多層輕鋼結(jié)構(gòu)的住宅設(shè)計(jì)

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一、前言 
    輕鋼結(jié)構(gòu)住宅相比于傳統(tǒng)住宅，有其突出的優(yōu)點(diǎn)： 
    （1）輕鋼結(jié)構(gòu)配件制作工廠化和機(jī)械化程度高，商品化程度高。 
    （2）現(xiàn)場(chǎng)施工速度快，主要為干作業(yè)，有利于文明施工。 
    （3）鋼結(jié)構(gòu)建筑是環(huán)保型的可持續(xù)發(fā)展產(chǎn)品。 
    （4）自重輕，抗震性能好。 
    （5）綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)不高于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。 
    隨著我國(guó)鋼產(chǎn)量的快 速增長(zhǎng)，對(duì)用鋼政策由限制用鋼到合理用鋼到積極用鋼，國(guó)務(wù)院1999年頒發(fā)的72號(hào)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。因此開發(fā)輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系已成為當(dāng)前住宅結(jié)構(gòu)研究 中的熱點(diǎn)。不過(guò)，多層輕鋼結(jié)構(gòu)的研究還處于起動(dòng)階段，研究力度還不夠，實(shí)際設(shè)計(jì)和施工還存在不少爭(zhēng)議和問(wèn)題。這些都急需解決，以利于輕鋼住宅在我國(guó)健康快速發(fā)展。 
    二、結(jié)構(gòu)體系選型 
    對(duì)低、多層住宅，目前國(guó)內(nèi)外常用的結(jié)構(gòu)體系主要有： 
    （一）冷彎薄壁型鋼體系 
    構(gòu)件用薄鋼板冷彎成C形、Z形構(gòu)件，可單獨(dú)使用，也可組合使用，桿件間連接采用自攻螺釘。這種體系節(jié)點(diǎn)剛性不易保證，抗側(cè)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(guó)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(jié)構(gòu)住宅中應(yīng)用最廣?？v橫向都設(shè)成鋼框架，門窗設(shè)置靈活，可提供較大的開間，便于用戶二次設(shè)計(jì)，滿足各種生活需求。鋼框架考慮樓蓋的組合作用，運(yùn)用在低多層住宅中，一般 都能滿足抗側(cè)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(shè)計(jì) 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(qū)域，為提高體系的抗側(cè)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(cè)體系，而且梁柱節(jié)點(diǎn)，柱腳節(jié)點(diǎn)可設(shè)計(jì)成鉸接、半剛接，施工構(gòu)造簡(jiǎn)單，基礎(chǔ)主要承受軸力， 體形較小，因此成為人們青睞的對(duì)象。 
    （四）框架剪力墻體系 
    在低多層住宅中，可以應(yīng)用傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)板是一種理想的抗側(cè)結(jié)構(gòu)?？涨唤Y(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guó)，澳大利亞等國(guó)還開發(fā)了交錯(cuò)桁架體系，比較新穎。 
    三、 主要構(gòu)件設(shè)計(jì) 
    （一）柱 
    前已述及，鋼結(jié)構(gòu)住宅一般為大開間，框架柱在兩個(gè)方向都承受較大的彎矩，同時(shí)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(shì)必造成材料浪費(fèi)。因 此對(duì)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(duì)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(cè)向剛度，防火性能好，而且結(jié) 構(gòu)破壞時(shí)柱體不會(huì)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(chǎng)施工，應(yīng)加大力度開發(fā)研究。 
    （二）樓蓋 
    在多層輕鋼房屋中，樓蓋結(jié)構(gòu)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(cè)力結(jié)構(gòu)的空間協(xié)調(diào)作用；另外從抗震角度來(lái)看，還應(yīng)采用相應(yīng)的技術(shù)和構(gòu)造措施減輕樓板自 重。常用的樓蓋結(jié)構(gòu)有：壓型鋼板－現(xiàn)澆混凝土組合樓板，現(xiàn)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(shè)置抗剪鍵，也偏保守地假設(shè)鋼結(jié)構(gòu)承受全部荷載，這樣不僅增加材料用量和結(jié)構(gòu)自重，反而會(huì)造成強(qiáng)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(duì)梁剛度以及結(jié)構(gòu)整體剛度的影響。 
    表1 截面慣性矩對(duì)比 
    構(gòu)件名稱 截面慣性矩 組合前后的對(duì)比 
    主梁（負(fù)彎矩區(qū)） 1.51（2.22） 1.47 
    主梁（正彎矩區(qū)） 1.51（4.28） 2.83 
    次梁 0.797（2.48） 3.11 
    注：括號(hào)內(nèi)為考慮年組合作用的情況 

    表2 結(jié)構(gòu)位移對(duì)比 
    結(jié)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(hào)內(nèi)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?shù)膫?cè)移大為減少，此考慮組合作用應(yīng)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(shì)。 
    （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(qiáng)震作用下具有良好的吸能耗能性能，而且為門窗洞的布置提供了有利條件，目前國(guó)內(nèi)用的還很少，建議在高烈度區(qū)首選偏交支撐。剪切型耗能梁段，加勁肋按以下公式設(shè)計(jì)： 
    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(zhuǎn)角；彎曲型耗能梁段還需在梁段端點(diǎn)外1.5bf處加設(shè)加勁肋。 
    （四）節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì) 
    框架梁柱節(jié)點(diǎn)一般采用兩種連接方法，根據(jù)"常用設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。震害表明，這種設(shè)計(jì)不能有效滿足"強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件"的抗震要求，在高烈度區(qū)隱患 很大。改進(jìn)的框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，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(yàn)算公式確定： 
    式中： 為基于極限強(qiáng)度最小值的節(jié)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(dān)；為梁件的 全塑性受彎承載力； 為基于極限強(qiáng)度最小值的節(jié)點(diǎn)連接最大受剪承載力，僅由腹板的連接承擔(dān)；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(shè)計(jì)值。 
    四、結(jié)論 
    1）低、多層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅考慮樓蓋與鋼梁的組合作用，可顯著減小主梁撓度和柱頂位移。 
 　2）為改進(jìn)框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能，可在梁端上下翼緣加焊楔形蓋板或?qū)⒘憾松舷乱砭壖訉挕?nbsp;
 　3）設(shè)偏心支撐時(shí)，梁應(yīng)根據(jù)耗能梁段的受力類型設(shè)置加勁肋。