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一、鋼結(jié)構(gòu)住宅體系選擇已建成的鋼結(jié)構(gòu)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(nèi)部觀感的影響。受短肢剪力墻結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，筆者在鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計中將鋼柱設(shè)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(jù)建筑墻體厚度減去面層厚度來設(shè)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(yīng)的節(jié)點連接詳圖。筆者曾將北京某住宅項目3層樣板間設(shè)計成異型鋼柱純框架結(jié)構(gòu)，建筑采用砌塊隔墻，建成后外部及室內(nèi)觀感均令人滿意，與該住宅成品(混凝土剪力墻結(jié)構(gòu))實際效果一致，圖2是樣板間實景。金華鋼結(jié)構(gòu)住宅中應(yīng)用異型鋼柱與廠房設(shè)計有很大區(qū)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(yīng)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(jié)點轉(zhuǎn)化為與柱翼緣連接，優(yōu)于常見設(shè)計中工字鋼柱在弱軸方向設(shè)外伸連接板的剛性連接，加強(qiáng)了工字鋼柱的弱軸穩(wěn)定，對結(jié)構(gòu)安全是很有利的。一般認(rèn)為工字鋼柱弱軸剛性連接不可靠，所以在很多構(gòu)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(shè)計方案，現(xiàn)行抗震規(guī)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(jié)點詳圖向都與梁剛接時，宜采用箱形截面。當(dāng)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(nèi)。”規(guī)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(jù)抗震規(guī)范⋯ 第8．2．5條節(jié)點抗震承載力驗算要求，弱軸連接一般是無法滿足相關(guān)條款要求的。異型工字鋼柱比箱形柱的節(jié)點加工容易、施工方便、節(jié)約鋼材，比框架支撐體系減少了支撐部分的設(shè)置，可靈活用于住宅墻體，滿足建筑對住宅內(nèi)無外露構(gòu)件的要求。維普資訊 http://www.cqvip.com異型鋼柱在結(jié)構(gòu)分析中要解決的問題：1)弱軸上增加T型構(gòu)件后，截面特性的確定；2)異型鋼柱局部穩(wěn)定性計算(可以參考規(guī)范中柱板件寬厚比進(jìn)行控制)；3)梁柱節(jié)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(yīng)該采用有限元整體建模進(jìn)行內(nèi)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(shè)計中根據(jù)以下原則來確定柱截面：1)按方鋼管柱方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，此時所選方鋼管不考慮構(gòu)造要求，如板厚、焊接要求，以計算應(yīng)力比結(jié)果接近0．9的情況，選定框架梁截面尺寸，根據(jù)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(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)異型柱T型構(gòu)件布置方向，設(shè)柔性支撐代替異型柱中T型構(gòu)件在工字鋼弱軸上的剛度影響，按有側(cè)移鋼框架計算，調(diào)整異型鋼柱中工字鋼截面尺寸，完成后調(diào)整工字鋼及柔性支撐布置方向，驗算T型構(gòu)件與工字鋼腹板組成的工字鋼截面尺寸；3)根據(jù)上一步建立的模型，選取工字鋼強(qiáng)軸所在的單榀框架進(jìn)行抗震驗算，只參考工字柱強(qiáng)軸應(yīng)力計算結(jié)果，檢驗異型柱單向受力是否滿足；4)根據(jù)上述計算結(jié)果，手工核算梁柱節(jié)點處抗震承載能力，基礎(chǔ)設(shè)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(jìn)行正常設(shè)計(其中鋼梁按設(shè)計已選截面計算)，根據(jù)合適的計算結(jié)果，統(tǒng)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(jìn)一步的研究�；� __{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(shè)計細(xì)節(jié)問題1．整體計算時選取合適的結(jié)構(gòu)阻尼比阻尼比取值見表1。由表可見，不同的鋼結(jié)構(gòu)體系有不同的地震影響系數(shù)，如果在結(jié)構(gòu)分析時錯誤選擇阻尼比對設(shè)計結(jié)果會產(chǎn)生較大影響，其中鋼管混凝土和鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)由于是兩種材料共同作用，在選取阻尼比時，應(yīng)根據(jù)兩種材料應(yīng)用比例綜合考慮阻尼比，結(jié)構(gòu)整體剛度越柔，阻尼比選值越低。表2是統(tǒng)一按5層鋼框架結(jié)構(gòu)建模，框架柱網(wǎng)尺寸7．0m×7．0m各四跨計算，層高均為3．3m，抗震設(shè)防烈度8度，設(shè)計分類第一組，Ⅲ類場地土，結(jié)構(gòu)計算采用PKPM 系列軟件。鋼結(jié)構(gòu)阻尼比應(yīng)用值 表1結(jié)構(gòu)類型 阻尼比 阻尼調(diào)整系數(shù) 曲線下降段 直線下悻段口2 衰減指數(shù)， 調(diào)整系致單層鋼結(jié)構(gòu) 0．050 1．00 O．900 0．02012層以下鋼結(jié)構(gòu) 0．035 1．13 0 922 0．02212層以上鋼結(jié)構(gòu) 0．020 1．32 0．950 0．024罕遇地震鋼結(jié)構(gòu) 0．050 1 00 O 900 0．020鋼管混凝土結(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu) o．040 1．O8 0．914 0．021從表2的數(shù)據(jù)可以看出：鋼結(jié)構(gòu)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(shè)計時會造成鋼結(jié)構(gòu)本身構(gòu)件驗算誤差，還會造成基礎(chǔ)設(shè)計失誤。特別應(yīng)注意，鋼結(jié)構(gòu)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(rèn)為計算結(jié)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(qū)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整阻尼比數(shù)值，可采取插值法選取，或按0．035與0．020值進(jìn)行對比補(bǔ)充驗算。規(guī)范⋯ 中第8．1．3條強(qiáng)制性條文就是強(qiáng)調(diào)這個問題。鋼框架結(jié)構(gòu)計算結(jié)果對比 表2周期 樓 最大層 各層地震力統(tǒng)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(zhì)量=2 946t T，：0．814 0 4 1／625 719．5 7 700．4標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量：2 946t T，=0．814 0 4 1，695 657．6 7 o47．0標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)考慮基礎(chǔ)的影響鋼結(jié)構(gòu)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(chǔ)的影響而計算結(jié)果又剛剛滿足規(guī)范要求的話，那么考慮基礎(chǔ)共同作用時有多半情況不滿足規(guī)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(chǔ)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(chǔ)影響的計算結(jié)果 表3周期 樓 最大層 各層地震力統(tǒng)計基礎(chǔ)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(zhì)量：3 131t T3：0．310 2 3 l／476 629．9 l3 672．3聯(lián) 鋼構(gòu)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(zhì)量=3 026t T3：0．313 5 3 1／479 591．5 l3 538．1礎(chǔ) 鋼構(gòu)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(chǔ)短柱上設(shè)基礎(chǔ)聯(lián)系梁要優(yōu)于獨立基礎(chǔ)短柱方案。3．剛接柱腳設(shè)計常見柱腳分埋人式、外包式和外露式。在住宅設(shè)計中多采用外露式，設(shè)計時應(yīng)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(jié)構(gòu)變形包括鋼結(jié)構(gòu)本身變形和底板受拉變形后引起的整體變形。如在分析內(nèi)力時視外露式為剛性柱腳，設(shè)計中需考慮層間位移角限值要有一定富裕，同時應(yīng)考慮底層鋼柱彎矩反彎點下移引起的柱頂彎矩增大 。根據(jù)節(jié)點設(shè)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(yīng)大于1．2倍鋼柱全塑性受彎承載力(w一廠)，常見的設(shè)計方法是根據(jù)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(qiáng)度而不破壞。柱腳彎矩設(shè)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(shè)計要求，而采用其它兩種柱腳方式在傳遞鋼柱內(nèi)力時很容易滿足前項要求，設(shè)計中傳力明確、計算簡單、節(jié)省鋼材。插入式柱腳構(gòu)造比埋人式更簡單，多層住宅柱腳采用插入式在概念設(shè)計和計算設(shè)計都滿足規(guī)范要求的情況下，是沒有問題的。新鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范_3 J已增加了插入式柱腳的設(shè)計和構(gòu)造規(guī)定。4．樓板設(shè)計樓板有預(yù)制樓板、現(xiàn)澆樓板、組合樓板等。采用預(yù)制樓板時應(yīng)考慮預(yù)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(cè)翼緣附加彎矩影響，即鋼梁平面內(nèi)整體抗彎應(yīng)力與翼緣平面外抗彎應(yīng)力雙向組合后要滿足折算應(yīng)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(jié)構(gòu)住宅中應(yīng)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(jù)樓板設(shè)置26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(qiáng)邊還是弱邊組合造成的剛度差異；樓板設(shè)計時要避免集中單向布置樓板，使結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。5．梁柱剛性連接設(shè)計梁柱間剛性連接計算可按常用設(shè)計法或全截面受彎設(shè)計法進(jìn)行，當(dāng)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(shè)計法，小于70％時，應(yīng)采用全截面抗彎設(shè)計法_4 J，在住宅設(shè)計中，鋼梁多屬于前者，常用設(shè)計法計算原則為翼緣和腹板分別承擔(dān)彎矩和剪力，普遍認(rèn)為計算容易，結(jié)果偏于安全。事實上根據(jù)文[5]和文[6]的介紹，不做任何處理地將鋼梁與鋼柱進(jìn)行栓焊等強(qiáng)連接是很難達(dá)到強(qiáng)節(jié)點弱桿件的設(shè)計要求的，文獻(xiàn)從原理上介紹加強(qiáng)式連接原則，設(shè)計人員應(yīng)認(rèn)真學(xué)習(xí)該文獻(xiàn)的內(nèi)容。對剛接節(jié)點設(shè)計要有全新的認(rèn)識，標(biāo)準(zhǔn)圖集01SG519_7 對加強(qiáng)式節(jié)點設(shè)計有設(shè)計及構(gòu)造詳細(xì)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(yīng)用后認(rèn)為，三者都存在增加施工難度的問題。文獻(xiàn)中還推薦過第四種方式：梁端翼緣加寬方式。但在標(biāo)準(zhǔn)圖集中不作為主推形式介紹，當(dāng)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的問題

1．“輕型”鋼結(jié)構(gòu)概念問題近年來許多設(shè)計人員一遇到附屬建筑設(shè)施或看似不重要的結(jié)構(gòu)時就提出用“輕鋼”來解決，卻不注重對該部分主體結(jié)構(gòu)的效應(yīng)分析，事實上結(jié)構(gòu)概念設(shè)計時應(yīng)清楚，“輕型”實際上是指結(jié)構(gòu)承受相對較輕的荷載。住宅設(shè)計中不會因為采用鋼結(jié)構(gòu)而減少荷載使用標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)體系無論采用鋼還是混凝土，對構(gòu)件的效應(yīng)分析原則上是沒有區(qū)別的。

2．多高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計區(qū)別根據(jù)規(guī)范⋯有關(guān)條文，包括鋼結(jié)構(gòu)抗震調(diào)整系數(shù)，框架柱長細(xì)比，框架構(gòu)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(jié)構(gòu)是指12層以上的建筑物。高規(guī)_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(jié)構(gòu)，再參考國外部分國家高層起始高度多設(shè)在25～30m或8至11層。由此看來我國的多層鋼結(jié)構(gòu)適用范圍要高于普通結(jié)構(gòu)，也高于國外標(biāo)準(zhǔn)。多高層鋼結(jié)構(gòu)不僅構(gòu)造不同，相關(guān)抗震調(diào)整系數(shù)也不同，限值差別太大，表1中已說明。筆者認(rèn)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48m，是高規(guī)中28m限值的1．7倍，這就產(chǎn)生下面的問題，在混合結(jié)構(gòu)維普資訊中計指導(dǎo)作用不大。它延續(xù)了工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計指導(dǎo)思想，對民用建筑構(gòu)件沒有細(xì)分；溫度區(qū)段設(shè)置要求以排架結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行劃分，而不考慮縱橫向承重體系、鋼混組合結(jié)構(gòu)的特點來劃分，特別是強(qiáng)制性條文第8．1．4條“結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)其形式、組成和荷載的不同情況，設(shè)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(shè)的區(qū)段中，應(yīng)分別設(shè)置獨立的空間穩(wěn)定的支撐系統(tǒng)。”從文字上理解，鋼結(jié)構(gòu)不應(yīng)該采用無支撐的純框架結(jié)構(gòu)，這顯然與實際應(yīng)用不符，設(shè)置支撐與否應(yīng)以結(jié)構(gòu)設(shè)計需要來確定，根據(jù)條文說明也可以知道這是一個原則規(guī)定，但作為強(qiáng)制性條文，必須嚴(yán)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(jié)構(gòu)體系也存在差異，應(yīng)區(qū)別對待。相比其他規(guī)范不斷完善抗震部分內(nèi)容，新版只在總則中提到應(yīng)符合相關(guān)抗震規(guī)范的規(guī)定。我國抗震規(guī)范規(guī)定應(yīng)根據(jù)抗震設(shè)防烈度采取不同的抗震措施，而對鋼結(jié)構(gòu)抗震要求卻沒有任何區(qū)別也是不妥的。四、設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)住宅應(yīng)尊重住宅使用的根本要求鋼結(jié)構(gòu)住宅是今后發(fā)展的一個重要方向，但鋼結(jié)構(gòu)僅僅是建筑中承重體系和服務(wù)部分，它不是建筑使用中的主要成分。鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計首先要遵循住宅建筑設(shè)計的一般原則，然后才是發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，單純突出鋼結(jié)構(gòu)而不考慮生活的舒適性、不能滿足人文要求的鋼結(jié)構(gòu)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(yīng)用，而簡單、強(qiáng)行地在住宅結(jié)構(gòu)中使用，這樣做對推廣鋼結(jié)構(gòu)住宅沒有實際意義。相對而言，公共建筑、體育場館、工業(yè)廠房等是鋼結(jié)構(gòu)在建筑中最能發(fā)揮其特長的領(lǐng)域，近年來，我們已經(jīng)深刻感覺到這種應(yīng)用變化。

 

 

參 考 文 獻(xiàn)

1．建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GBS0011-2001)．中國建筑工業(yè)出版社。20o1．

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3．鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB50017-2003)．中國計劃出版社。2003．

4．加利福尼亞結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會．抗側(cè)力要求規(guī)程．1988．

5．劉其祥，蔡益燕，朱知信等．多高層房屋鋼結(jié)構(gòu)梁柱剛性連接節(jié)點的抗震設(shè)計．建筑結(jié)構(gòu)，2001，3l(8)．

6．劉其祥．多高層房屋鋼結(jié)構(gòu)梁柱剛性節(jié)點的設(shè)計建議．建筑結(jié)構(gòu)，2003，33(9)．

7．多、高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點構(gòu)造詳圖(01SG519)．中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究所，2001．

8．高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ3—2OO2)．中國建筑工業(yè)出版社，2002．

 

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