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总结版-钢结构住宅设计(钢结构住宅体系选择)
作者:管理员    发布于:2017-11-21 21:53:05    文字:【】【】【
  从设计角度分析钢结构住宅体系的特点,介绍异型钢柱住宅项目的设计思路。针对框架结构采用不同阻尼比、基础方案等问题进行数据对比分析;总结设计中常见问题注意事项;对设计标准提出不同意见

一、钢结构住宅体系选择从已建成的钢结构住宅来看,

主要有:

1)薄壁型钢组合墙板形式;

2)纯框架形式;

3)框架支撑形式;

4)型钢混凝土组合形式

5)钢框架-混凝土抗震墙形式等等。

这些结构形式各有特点,其中薄壁型钢组合墙板形式特别适宜定型产品,其体系是从墙板结构演变而来,即将薄壁型钢柱构件按大约600mm 的间距布置形成竖向承重结构、型钢间设支撑系统以抵抗水平力,楼板根据竖向型钢的位置布置成密肋支撑结构,因上部结构为类墙板结构,其基础根据受力情况设成条形基础,对地基要求不高。

薄壁型钢组合墙板住宅受密布结构的影响,对开间、门窗洞口、挑出构件尺寸均有一定限制。

后面几种形式可以满足多高层住宅设计要求,但从使用的角度都存在一个共同问题,即梁柱突出对住宅内部观感的影响。

住宅相对于其它建筑有其特殊性,办公、厂房可以采用较为固定柱网,层高也较高,其梁柱所占空间给人的感观是适宜的,柱网规则有利于梁的布置。

相反住宅是一个变化多端的产品,根据建筑的要求,很少布置出规则的柱网,房内开间相对较小、变化较多,不利于钢框架布置。

由于钢材的特点,它在住宅中只能形成框架体系或桁架体系,可以说框架体系如果适用于普通住宅,钢框架必然有其大显身手的地方,普通框架结构不能解决住宅应用问题的话,常规钢框架体系在普通住宅中应用也有相似的弱点。

受短肢剪力墙结构的启发,笔者在钢结构住宅设计中将钢柱设计成异型柱形式,以配合建筑变化的要求,图1 是两种异型钢柱截面,根据建筑墙体厚度减去面层厚度来设定翼缘宽度,框架梁与异型钢柱各个方向的翼缘刚接,图2 为相应的节点连接详图。

异型钢柱示意图
南宁钢结构加工
南宁钢结构加工
  

异型钢柱梁柱节点详图
南宁钢结构加工
南宁钢结构加工

  某住宅项目三层样板间设计成异型钢柱纯框架结构,建筑采用砌块隔墙,建成后外部及室内观感均令人满意,与该住宅成品(混凝土剪力墙结构)实际效果一致,下图是样板间实景。
南宁钢结构加工


在工业厂房设计中经常采用异型钢柱,采用排架受力体系时,异型钢柱经常设计成双轴对称或主受力方向单轴对称,厂房纵向采用支撑系统抵抗纵向水平力,系杆、支撑构件多连接于异型柱弱轴形心轴上,这样在结构概念设计及采用杆系软件计算容易处理。

住宅中应用异型钢柱与厂房设计还是有很大区别的,下图是厂房梁柱连接方式与住宅梁柱连接方式的简单比较, 
 
南宁钢结构加工
可以看出在住宅中,梁柱的截面形心轴不在同一位置上,不符合常规设计理念,在采用杆系软件计算时无法解决偏轴问题。 

尽管如此,与短肢剪力墙结构相比,笔者认为异型柱是在原来较大的矩形框架柱截面或整片混凝土墙修改为的截面面积较小的异型截面,相应地也减少了截面特性,而异型钢柱是在一个工字钢截面上增加一个T型截面,相应地是增加了弱轴方向的截面特性,特别是将钢梁与钢柱弱轴的刚性连接节点转化为与柱翼缘连接,优于常见设计中工字钢柱在弱轴方向设外伸连接板的刚性连接,加强了工字钢柱弱轴稳定,对结构安全是很有利的。 

一般认为工字钢柱弱轴刚性连接不可靠,所以在很多构造手册上建议在弱轴采用铰接框架加支撑体系或者采用钢管柱设计方案,抗震规范“柱在两个互相垂直的方向都与梁刚接时,宜采用箱形截面。当仅在一个方向刚接时,宜采用工字形截面,并将柱腹板置于刚接框架平面内。” 

规范中虽然没有明确说不可采用工字钢柱弱轴与钢梁刚接,但根据抗震规范节点抗震承载力验算要求,弱轴连接一般是无法满足相关条款要求的。
异型工字钢柱相比箱形柱的节点加工容易、施工方便节约钢材,相比框架支撑体系减少了支撑部分的设置,从应用角度可灵活用于住宅墙体中,满足建筑师对住宅内无外露结构构件的要求。 

笔者认为异型钢柱在结构分析中存在以下问题:1)异型钢柱全截面受力情况分析,这里主要指在弱轴上增加 T 型构件,是否就相应的增加了这部分的截面特性,包括 T 型构件偏轴远近的影响,笔者认为钢柱类型不同,截面特性增加比例也会不同; 

2)异型钢柱局部稳定性计算,这点可以参考规范中柱板件宽厚比进行控制;
3)梁柱节点与钢柱形心轴偏离时整体受力分析,采用普通杆系计算软件是不能解决这个问题的。理想的计算模型应该采用有限元整体建模方式进行内力分析, 可以解决上述问题,但建模工作量太大了。 

笔者在设计中根据以下几个原则来确定柱截面:1)按方钢管柱方案进行结构分析,根据计算应力比结果接近 0.9 的情况,选定框架梁截面尺寸,根据方钢管截面特性初选 X,Y 方向上工字钢截面,计算时不考虑腹板作用,初步确定异型柱截面; 

2)按工字钢柱方案进行结构分析,异型柱 T 型构件布置方向,设柔性支撑代替异型柱中 T 型构件在工字钢弱轴上的刚度影响,按有侧移钢框架计算,调整异型钢柱中工字钢截面尺寸;完成后调整工字钢及柔性支撑布置方向,验算 T 型构件与工字钢腹板组成的工字钢截面尺寸; 

3)根据上一步建立的模型,选取工字钢强轴所在的单榀框架进行抗震验算,只参考工字柱强轴应力计算结果,检验异型柱单向受力是否满足; 

4)根据上述计算结果,手工核算梁柱节点处抗震承载能力,基础设计时考虑偏轴引起的附加弯矩; 

5)以普通工字钢柱和方钢管柱按无支撑框架体系分别进行正常设计,其中钢梁按设计所选截面计算,根据合适的计算结果,统计钢柱用钢量以控制异型柱用钢量的上下限。 

上述方法没有可依据的计算公式及条文,对偏轴引起的附加弯矩对整体的影响没有更多处理,这也是笔者只在二三层住宅设计中应用,没在更高的工程里使用异型钢柱的原因。笔者提出异型钢框架方案,希望得到大家的批评指正。