多層輕鋼結構的住宅設計

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一、前言 
    輕鋼結構住宅相比于傳統(tǒng)住宅，有其突出的優(yōu)點： 
    （1）輕鋼結構配件制作工廠化和機械化程度高，商品化程度高。 
    （2）現(xiàn)場施工速度快，主要為干作業(yè)，有利于文明施工。 
    （3）鋼結構建筑是環(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)濟指標不高于鋼筋混凝土結構。 
    隨著我國鋼產(chǎn)量的快 速增長，對用鋼政策由限制用鋼到合理用鋼到積極用鋼，國務院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。不過，多層輕鋼結構的研究還處于起動階段，研究力度還不夠，實際設計和施工還存在不少爭議和問題。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(jié)點剛性不易保證，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，門窗設置靈活，可提供較大的開間，便于用戶二次設計，滿足各種生活需求。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 施工時須慎重處理。 
    （三）框架支撐體系 
    在風載或地震作用較大區(qū)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(jié)點，柱腳節(jié)點可設計成鉸接、半剛接，施工構造簡單，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(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間，框架柱在兩個方向都承受較大的彎矩，同時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，同時可以提高框架的側向剛度，防火性能好，而且結 構破壞時柱體不會迅速屈曲破壞。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(guī)范、規(guī)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，不利于工廠制作和現(xiàn)場施工，應加大力度開發(fā)研究。 
    （二）樓蓋 
    在多層輕鋼房屋中，樓蓋結構的選擇至關重要，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；另外從抗震角度來看，還應采用相應的技術和構造措施減輕樓板自 重。常用的樓蓋結構有：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，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 截面慣性矩 組合前后的對比 
    主梁（負彎矩區(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?shù)膫纫拼鬄闇p少，此考慮組合作用應予關注。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(qū)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外1.5bf處加設加勁肋。 
    （四）節(jié)點抗震設計 
    框架梁柱節(jié)點一般采用兩種連接方法，根據(jù)"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行設計。震害表明，這種設計不能有效滿足"強節(jié)點弱桿件"的抗震要求，在高烈度區(qū)隱患 很大。改進的框架節(jié)點設計，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(jié)點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(jié)點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，可顯著減小主梁撓度和柱頂位移。 
 　2）為改進框架節(jié)點的抗震性能，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，梁應根據(jù)耗能梁段的受力類型設置加勁肋。