多层民用轻钢住宅结构设计技术探讨_行业资讯_长沙中扬钢结构有限公司
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    多层民用轻钢住宅结构设计技术探讨

    钢结构住宅具有重量轻、抗震性能好、可现场装配的优势,符合住宅产业化的发展战略。目前,钢结构应用于低、多高层住宅在结构体系上已经较成熟,但与之配套的围护体系、关键的应用技术研究却相对滞后。因此本文对住宅轻钢结构设计进行了分析。

    1、结构体系的选择

    建筑层数越多,高度越高,则由于风力或地震力引起的侧向力就越大,建筑物必须有相应的刚度来抵抗侧向力。因此,结构体系也就需要不断的发展。目前,多层和小高层钢结构建筑常用的结构体系有以下几种。

    (1)框支结构体系。纯框架在风、地震荷载作用下,侧移不符合要求时,可以采用带支撑的框架,即在框架体系中,沿结构的纵、横两个方向布置一定数量的支撑。在这种体系中,框架的布置原则和柱网尺寸,基本上与框架体系相同,支撑大多沿楼面中心部位服务面积的周围布置,沿纵向布置的支撑和沿横向布置的支撑相连接,形成一个支撑芯筒。采用由轴向受力杆件形成的竖向支撑来取代由抗弯杆件形成的框架结构,能获得比纯框架结构大的多的抗侧力刚度,可以明显减小建筑物的层间位移。

    (2)框架剪力墙结构体系。在框架结构中布置一定数量的剪力墙可以组成框架剪力墙结构体系,这种结构以剪力墙作为抗侧力结构,既具有框架结构平面布置灵活、使用方便的特点,又有较大的刚度。当钢筋混凝土墙沿服务性面积(如樓梯间、电梯间和卫生间)周围设置,就形成框架多筒体结构体系。这种结构体系在各个方向都具有较大的抗侧力刚度,成为主要的抗侧力构件,承担大部分水平荷载,钢框架主要承受竖向荷载。

    2、主要构件设计

    2.1柱子

    钢结构住宅一般为大开间,框架柱在两个方向都承受较大的弯矩,同时应该考虑强柱弱梁的 要求。而目前广泛使用的焊接H型钢或I字热轧钢截面,强弱轴惯性矩之比3~10,势必造成材料浪费。因此对于轴压比较大,双向弯矩接近,梁截面较高的框架柱采用双轴等强的钢管柱或方钢管混凝土柱是适宜的。对于方钢管混凝土柱,不仅截面受力合理,同时可以提高框架的侧向刚度,防火性能好,而且结构破坏时柱体不会迅速屈曲破坏。因此,尽管平面受力结构中,选用H型钢或I字钢在受力上还是合理的但总体上,箱形钢管柱尤其是方钢管混凝土柱应得到广泛应用。方钢管混凝土柱将是钢结构住宅发展的主要方向,但由于缺乏相应的规范、规程,目前在住宅中应用还很少。尤其钢管砼梁、柱的连接较为复杂,不利于工厂制作和现场施工,应加大力度开发研究。

    2.2楼面屋盖结构

    楼面和屋盖必须有足够的强度,刚度和稳定性,同时应当尽量减少楼板厚度,增加室内净高。压型钢板-混凝土组合楼盖是目前应用较为广泛的形式。它具有施工速度快,平面刚度大,增加房屋净高的优点。具体做法是在钢梁上铺设压型钢板,再现浇100~150mm混凝土。在钢梁上焊接足够的剪力连接件,使钢梁与混凝土协同工作构成组合楼盖。这种做法耗钢量较大,且需防火处理。可以用预应力钢筋混凝土薄板取代压型钢板。此外,预应力圆孔板、迭合板、组合扁梁也是常用形式。

    2.3支撑和剪力墙形式

    多层框架钢结构体系的侧向刚度较弱,随着层数的增加,为了抵抗水平地震作用,减小层间错移,常在墙体内布置垂直支撑,为了方便门窗开洞,支撑形式可以灵活采用,如X型、单斜杆型、K型、M型、W型、V型和人型等。建议多采用偏心支撑,因其在地震作用下具有较好的延性和耗能性能。

    剪力墙按其材料和结构的形式可分为钢筋混凝土剪力墙、钢筋混凝土带缝剪力墙和钢板剪力墙等。钢筋混凝土剪力墙刚度较大,地震时易发生应力集中,导致墙体产生斜向大裂缝而脆性破坏。为避免这种现象,可采用带缝剪力墙。钢板剪力墙是以钢板做成剪力墙结构,与钢框架组合,起到刚性构件的作用。

    3、节点设计

    在结构分析前,就应该对节点的形式有充分思考与确定。常常出现的一种情况是,最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致,这必须避免。

    具体设计主要包括以下内容:

    3.1焊接

    对焊接焊缝的尺寸及形式等,规范有强制规定,应严格遵守。焊条的选用应和被连接金属材质适应。E43对应Q235,E50对应Q345. Q235与Q345连接时,应该选择低强度的E43,而不是E50.

    焊接设计中不得任意加大焊缝。焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近。其他详细内容可查规范关于焊缝构造方面的规定。

    3.2栓接

    铆接形式,在建筑工程中,现已很少采用。

    普通螺栓抗剪性能差,可在次要结构部位使用。

    高强螺栓,使用日益广泛。常用8.8s和10.9s两个强度等级。根据受力特点分承压型和摩擦型。两者计算方法不同。高强螺栓最小规格M12.常用M16~M30.超大规格的螺栓性能不稳定,设计中应慎重使用。

    自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接。国外在低层墙板式住宅中,也常用于主结构的连接。

    3.3 连接板

    可简单取其厚度为梁腹板厚度加4mm.然后验算净截面抗剪等。

    3.4 梁腹板

    应验算栓孔处腹板的净截面抗剪。承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压。

    3.5 节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。构件运到现场无法安装是初学者常犯的错误。此外,还应尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定。

    3.6 节点设计还应考虑制造厂的工艺水平。比如钢管连接节点的相贯线的切口需要数控机床等设备才能完成。

    结语:

    当前我国钢结构研究已进入一个新阶段,应及时把握其发展趋势,结合我国国情,积极借鉴并吸纳国外成熟技术,注意各专业间的相互配合,促进钢结构住宅产业化发展,相信我国钢结构住宅的发展前景是美好的。


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