)構(gòu)的重量，因此，本身所受的地震作用??；而且，鋼材具有高延性，有較好的耗能能力，因此，抗震性能好，結(jié)構(gòu)安全度高。

　　2.4 施工方面優(yōu)勢突出

　　現(xiàn)澆砼需要連續(xù)施工，在我國北方地區(qū)受到施工季節(jié)的影響。鋼結(jié)構(gòu)的大部分構(gòu)件在工廠生產(chǎn)，運往現(xiàn)場通過焊接或螺栓進行整體組裝，可全天候作業(yè)。施工現(xiàn)場作業(yè)量小，減少了施工臨時用地，與傳統(tǒng)建筑材料相比，對周圍環(huán)境污染小，提高了施工的機械化水平。

　　2.5 綜合造價低

　　鋼結(jié)構(gòu)承載力高，可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的大開間布置，構(gòu)件截面小，與砼結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)相比，自重比較輕，地基的處理比較容易，可以采用天然基礎(chǔ)型式。由于基礎(chǔ)在工程造價中占有比重比較大，上部結(jié)構(gòu)重量輕可以降低基礎(chǔ)的造價，從而減少整個項目的投資。鋼結(jié)構(gòu)施工機械化高的特點，從另一方面減少了人工費用和模板等其它輔助材料費用。

　　3、鋼結(jié)構(gòu)住宅的設計思路

　　3.1 判斷結(jié)構(gòu)是否適合用鋼結(jié)構(gòu)

　　鋼結(jié)構(gòu)通常用于高層、大跨度、體型復雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、高溫車間、密封性要求高、要求能活動或經(jīng)常裝拆的結(jié)構(gòu)。

　　3.2 結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置

　　在鋼結(jié)構(gòu)設計的整個過程中都應該被強調(diào)的是“概念設計”，它在結(jié)構(gòu)選型與布置階段尤其重要。 對一些難以作出精確理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問題，可依據(jù)從整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學關(guān)系、破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的設計思想，從全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細部措施。 運用概念設計可以在早期迅速、有效地進行構(gòu)思、比較與選擇。所得結(jié)構(gòu)方案往往易于手算、概念清晰、定性正確，并可避免結(jié)構(gòu)分析階段不必要的繁瑣運算。

　　3.3 預估截面

　　結(jié)構(gòu)布置結(jié)束后，需對構(gòu)件截面作初步估算。主要是梁柱和支撐等的斷面形狀與尺寸的假定。

　　鋼梁可選擇槽鋼、軋制或焊接H型鋼截面等。根據(jù)荷載與支座情況，其截面高度通常在跨度的1/20-1/50之間選擇。翼緣寬度根據(jù)梁間側(cè)向支撐的間距按l/b限值確定時，可回避鋼梁的整體穩(wěn)定的復雜計算，這種方法很受歡迎。確定了截面高度和翼緣寬度后，其板件厚度可按規(guī)范中局部穩(wěn)定的構(gòu)造規(guī)定預估。

　　柱截面按長細比預估，通常50<λ<150，簡單選擇值在100附近。根據(jù)軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同，可選擇鋼管或H型鋼截面等。

　　3.4 結(jié)構(gòu)分析

　　目前鋼結(jié)構(gòu)實際設計中，結(jié)構(gòu)分析通常為線彈性分析，條件允許時考慮P-Δ，p-δ。

　　新近的一些有限元軟件可以部分考慮幾何非線性及鋼材的彈塑性能，這為更精確的分析結(jié)構(gòu)提供了條件。

　　3.5 構(gòu)件設計

　　構(gòu)件的設計首先是材料的選擇。通常主結(jié)構(gòu)使用單一鋼種以便于工程管理。經(jīng)濟考慮，也可以選擇不同強度鋼材的組合截面。構(gòu)件設計中，現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈塑性的方法來驗算截面，這和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算的彈性方法并不匹配，當前的結(jié)構(gòu)軟件，都提供截面驗算的后處理功能。由于程序技術(shù)的進步，一些軟件可以將驗算時不通過的構(gòu)件，從給定的截面庫里選擇加大一級，并自動重新分析驗算，直至通過，如sap2000等。這是常說的截面優(yōu)化設計功能之一。它減少了結(jié)構(gòu)師的很多工作量。

　　3.6 節(jié)點設計

　　連接節(jié)點的設計是鋼結(jié)構(gòu)設計中重要的內(nèi)容之一。在結(jié)構(gòu)分析前，就應該對節(jié)點的形式有充分思考與確定，常常出現(xiàn)的一種情況是，最終設計的節(jié)點與結(jié)構(gòu)分析模型中使用的形式不完全一致，這必須避免。按傳力特性不同，節(jié)點分剛接，鉸接和半剛接。

　　3.7 圖紙編制

　　鋼結(jié)構(gòu)設計出圖分設計圖和施工詳圖兩階段，設計圖為設計單位提供，施工詳圖通常由鋼結(jié)構(gòu)制造公司根據(jù)設計圖編制，有時也會由設計單位代為編制。由于近年鋼結(jié)構(gòu)項目增多和設計院鋼結(jié)構(gòu)工程師缺乏的矛盾，有設計能力的鋼結(jié)構(gòu)公司參與設計圖編制的情況也很普遍。

　　設計圖及施工詳圖的內(nèi)容表達方法及出圖深度的控制，目前比較混亂，各個設計單位之間及其與鋼結(jié)構(gòu)公司之間不盡相同。初學者可參考他人的優(yōu)秀設計并參考相關(guān)的工具書，并依據(jù)規(guī)范規(guī)定編制。