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金華鋼結構論異型鋼柱結構住宅項目的幾點設計思路
來源:www.shjjbj.com  新聞頻道  時間:2011-7-31 16:34:29  點擊:398
金華鋼結構論鋼結構住宅設計的幾點總結
[提要] 論設計角度分析鋼結構住宅體系的特點,介紹異型鋼柱住宅項目的設計思路。針對框架結構采用不同阻尼比、基礎方案等問題進行數據對比分析,總結設計中常見問題和注意事項,對設計標準提出不同意見。
 
一、鋼結構住宅體系選擇已建成的鋼結構住宅主要有薄壁型鋼組合墻板形式、純框架形式、框架支撐形式、型鋼混凝土組合形式、鋼框架一混凝土抗震墻形式等等。從使用的角度看,除薄壁型鋼組合墻板形式外,其余幾種形式都存在一個共同問題,即梁柱突出對住宅內部觀感的影響。受短肢剪力墻結構的啟發,筆者在鋼結構住宅設計中將鋼柱設計成異型柱,以配合建筑變化的要求,圖1(a),(b)是兩種異型鋼柱截面,根據建筑墻體厚度減去面層厚度來設定翼緣寬度,框架梁與異型鋼柱各個方向的翼緣剛接,圖(c),(d)為相應的節點連接詳圖。筆者曾將北京某住宅項目3層樣板間設計成異型鋼柱純框架結構,建筑采用砌塊隔墻,建成后外部及室內觀感均令人滿意,與該住宅成品(混凝土剪力墻結構)實際效果一致,圖2是樣板間實景。金華鋼結構住宅中應用異型鋼柱與廠房設計有很大區別,圖3是廠房梁柱連接方式與住宅梁柱連接方式的簡單比較。異型鋼柱是在一個工字鋼截面上增加一個T型截面,相應增加了弱軸方向的截面特性,特別是將鋼梁與鋼柱弱軸的剛性連接節點轉化為與柱翼緣連接,優于常見設計中工字鋼柱在弱軸方向設外伸連接板的剛性連接,加強了工字鋼柱的弱軸穩定,對結構安全是很有利的。一般認為工字鋼柱弱軸剛性連接不可靠,所以在很多構造手冊上建議在弱軸采用鉸接框架加支撐體系或者采用鋼管柱設計方案,現行抗震規范GB50011-2001⋯ 第8.3.4.2條也指出“柱在兩個互相垂直的方24(c】‘dJ圖1 異型鋼柱及梁柱節點詳圖向都與梁剛接時,宜采用箱形截面。當僅在一個方向剛接時,宜采用工字形截面,并將柱腹板置于剛接框架平面內。”規范中雖然沒有明確說不可采用工字鋼柱弱軸與鋼梁剛接,但根據抗震規范⋯ 第8.2.5條節點抗震承載力驗算要求,弱軸連接一般是無法滿足相關條款要求的。異型工字鋼柱比箱形柱的節點加工容易、施工方便、節約鋼材,比框架支撐體系減少了支撐部分的設置,可靈活用于住宅墻體,滿足建筑對住宅內無外露構件的要求。維普資訊 http://www.cqvip.com異型鋼柱在結構分析中要解決的問題:1)弱軸上增加T型構件后,截面特性的確定;2)異型鋼柱局部穩定性計算(可以參考規范中柱板件寬厚比進行控制);3)梁柱節點與鋼柱形心軸偏離時整體受力分析(普通桿系計算軟件不能解決)。理想的計算模型應該采用有限元整體建模進行內力分析,可以解決上述問題,但建模工作量太大。圖2 采用異型鋼柱的樣板間筆者在2,3層住宅設計中根據以下原則來確定柱截面:1)按方鋼管柱方案進行結構分析,此時所選方鋼管不考慮構造要求,如板厚、焊接要求,以計算應力比結果接近0.9的情況,選定框架梁截面尺寸,根據方鋼管截面特性初選 ,y向上工字鋼截面,計算時不考慮腹板作用,初步確定異型柱截面;2)按工字鋼柱方案進行結構分析,根據異型柱T型構件布置方向,設柔性支撐代替異型柱中T型構件在工字鋼弱軸上的剛度影響,按有側移鋼框架計算,調整異型鋼柱中工字鋼截面尺寸,完成后調整工字鋼及柔性支撐布置方向,驗算T型構件與工字鋼腹板組成的工字鋼截面尺寸;3)根據上一步建立的模型,選取工字鋼強軸所在的單榀框架進行抗震驗算,只參考工字柱強軸應力計算結果,檢驗異型柱單向受力是否滿足;4)根據上述計算結果,手工核算梁柱節點處抗震承載能力,基礎設計時考慮偏軸引起的附加彎矩;5)以普通工字鋼柱和方鋼管柱按無支撐框架體系分別進行正常設計(其中鋼梁按設計已選截面計算),根據合適的計算結果,統計鋼柱用鋼量以控制異型柱用鋼量的上下限。這些原則要用于更高的異型鋼柱工程仍需作進一步的研究。回 __{亟弱軸形心軸碧 _r廠房連接方式 住宅連接方式圖3 異型鋼柱在廠房和住宅中連接方式的對比
二、設計細節問題1.整體計算時選取合適的結構阻尼比阻尼比取值見表1。由表可見,不同的鋼結構體系有不同的地震影響系數,如果在結構分析時錯誤選擇阻尼比對設計結果會產生較大影響,其中鋼管混凝土和鋼一混凝土混合結構由于是兩種材料共同作用,在選取阻尼比時,應根據兩種材料應用比例綜合考慮阻尼比,結構整體剛度越柔,阻尼比選值越低。表2是統一按5層鋼框架結構建模,框架柱網尺寸7.0m×7.0m各四跨計算,層高均為3.3m,抗震設防烈度8度,設計分類第一組,Ⅲ類場地土,結構計算采用PKPM 系列軟件。鋼結構阻尼比應用值 表1結構類型 阻尼比 阻尼調整系數 曲線下降段 直線下悻段口2 衰減指數, 調整系致單層鋼結構 0.050 1.00 O.900 0.02012層以下鋼結構 0.035 1.13 0 922 0.02212層以上鋼結構 0.020 1.32 0.950 0.024罕遇地震鋼結構 0.050 1 00 O 900 0.020鋼管混凝土結構 O.o35一O.O如 1 13~1.0o O.922一O 900 0.022~O.Oz0鋼一混凝土混合結構 o.040 1.O8 0.914 0.021從表2的數據可以看出:鋼結構計算時選取阻尼比越大,則層間位移角、基底剪力和底部總彎矩越小,設計時會造成鋼結構本身構件驗算誤差,還會造成基礎設計失誤。特別應注意,鋼結構抗震計算以l2層為計算分界點,阻尼比分別為0.020和0.035,筆者認為計算結果跨越太大,建議在8~11層的整體分析時,特別是高烈度地區應適當調整阻尼比數值,可采取插值法選取,或按0.035與0.020值進行對比補充驗算。規范⋯ 中第8.1.3條強制性條文就是強調這個問題。鋼框架結構計算結果對比 表2周期 樓 最大層 各層地震力統計方鋼管框架 ( 層 聞位移 F 』lfs) 號 角 (kN) (kN•m)阻尼比=0.035,正確 Tl=0.947 8 5 1/1 069 866.8 2 860.4荷載總質量=2 946t T,:0.814 0 4 1/625 719.5 7 700.4標準主振型基底剪力 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,正確 Tl=0.947 8 5 1/1183 803.5 2 651.7荷載總質量:2 946t T,=0.814 0 4 1,695 657.6 7 o47.0標準主振型基底剪力 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.整體計算時應考慮基礎的影響鋼結構特別是純鋼框架采用獨立柱基的計算中,地震作用下層間位移角是一個重要的控制因素。如果不考慮基礎的影響而計算結果又剛剛滿足規范要求的話,那么考慮基礎共同作用時有多半情況不滿足規范限值要求,表3是在表2編號l方鋼管框架的模型下增加一層2.0m高基礎短柱的計算模型。表3顯示基25維普資訊 http://www.cqvip.com考慮基礎影響的計算結果 表3周期 樓 最大層 各層地震力統計基礎類型 ( 層 F ^彳s) 號 聞位移角 (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+ 荷載總質量:3 131t T3:0.310 2 3 l/476 629.9 l3 672.3聯 鋼構底層基底剪力:2 483kN 2 l/4l4 559.1 20 890.3系 l l/5l4 378.2 28 757.2粱 —l l/3 439獨 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 荷載總質量=3 026t T3:0.313 5 3 1/479 591.5 l3 538.1礎 鋼構底層基底剪力:2 470kN 2 l/4l4 427.5 20 7I1.6短 l l/490 263.5 28 544.5柱 —l l/2 593礎短柱上設基礎聯系梁要優于獨立基礎短柱方案。3.剛接柱腳設計常見柱腳分埋人式、外包式和外露式。在住宅設計中多采用外露式,設計時應注意,柱腳的剛度是靠底板的彈性變形或塑性變形來實現的,這就意味著整個結構變形包括鋼結構本身變形和底板受拉變形后引起的整體變形。如在分析內力時視外露式為剛性柱腳,設計中需考慮層間位移角限值要有一定富裕,同時應考慮底層鋼柱彎矩反彎點下移引起的柱頂彎矩增大 。根據節點設計要求,為保證罕遇地震時不發生柱腳節點先于鋼柱破壞,柱腳節點連接處的極限抗彎承載能力應大于1.2倍鋼柱全塑性受彎承載力(w一廠),常見的設計方法是根據柱腳反力來確定柱腳螺栓直徑、連接焊縫,這樣只能保證柱腳節點在多遇地震作用下具有一定強度而不破壞。柱腳彎矩設計值所需截面抵抗模量一般小于鋼柱本身截面抵抗模量(w ),以H628x260x 10x 14工字鋼為例,1.2W。 /W =1.36倍,外露式很難保證這項設計要求,而采用其它兩種柱腳方式在傳遞鋼柱內力時很容易滿足前項要求,設計中傳力明確、計算簡單、節省鋼材。插入式柱腳構造比埋人式更簡單,多層住宅柱腳采用插入式在概念設計和計算設計都滿足規范要求的情況下,是沒有問題的。新鋼結構規范_3 J已增加了插入式柱腳的設計和構造規定。4.樓板設計樓板有預制樓板、現澆樓板、組合樓板等。采用預制樓板時應考慮預制板由于溫度變化、荷載分布等原因,造成樓板接縫處開裂形成的單側翼緣附加彎矩影響,即鋼梁平面內整體抗彎應力與翼緣平面外抗彎應力雙向組合后要滿足折算應力限值,有些項目將樓板擱置在下翼緣上尤其要注意這個問題。壓型鋼板組合樓蓋在鋼結構住宅中應用很多,整體分析時要考慮組合板的各向異性對框架梁的影響,包括根據樓板設置26情況確定連續板或簡支板、傳力路徑是單向還是雙向、組合鋼梁是按強邊還是弱邊組合造成的剛度差異;樓板設計時要避免集中單向布置樓板,使結構體系形成橫向或縱向承重,做到合理布置組合樓板,盡量形成雙向承重結構。5.梁柱剛性連接設計梁柱間剛性連接計算可按常用設計法或全截面受彎設計法進行,當鋼梁翼緣的抗彎承載力大于整個截面承載力的70%時,可采用常用設計法,小于70%時,應采用全截面抗彎設計法_4 J,在住宅設計中,鋼梁多屬于前者,常用設計法計算原則為翼緣和腹板分別承擔彎矩和剪力,普遍認為計算容易,結果偏于安全。事實上根據文[5]和文[6]的介紹,不做任何處理地將鋼梁與鋼柱進行栓焊等強連接是很難達到強節點弱桿件的設計要求的,文獻從原理上介紹加強式連接原則,設計人員應認真學習該文獻的內容。對剛接節點設計要有全新的認識,標準圖集01SG519_7 對加強式節點設計有設計及構造詳細說明,具體做法主要有三種方式:梁端翼緣加焊楔形蓋板、梁端底部加腋、犬骨式連接。通過筆者在實際應用后認為,三者都存在增加施工難度的問題。文獻中還推薦過第四種方式:梁端翼緣加寬方式。但在標準圖集中不作為主推形式介紹,當建筑對梁寬沒有要求的情況下,這種連接方式最為實用、便捷。
三、設計標準的問題
1.“輕型”鋼結構概念問題近年來許多設計人員一遇到附屬建筑設施或看似不重要的結構時就提出用“輕鋼”來解決,卻不注重對該部分主體結構的效應分析,事實上結構概念設計時應清楚,“輕型”實際上是指結構承受相對較輕的荷載。住宅設計中不會因為采用鋼結構而減少荷載使用標準,結構體系無論采用鋼還是混凝土,對構件的效應分析原則上是沒有區別的。
2.多高層鋼結構設計區別根據規范⋯有關條文,包括鋼結構抗震調整系數,框架柱長細比,框架構件寬厚比等控制條款,均以12層作為區分點,因此可以理解為高層鋼結構是指12層以上的建筑物。高規_8 中高層是指10層及10層以上或房屋高度超過28m 的建筑,這其中包括混合結構,再參考國外部分國家高層起始高度多設在25~30m或8至11層。由此看來我國的多層鋼結構適用范圍要高于普通結構,也高于國外標準。多高層鋼結構不僅構造不同,相關抗震調整系數也不同,限值差別太大,表1中已說明。筆者認為此區分過于寬泛,舉例說明一下:層高平均4m,12層建筑物高度48m,是高規中28m限值的1.7倍,這就產生下面的問題,在混合結構維普資訊中計指導作用不大。它延續了工業建筑鋼結構設計指導思想,對民用建筑構件沒有細分;溫度區段設置要求以排架結構方式進行劃分,而不考慮縱橫向承重體系、鋼混組合結構的特點來劃分,特別是強制性條文第8.1.4條“結構應根據其形式、組成和荷載的不同情況,設置可靠的支撐系統。在建筑物的每一個溫度區段或分區建設的區段中,應分別設置獨立的空間穩定的支撐系統。”從文字上理解,鋼結構不應該采用無支撐的純框架結構,這顯然與實際應用不符,設置支撐與否應以結構設計需要來確定,根據條文說明也可以知道這是一個原則規定,但作為強制性條文,必須嚴格執行值得商榷。民用建筑在使用要求上不同于工業建筑,包括一些結構體系也存在差異,應區別對待。相比其他規范不斷完善抗震部分內容,新版只在總則中提到應符合相關抗震規范的規定。我國抗震規范規定應根據抗震設防烈度采取不同的抗震措施,而對鋼結構抗震要求卻沒有任何區別也是不妥的。四、設計鋼結構住宅應尊重住宅使用的根本要求鋼結構住宅是今后發展的一個重要方向,但鋼結構僅僅是建筑中承重體系和服務部分,它不是建筑使用中的主要成分。鋼結構住宅設計首先要遵循住宅建筑設計的一般原則,然后才是發揮鋼結構的優勢,單純突出鋼結構而不考慮生活的舒適性、不能滿足人文要求的鋼結構住宅項目是沒有市場的。不能因為要推廣鋼材在建筑中的應用,而簡單、強行地在住宅結構中使用,這樣做對推廣鋼結構住宅沒有實際意義。相對而言,公共建筑、體育場館、工業廠房等是鋼結構在建筑中最能發揮其特長的領域,近年來,我們已經深刻感覺到這種應用變化。
 
 
參 考 文 獻
1.建筑抗震設計規范(GBS0011-2001).中國建筑工業出版社。20o1.
2.陳富生,邱國樺,范重.高層建筑鋼結構設計.中國建筑工業出版社.2000.
3.鋼結構設計規范(GB50017-2003).中國計劃出版社。2003.
4.加利福尼亞結構工程師協會.抗側力要求規程.1988.
5.劉其祥,蔡益燕,朱知信等.多高層房屋鋼結構梁柱剛性連接節點的抗震設計.建筑結構,2001,3l(8).
6.劉其祥.多高層房屋鋼結構梁柱剛性節點的設計建議.建筑結構,2003,33(9).
7.多、高層民用建筑鋼結構節點構造詳圖(01SG519).中國建筑標準設計研究所,2001.
8.高層建筑混凝土結構技術規程(JGJ3—2OO2).中國建筑工業出版社,2002.
 
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