多层钢结构住宅结构设计探讨

江苏建筑　２０１１年第５期（总第１４３期）　４９　多层钢结构住宅结构设计探讨　曹飞　（安徽省投资集团公司，安徽合肥２３００２２）　【摘　要］　从住宅建筑的发展来看，钢结构住宅具有强度高、自重轻、抗震性好、施工污染少、可循环再生、使用率高等一系　列优点．发展钢结构住宅可提高住宅的产业化水平和居住功能水准。文章对多层钢结构住宅结构设计进行探讨。　【关键词】　钢结构；多层住宅；结构设计　［中图分类号】ＴＵ３９１：ＴＵ２４１．７【文献标识码］Ａ［文章编号］ｌ００５—６２７０｛２０１１）０５—００４９—０３　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ　ｏｎ　Ｍｕｌｔｉ－ｓｔｏｒｅｙ　Ｓｔｅｅｌ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ＣＡ０　Ｆｅｉ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ａｎｈｕｉ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ　Ｇｒｏｕｐ，Ｈｅｆｅｉ　Ａｎｈｕｉ　２３００２２　Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ，ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｈｏｕｓｉｎｇ　ｈａｓ　ａ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｗｉｔｈ　ｌｉｇｈｔ　ｗｅｉｇｈｔ，ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｔｏ　ｓｈｏｃｋ，ｇｏｏｄ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｌｅｓｓ　ｃｏｎｓｔｕｒｃｔｉｏｎ　ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，ｒｅｃｙ—　ｃｌｅｄ　ｕｓａｇｅ，ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｕｓａｇｅ　ｒａｔｅ．Ｓｔｅｅｌ　ｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｃａｎ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｄｏｍｅｓｔｉｃ　ｓｔｅｅｌ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ｌｅｖｅｌ　ａｎｄ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｏｆ　ｌｉｖｉｎｇ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ—ｓｔｏｒｅｙ　ｓｔｅｅｌ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｅｘｐｌａｉｎｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｍｕｌｔｉ－ｓｔｏｒｅｙ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　０前言　用钢结构连接简单的特点，在垂直平面内比传统结构能更　钢结构是以钢材为材料做成受力构件的结构。钢结构　好地应用错层、跃层结构。由于钢结构住宅的构件截面尺寸　与其它结构相比，在使用功能、设计、施工以及综合经济方　小，可以增加使用面积，提高得房率。　面都具有优势。钢结构住宅以自重轻、基础造价低、施工快、　ｌ－３承载强度高，抗震性能好　周期短、投资回收快、施工污染环境少、抗震性能好等综合　相同的荷载，钢结构截面最小，相同的截面，钢结构承　优势而受到各方的重视。　载力最大。在抗震设防区。由于钢结构重量轻．６层轻钢住　１　钢结构住宅的应用优势　宅的重量仅相当于４层砖混结构的重量，因此，本身所受　钢结构在住宅建筑中应用的优势主要体现在以下几个　的地震作用小；而且，钢材具有高延性，有较好的耗能能力，　方面：　因此。抗震性能好．结构安全度高。　１．１’设计制造周期短，设计生产一体化　１．４施工优势突出，综合造价低　现代结构设计借助于计算机和专业化结构分析软件，　现浇混凝土需要连续施工．在我国北方地区受到施工　使得设计周期大大缩短。设计中的修改和调整非常方便。　季节的影响。钢结构的大部分构件在工厂生产．运往现场　同时，由于钢结构具有工厂预制、现场安装的特点，可以将　通过焊接或螺栓进行整体组装，可全天候作业。施工现场　前期设计和现场的生产手段相结合，通过网络计算机和数　作业量小，减少了施工临时用地，对周围环境污染小，提高　控机床结合，使设计人员在工作室中完成设计后，即由工　了施工的机械化水平。施工时可以节省支模、拆模的材料。　厂的生产线完成产品制作，具有极高的效率和精确度，可以　由此降低成本，大大加快施工速度。资金价值在施工中充　大大减少项目建设周期。　分体现，减少资金成本．对开发商的销售和资金回笼极为　１．２有利合理布置功能区间　有利。钢结构承载力高，可以实现结构的大开间布置，构件　在居住建筑中．建筑师和居民一直希望能够有大跨的　截面小，自重比较轻，地基的处理比较容易，可以采用天然　无竖向结构的空间，这样，可以根据需求进行灵活隔断，使　基础形式。由于基础在工程造价中占有比重比较大，上部　室内布置呈多样化。传统住宅由于所用材料的性质，限制　结构重量轻可以降低基础的造价，从而减少整个项目的投　了空间布置的自由。钢结构住宅可以利用钢材强度高的特　资。　点。采用大开间柱网布置，使建筑平面分隔灵活，可以利用　【收稿日￣］１２０１１—０４　非承重墙体灵活分隔室内空间，形成开放式住宅。同时，利　【作者简介】曹飞，男，安徽省投资集团公司，工程师。　５０　２结构体系选择与结构布置　多层钢结构住宅可以选用的建筑结构体系主要有纯框　架体系、框架一支撑体系、交错桁架结构体系等。　２．１　框架体系和框架一支撑体系　框架体系是由基础、柱、梁、板结构件组成。框架结构体　系平面布置灵活，可提供较大的室内空间，结构各部分刚度　均匀．结构有较好的延性，自振周期较长，延性较好；但框架结　构的侧向刚度较小，在水平荷载作用下位移较大，易引起非　结构构件破坏。在房屋层数较多时，为增加横向抗侧移刚度，　同时减小柱子的计算长度　增强稳定性，可采用框架一支撑　体系。框架一支撑体系在梁柱框架基础上沿竖向布置抗剪　支撑构件，水平剪力主要由腹杆轴力的水平分量承担而不　是南柱承受。　多层住宅框架体系和框架一支撑体系的梁柱截面可采　用轧制或焊接Ｈ形截面、方钢管等，支撑构件多采用角钢或　部分Ｔ型截面。在７。抗震设防区多层住宅的用钢量多在　３５　ｋｇ／ｍｚ～４０　ｋｇ］ｍ２。在结构平面布置卜宜采用大梓网、大　开问的结构布置形式，柱距５　ｍ～８　ｍ较常见。框架柱在房　屋横向、纵向成列布置、不宜错开太多，若设置支撑构件时，　应注意避让门窗洞口或设在无孔口的分户墙中。　２．２交错桁架结构体系　交错桁架结构体系的基本组成是柱子、桁架、梁和板。　柱子仅布置在房屋周围，不设中间柱。桁架跨度等于建筑　全宽。高度等于楼层高度，桁架两端支承在外嗣柱上，在相邻　柱轴线上为上、下层交错布置。而楼板一端支承在桁架的　上弦杆．另一端悬挂在相邻桁架的下弦杆。建筑纵向外围　各柱通过连梁连接。建筑水平荷载主要被桁架中斜腹杆轴　力的水平分量所平衡．水平荷载最终通过落地桁架的斜腹　杆或底层斜撑传至基础。桁架杆件截面可采用角钢、焊接　Ｔ型、Ｈ型或方管截面。柱截而通常采用Ｈ型、钢管等。　交错桁架结构体系中杆件受力合理，大部分杆件以受轴心　力为主．用钢量节约，在７ｏ抗震设防区，其用钢量较框架结　构节约１０％左右．当建筑横向尺寸较大，这一优势将更明　显；桁架结构抗侧移刚度大，位移也较小，柱强轴可布置在　纵向．以加大结构纵向侧移刚度。交错桁架结构体系结构布　置时注意使一层桁架的斜腹杆落地（与基础梁连接）或通过　底层斜撑传至基础。否则结构水平位移过大，难以满足规范　要求　还应注意水平、竖向结构布置要做到规则对称。从结　构布置上说，交错桁架结构体系可以提供两倍于框架结构　体系的更大开问．进深也大大增加。可以提供更大的使用面　积。此外，交错桁架结构体系柱子数目较少，所以基础数量　较少，能够进一步节约材料。　在设计中采用何种结构体系，应综合考虑多种影响因　素。除分析建筑高度、受力特点、合理柱网尺寸等结构因　素外，还应该考虑施工的难易程度、用钢量、施工速度、造　价、宜改变布置的大空问更适应现代生活等因素的影响。　３节点设计及结构计算　江苏建筑　２ｏｉｌ年第５期（总第１４３期）　图１　钢框架体系　图２交错桁架体系　在钢结构住宅体系中，节点的设计相当重要。节点设　计不仅应做到传力可靠连接方便．还应该注意节点的受力　特征应和计算模型相吻合，这样才能保证结构的安全可靠。　按传力特征来分，钢结构节点可分为铰接、刚接和半刚接节　点。铰接节点构造简单，在受弯构件中引起跨中弯矩较大，用　钢量增多；剐接节点连接可减小跨中弯矩，节约用钢，但构造　较复杂。在框架结构多层住宅中，柱多采用Ｈ型截面，强轴　布置在横向，横向梁柱通常为剐接节点。纵向腹板一般较薄，　亦可采用铰接节点。框架一支撑结构中梁柱节点可以是铰　接或半刚接。支撑与构件的连接、交错桁架结构中桁架杆件　的连接、桁架与柱连接通常设计为铰接节点。交错桁架结　构中纵向连梁与柱可设计为刚接。　存刚性连接中，应审视节点域的问题．节点域直接影响　到节点的强度、网４度、变形及抗震性能。当节点域验算不　满足时．不廊该简单的调整构件截面尺寸．这样可能带来用　钢量的大量增加，可以考虑采用在柱腹板处贴焊补强板、梁　上下翼缘加楔形盖板、狗骨法等方法解决。　多层钢结构住宅设计计算可采用设计单位较普及的　ＳＴＳ、ＭＴｓ、ＳＡＰ２０００、ＡＮＳＹＳ等钢结构设计软件。对计算结　果要逐一审核，包含周期、位移、应力比等方面，应重视结构　设计的优化以节约用钢量。　４围护墙体的选取　为突出钢结构自重轻、布置灵活、可改性好的特点，钢　结构住宅不宜采用传统的“砖”类或其它自重较大的材料。　而多采用“板”“块”类墙体。在多层住宅中，可选择加气混　凝土砌块、压型钢板加轻质保温材料组成的复合墙体、蒸压　轻质加气混凝ｔ（ＡＬＣ）板、钢丝网水泥增夹芯板等墙体。ＡＬＣ　板是目前应用较多的一种墙体材料。内墙也可采用纸面石　膏板、纤维石膏板、玻璃纤维增强水泥板、纸面稻草板等。　５楼盖体系　江苏建筑　２０１１年第５期（总第１４３期）　钢结构防腐起着积极的作用。此外．选材上可以考虑采用耐　多层钢结构住宅房屋的楼板不仅起着传递竖向荷载的　作用：在水平荷载作用下。还起着保证抗侧力构件空间协调　的作用。因此．楼板必须有足够的承载力、刚度和整体性。目　前。钢结构住宅中较多地采用压型钢板混凝土组合楼板。由　于组合楼板担负着传递水平力的作用．故而钢梁与压型钢　火耐候钢等防火防腐性能优良的钢材，这样可减少防火涂　料的使用量，省去防锈漆，大大节约后期维护工本，不仅如此，　耐火耐候钢还具有自愈性和永久性，即在钢材使用中表面　受擦撞或火灾后，其耐火耐候性不变。　７结语　板连接处应设置必要的栓钉．压型钢板组合楼板有蝶型压　型钢板楼板、劲扣式压型钢板楼板等．对钢结构住宅可采用　劲扣式压型钢板。其内口封闭。平整的板底外观不需要再做　吊顶。　总之．钢结构住宅体系具有混凝土结构所无法比拟的　优点．如抗震性能好、施工快、造价合理等。在我国努力建　设节约型社会、大力推广住宅产业化的形势下，钢结构体　６防火防腐做法　系必将成为住宅体系的主流，钢结构住宅体系的发展和应　用一定会有广阔的前景。本文立足设计的角度，对钢结构住　钢材耐火性能差。温度达到６００℃时，钢材基本丧失强　度和刚度，钢材容易锈蚀，锈蚀后截面面积减小引起构件承　载力降低。钢结构建筑的防火防腐是一个特别重要的问题。　常用的防火措施有防火涂料法、隔离法、实心包裹法、膨胀　漆覆盖法等。从施工等角度考虑，多层住宅中可根据钢结构　宅的发展进行介绍，提出了多层钢结构住宅中应注意的几　个问题并就相应的解决措施进行了探讨。　参考文献　【１】ＧＢ５００１７—２００３钢结构设计规范［Ｓ】．北京：中国计划出　版社，２００３＿　的部位不同分别采用厚型或薄型防火涂料，并在露明部位　加涂装饰漆来防火。钢结构的防腐一般采用工厂制作时涂　刷防锈漆解决，除这种必须采取的防锈措施外，尚应注意构　造防腐．即设计中尽量避免出现难于检查、清刷和油漆之处，　避免出现能积留湿气和大量灰尘的死角或凹槽。这些构造　措施可为减缓钢结构的锈蚀速度创造一个良好的环境，对　［２】ＪＧＪ７—２０１０空间网格结构技术规程［Ｓ】．北京：中国建筑　工业出版社．２０１０．　【３】ＣＥＣＳ　２００：２００６建筑钢结构防火技术规范【Ｓ】．北京：中　国计划出版社．２００６．　（上接第４８页）　以上各条均体现了人防地下室结构设计经济合理性的　要求。除此之外，还应坚持以下几个设计原则：　（１）对没有爆炸动荷载或常规武器作用部位，则不应考　爆炸动荷载与结构物之间的相互作用机理相当复杂，　目前规范中的很多计算公式还是半理论半经验性质的。所　以防空地下室结构设计更强调概念设计和结构构造，在很　虑有等效荷载作用，并且一般不考虑压缩波和空气冲击波　两者同时作用。　多方面有不同于普通地下室结构设计的要求，且要求更加　严格，比如跨中拉筋伸人支座的锚固长度要增加，钢筋搭接　截面和最大受力截面处的箍筋间距要加密，主筋最小配筋　（２）人防构件考虑塑性阶段工作。由于构件在塑性阶段　工作可比仅在弹性阶段工作吸收更多的荷载能量，以此可　充分利用材料潜力，如钢筋混凝土受弯构件，在屈服后还要　率和最小配箍率可能要适当提高。墙板中的钢筋一般要求　双层双向等等。我们要理解人防结构设计的内涵，把握其内　经历很大变形才会完全坍塌，如考虑塑性阶段工作，可承受　更大动力荷载，因此有较大经济意义。　（３）在防空地下室设计中，不能直接采用静力作用下计　在本质．才能做出合格的设计。　参考文献　［１】ＧＢ５００３８—２００５人民防空地下室设计规范ｆＳ】．中国建筑　工业出版社．２ｏ０５．　算图表进行截面设计．否则将造成不应有的浪费。这是由于　加入综合调整系数使得等效静荷载与其等量的静荷载并不　等价。在抗弯验算中，其差异恰好反应在综合调整系数上，　［２】ＧＢ５０２２５—２００５人民防空工程设计规范【Ｓ】．中国建筑工　业出版社．２００５．　而在抗剪、抗压验算中，其差异除了与综合调整系数有关　外，还与材料强度折减系数等有关。　（４）门框墙的设计一般是按悬臂梁计算，但需注意的就　是因平时使用时需要的出入口通道均较宽。而战时又相应　较窄，这样有可能会使门框墙的悬臂长度过长，而使水平筋　过大，这种情况下，可考虑在不影响功能使用的前提下，加　设柱、梁改变门框墙的受力形式，得到较为经济的设计效　果。　９结语　［３】ＧＢ５００１０—２００２混凝土结构设计规范［Ｓ】．中国建筑工业　出版社．２００２．　［４］　ＧＢＳＯ０１１－２０１０建筑抗震设计规范【Ｓ】．中国建筑工业　出版社．２Ｏ１０．　【５】　《人民防空地下室设计规范》管理组编．防空地下室设　计教材ｆＭ】．　【６】　曹继勇，张尚根．人民防空地下室结构设计［ｍ１．中国计　划出版社．２０ｏ６，８．