建騰鋼結構住宅設計的幾點總結

一、建騰鋼結構住宅體系選擇

   從已建成的鋼結構住宅來看，主要有：

 1  薄壁型鋼組合墻板形式；

 2  純框架形式；

3  框架支撐形式；

4  型鋼混凝土組合形式；

5  鋼框架－混凝土抗震墻形式等等。

     這些結構形式各有特點，其中薄壁型鋼組合墻板形式特別適宜定型產品，其體系是從墻板結構演變而來，即將薄壁型鋼柱構件按大約 600mm 的間距布置形成豎向承重結構、型鋼間設支撐系統(tǒng)以抵抗水平力，樓板根據豎向型鋼的位置布置成密肋支撐結構，因上部結構為類墻板結構，其基礎根據受力情況設成條形基礎，對地基要求不高。薄壁型鋼組合墻板住宅受密布結構的影響，對開間、門窗洞口、挑出構件尺寸均有一定限制。

     后面幾種形式可以滿足多高層住宅設計要求，但從使用的角度都存在一個共同問題，即梁柱突出對住宅內部觀感的影響。住宅相對于其它建筑有其特殊性，辦公、廠房可以采用較為固定柱網，層高也較高，其梁柱所占空間給人的感觀是適宜的，柱網規(guī)則有利于梁的布置。相反住宅是一個變化多端的產品，根據建筑的要求，很少布置出規(guī)則的柱網，房內開間相對較小、變化較多，不利于鋼框架布置。由于鋼材的特點，它在住宅中只能形成框架體系或桁架體系，可以說框架體系如果適用于普通住宅，鋼框架必然有其大顯身手的地方，普通框架結構不能解決住宅應用問題的話，常規(guī)鋼框架體系在普通住宅中應用也有相似的弱點。

圖1 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2 為相應的節(jié)點連接詳圖。

異型鋼柱示意圖

異型鋼柱梁柱節(jié)點詳圖

在工業(yè)廠房設計中經常采用異型鋼柱，采用排架受力體系時，異型鋼柱經常設計成雙軸對稱或主受力方向單軸對稱，廠房縱向采用支撐系統(tǒng)抵抗縱向水平力，系桿、支撐構件多連接于異型柱弱軸形心軸上，這樣在結構概念設計及采用桿系軟件計算容易處理。住宅中應用異型鋼柱與廠房設計還是有很大區(qū)別的，下圖是廠房梁柱連接方式與住宅梁柱連接方式的簡單比較，

2、剛接柱腳設計

常見柱腳分埋入式、外包式、外露式。在住宅設計中多采用外露式，相比其它兩種方式，其現(xiàn)場安裝、定位方便。在設計時應注意，柱腳的剛度是靠底板的彈性變形或塑性變形來實現(xiàn)的，這就意味著整個結構變形包括鋼結構本身變形及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，設計中要考慮層間位移角限值要有一定的富裕，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(jié)點設計要求，為保證罕遇地震時不發(fā)生柱腳節(jié)點先于鋼柱破壞，柱腳節(jié)點連接處的極限抗彎承載能力應大于 1.2 倍鋼柱的全塑性受彎承載力（Wpnx·f）才可以，常見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(jié)點在多遇地震作用下具有一定強度而不破壞，而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（Wx），以H628X260X10X14 工字鋼為例，1.2·Wpnx/Wx=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轉遞鋼柱內力時很容易滿足前項要求，設計中傳力明確、計算容易、構造簡單、節(jié)省鋼材。

插入式柱腳構造相比埋入式更簡單，大部分書籍認為可靠性不如埋入式，建議用于單層鋼結構廠房，不適合高層建筑鋼結構，在多層建筑鋼結構可以采用，因為在許多工業(yè)項目中，單層廠房層高多在 10～30m，廠房內設多臺吊車及大量檢修平臺，單柱荷載及地震作用往往大于普通住宅的情況，多層住宅柱腳在概念設計和計算設計都滿足規(guī)范要求的情況下，采用插入式是沒有問題的。新鋼結構規(guī)范也增加了插入式柱腳的設計和構造規(guī)定。

3、樓板設計

樓板有預制樓板、現(xiàn)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，包括根據樓板設置情況確定連續(xù)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。

4、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，可采用常用設計法進行設計，小于 70％時，應采用全截面抗彎設計法，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。事實上根據多高層房屋鋼結構梁柱剛性連接節(jié)點的抗震設計和多高層房屋鋼結構梁柱剛性節(jié)點的設計，不做任何處理的將鋼梁與鋼柱進行栓焊等強連接是很難達到強節(jié)點弱桿件的設計要求，對加強式節(jié)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。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。

1．“輕型”鋼結構概念問題

近年來因“輕型門式剛架房屋”二字的出現(xiàn)，在許多設計人包括結構設計人員的頭腦中形成一種輕（質量）鋼材概念，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，卻不注重該部分對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，構件效應分析是沒有原則上區(qū)別的。

2．多高層鋼結構設計區(qū)別

    根據規(guī)范有關條文，包括鋼結構抗震調整系數(shù)，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(qū)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(guī)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 25～30 米或 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，相關抗震調系數(shù)也不同，限值差別太大，在前面表 1 已說明，筆者認為此區(qū)分過于寬泛，舉例說明一下：層高平均 4m，12 層建筑物高度 48米，是高規(guī)中 28 米限值的 1.7 倍，這就產生下面的問題，在混合結構中，混凝土結構應按高規(guī)構造設計，鋼結構可以按多層構造設計，執(zhí)行了兩種標準。

3、《鋼結構設計規(guī)范》

   對住宅結構設計指導作用不大新版規(guī)范延續(xù)了工業(yè)建筑鋼結構設計指導思想，例如在變形允許值按廠房構件進行分類，對民用建筑構件不做細分；溫度區(qū)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區(qū)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(tǒng)。在建筑物的每一個溫度區(qū)段或分區(qū)建設的區(qū)端中，應分別設置獨立的空間穩(wěn)定的支撐系統(tǒng)?！睆奈淖稚侠斫?，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(guī)定，但作為強制性條文，必須嚴格執(zhí)行值得商榷，民用建筑在使用要求上不同于工業(yè)建筑，包括一些結構體系也存在差異，應區(qū)別對待。

相比其他規(guī)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(guī)范的規(guī)定，似乎抗震設計在鋼結構中并不重要，實際上在北嶺和阪神地震后，國外開始紛紛重視鋼結構抗震設計的研究，國內也有很多文章介紹，應該有很多成果可以總結成文的。我國抗震規(guī)范規(guī)定應根據抗震設防烈度采取不同的抗震措施，而鋼結構抗震要求卻沒有任何區(qū)別也是不妥的。

鋼結構住宅是今后發(fā)展的一個重要方向，但鋼結構僅僅是建筑中承重體系、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(fā)揮鋼結構的優(yōu)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。對于鋼結構住宅不能因為要推廣鋼材在建筑中的應用而簡單、強行在住宅結構中使用，這樣作對推廣鋼結構住宅沒有實際意義。相對而言公建、體育場館、工業(yè)廠房等是鋼結構在建筑中最能發(fā)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。