一、钢结构住宅体系选择已建成的钢结构住宅主要有薄壁型钢组合墙板形式、纯框架形式、框架支撑形式、型钢混凝土组合形式、钢框架一混凝土抗震墙形式等等。从使用的角度看，除薄壁型钢组合墙板形式外，其余几种形式都存在一个共同问题，即梁柱突出对住宅内部观感的影响。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，以配合建筑变化的要求，图1(a)，(b)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(c)，(d)为相应的节点连接详图。笔者曾将北京某住宅项目3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，图2是样板间实景。金华钢结构住宅中应用异型钢柱与厂房设计有很大区别，图3是厂房梁柱连接方式与住宅梁柱连接方式的简单比较。异型钢柱是在一个工字钢截面上增加一个T型截面，相应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，加强了工字钢柱的弱轴稳定，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，现行抗震规范GB50011-2001⋯ 第8．3．4．2条也指出“柱在两个互相垂直的方24(c】‘dJ图1 异型钢柱及梁柱节点详图向都与梁刚接时，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⋯ 第8．2．5条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。异型工字钢柱比箱形柱的节点加工容易、施工方便、节约钢材，比框架支撑体系减少了支撑部分的设置，可灵活用于住宅墙体，满足建筑对住宅内无外露构件的要求。维普资讯 http://www.cqvip.com异型钢柱在结构分析中要解决的问题：1)弱轴上增加T型构件后，截面特性的确定；2)异型钢柱局部稳定性计算(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(普通杆系计算软件不能解决)。理想的计算模型应该采用有限元整体建模进行内力分析，可以解决上述问题，但建模工作量太大。图2 采用异型钢柱的样板间笔者在2，3层住宅设计中根据以下原则来确定柱截面：1)按方钢管柱方案进行结构分析，此时所选方钢管不考虑构造要求，如板厚、焊接要求，以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 ，y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，根据异型柱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(其中钢梁按设计已选截面计算)，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。这些原则要用于更高的异型钢柱工程仍需作进一步的研究。回 __{亟弱轴形心轴碧 _r厂房连接方式 住宅连接方式图3 异型钢柱在厂房和住宅中连接方式的对比
二、设计细节问题1．整体计算时选取合适的结构阻尼比阻尼比取值见表1。由表可见，不同的钢结构体系有不同的地震影响系数，如果在结构分析时错误选择阻尼比对设计结果会产生较大影响，其中钢管混凝土和钢一混凝土混合结构由于是两种材料共同作用，在选取阻尼比时，应根据两种材料应用比例综合考虑阻尼比，结构整体刚度越柔，阻尼比选值越低。表2是统一按5层钢框架结构建模，框架柱网尺寸7．0m×7．0m各四跨计算，层高均为3．3m，抗震设防烈度8度，设计分类第一组，Ⅲ类场地土，结构计算采用PKPM 系列软件。钢结构阻尼比应用值 表1结构类型 阻尼比 阻尼调整系数 曲线下降段 直线下悻段口2 衰减指数， 调整系致单层钢结构 0．050 1．00 O．900 0．02012层以下钢结构 0．035 1．13 0 922 0．02212层以上钢结构 0．020 1．32 0．950 0．024罕遇地震钢结构 0．050 1 00 O 900 0．020钢管混凝土结构 O．o35一O．O如 1 13～1．0o O．922一O 900 0．022～O．Oz0钢一混凝土混合结构 o．040 1．O8 0．914 0．021从表2的数据可以看出：钢结构计算时选取阻尼比越大，则层间位移角、基底剪力和底部总弯矩越小，设计时会造成钢结构本身构件验算误差，还会造成基础设计失误。特别应注意，钢结构抗震计算以l2层为计算分界点，阻尼比分别为0．020和0．035，笔者认为计算结果跨越太大，建议在8～11层的整体分析时，特别是高烈度地区应适当调整阻尼比数值，可采取插值法选取，或按0．035与0．020值进行对比补充验算。规范⋯ 中第8．1．3条强制性条文就是强调这个问题。钢框架结构计算结果对比 表2周期 楼 最大层 各层地震力统计方钢管框架 ( 层 闻位移 F 』lfs) 号 角 (kN) (kN•m)阻尼比=0．035，正确 Tl=0．947 8 5 1／1 069 866．8 2 860．4荷载总质量=2 946t T，：0．814 0 4 1／625 719．5 7 700．4标准主振型基底剪力 T3：O．299 0 3 1，466 648．5 l4 002．9=2 444kN 2 1，4l4 576．6 21 351．21 1，592 408．7 29 290．2阻尼比=0．050，正确 Tl=0．947 8 5 1／1183 803．5 2 651．7荷载总质量：2 946t T，=0．814 0 4 1，695 657．6 7 o47．0标准主振型基底剪力 T3=O．299 0 3 1，519 604．7 12 699．9=2 203kN 2 1，459 555．1 19 271．41 1，655 403．0 26 399．62．整体计算时应考虑基础的影响钢结构特别是纯钢框架采用独立柱基的计算中，地震作用下层间位移角是一个重要的控制因素。如果不考虑基础的影响而计算结果又刚刚满足规范要求的话，那么考虑基础共同作用时有多半情况不满足规范限值要求，表3是在表2编号l方钢管框架的模型下增加一层2．0m高基础短柱的计算模型。表3显示基25维普资讯 http://www.cqvip.com考虑基础影响的计算结果 表3周期 楼 最大层 各层地震力统计基础类型 ( 层 F ^彳s) 号 闻位移角 (kN) (kN•m)短 T1：0．981 5 5 l／l 097 851．6 2 762．1柱 阻尼比：0．035 T，：0．842 5 4 l／64l 687．3 7 503．4+ 荷载总质量：3 131t T3：0．310 2 3 l／476 629．9 l3 672．3联 钢构底层基底剪力：2 483kN 2 l／4l4 559．1 20 890．3系 l l／5l4 378．2 28 757．2粱 —l l／3 439独 Tl：O．992 O 5 1／1 109 1 141 2 720．5阻尼比：0．035 T，：0．85l 5 4 1／647 755．5 7 4l5．8基 荷载总质量=3 026t T3：0．313 5 3 1／479 591．5 l3 538．1础 钢构底层基底剪力：2 470kN 2 l／4l4 427．5 20 7I1．6短 l l／490 263．5 28 544．5柱 —l l／2 593础短柱上设基础联系梁要优于独立基础短柱方案。3．刚接柱脚设计常见柱脚分埋人式、外包式和外露式。在住宅设计中多采用外露式，设计时应注意，柱脚的刚度是靠底板的弹性变形或塑性变形来实现的，这就意味着整个结构变形包括钢结构本身变形和底板受拉变形后引起的整体变形。如在分析内力时视外露式为刚性柱脚，设计中需考虑层间位移角限值要有一定富裕，同时应考虑底层钢柱弯矩反弯点下移引起的柱顶弯矩增大 。根据节点设计要求，为保证罕遇地震时不发生柱脚节点先于钢柱破坏，柱脚节点连接处的极限抗弯承载能力应大于1．2倍钢柱全塑性受弯承载力(w一厂)，常见的设计方法是根据柱脚反力来确定柱脚螺栓直径、连接焊缝，这样只能保证柱脚节点在多遇地震作用下具有一定强度而不破坏。柱脚弯矩设计值所需截面抵抗模量一般小于钢柱本身截面抵抗模量(w )，以H628x260x 10x 14工字钢为例，1．2W。 ／W =1．36倍，外露式很难保证这项设计要求，而采用其它两种柱脚方式在传递钢柱内力时很容易满足前项要求，设计中传力明确、计算简单、节省钢材。插入式柱脚构造比埋人式更简单，多层住宅柱脚采用插入式在概念设计和计算设计都满足规范要求的情况下，是没有问题的。新钢结构规范_3 J已增加了插入式柱脚的设计和构造规定。4．楼板设计楼板有预制楼板、现浇楼板、组合楼板等。采用预制楼板时应考虑预制板由于温度变化、荷载分布等原因，造成楼板接缝处开裂形成的单侧翼缘附加弯矩影响，即钢梁平面内整体抗弯应力与翼缘平面外抗弯应力双向组合后要满足折算应力限值，有些项目将楼板搁置在下翼缘上尤其要注意这个问题。压型钢板组合楼盖在钢结构住宅中应用很多，整体分析时要考虑组合板的各向异性对框架梁的影响，包括根据楼板设置26情况确定连续板或简支板、传力路径是单向还是双向、组合钢梁是按强边还是弱边组合造成的刚度差异；楼板设计时要避免集中单向布置楼板，使结构体系形成横向或纵向承重，做到合理布置组合楼板，尽量形成双向承重结构。5．梁柱刚性连接设计梁柱间刚性连接计算可按常用设计法或全截面受弯设计法进行，当钢梁翼缘的抗弯承载力大于整个截面承载力的70％时，可采用常用设计法，小于70％时，应采用全截面抗弯设计法_4 J，在住宅设计中，钢梁多属于前者，常用设计法计算原则为翼缘和腹板分别承担弯矩和剪力，普遍认为计算容易，结果偏于安全。事实上根据文[5]和文[6]的介绍，不做任何处理地将钢梁与钢柱进行栓焊等强连接是很难达到强节点弱杆件的设计要求的，文献从原理上介绍加强式连接原则，设计人员应认真学习该文献的内容。对刚接节点设计要有全新的认识，标准图集01SG519_7 对加强式节点设计有设计及构造详细说明，具体做法主要有三种方式：梁端翼缘加焊楔形盖板、梁端底部加腋、犬骨式连接。通过笔者在实际应用后认为，三者都存在增加施工难度的问题。文献中还推荐过第四种方式：梁端翼缘加宽方式。但在标准图集中不作为主推形式介绍，当建筑对梁宽没有要求的情况下，这种连接方式最为实用、便捷。

三、设计标准的问题

1．“轻型”钢结构概念问题近年来许多设计人员一遇到附属建筑设施或看似不重要的结构时就提出用“轻钢”来解决，却不注重对该部分主体结构的效应分析，事实上结构概念设计时应清楚，“轻型”实际上是指结构承受相对较轻的荷载。住宅设计中不会因为采用钢结构而减少荷载使用标准，结构体系无论采用钢还是混凝土，对构件的效应分析原则上是没有区别的。

2．多高层钢结构设计区别根据规范⋯有关条文，包括钢结构抗震调整系数，框架柱长细比，框架构件宽厚比等控制条款，均以12层作为区分点，因此可以理解为高层钢结构是指12层以上的建筑物。高规_8 中高层是指10层及10层以上或房屋高度超过28m 的建筑，这其中包括混合结构，再参考国外部分国家高层起始高度多设在25～30m或8至11层。由此看来我国的多层钢结构适用范围要高于普通结构，也高于国外标准。多高层钢结构不仅构造不同，相关抗震调整系数也不同，限值差别太大，表1中已说明。笔者认为此区分过于宽泛，举例说明一下：层高平均4m，12层建筑物高度48m，是高规中28m限值的1．7倍，这就产生下面的问题，在混合结构维普资讯中计指导作用不大。它延续了工业建筑钢结构设计指导思想，对民用建筑构件没有细分；温度区段设置要求以排架结构方式进行划分，而不考虑纵横向承重体系、钢混组合结构的特点来划分，特别是强制性条文第8．1．4条“结构应根据其形式、组成和荷载的不同情况，设置可靠的支撑系统。在建筑物的每一个温度区段或分区建设的区段中，应分别设置独立的空间稳定的支撑系统。”从文字上理解，钢结构不应该采用无支撑的纯框架结构，这显然与实际应用不符，设置支撑与否应以结构设计需要来确定，根据条文说明也可以知道这是一个原则规定，但作为强制性条文，必须严格执行值得商榷。民用建筑在使用要求上不同于工业建筑，包括一些结构体系也存在差异，应区别对待。相比其他规范不断完善抗震部分内容，新版只在总则中提到应符合相关抗震规范的规定。我国抗震规范规定应根据抗震设防烈度采取不同的抗震措施，而对钢结构抗震要求却没有任何区别也是不妥的。四、设计钢结构住宅应尊重住宅使用的根本要求钢结构住宅是今后发展的一个重要方向，但钢结构仅仅是建筑中承重体系和服务部分，它不是建筑使用中的主要成分。钢结构住宅设计首先要遵循住宅建筑设计的一般原则，然后才是发挥钢结构的优势，单纯突出钢结构而不考虑生活的舒适性、不能满足人文要求的钢结构住宅项目是没有市场的。不能因为要推广钢材在建筑中的应用，而简单、强行地在住宅结构中使用，这样做对推广钢结构住宅没有实际意义。相对而言，公共建筑、体育场馆、工业厂房等是钢结构在建筑中最能发挥其特长的领域，近年来，我们已经深刻感觉到这种应用变化。

 

 

参 考 文 献

1．建筑抗震设计规范(GBS0011-2001)．中国建筑工业出版社。20o1．

2．陈富生，邱国桦，范重．高层建筑钢结构设计．中国建筑工业出版社．2000．

3．钢结构设计规范(GB50017-2003)．中国计划出版社。2003．

4．加利福尼亚结构工程师协会．抗侧力要求规程．1988．

5．刘其祥，蔡益燕，朱知信等．多高层房屋钢结构梁柱刚性连接节点的抗震设计．建筑结构，2001，3l(8)．

6．刘其祥．多高层房屋钢结构梁柱刚性节点的设计建议．建筑结构，2003，33(9)．

7．多、高层民用建筑钢结构节点构造详图(01SG519)．中国建筑标准设计研究所，2001．

8．高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3—2OO2)．中国建筑工业出版社，2002．

 

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