多層輕鋼民用建筑中的結構體系

摘要：本文結合辦公室的典型布置，在對各種方案分析比較的基礎上，討論了適合多層及小高層建筑的結構體系，給出了3至18層建筑的合理經(jīng)濟的結構體系及其相應的單位用鋼量，為類似的建筑物結構體系的選擇提供了可靠的依據(jù)。關鍵詞：結構體系用鋼量多層輕鋼一、概述過去，我國鋼材年產(chǎn)量較低，建筑行業(yè)一直限制鋼材的使用，提倡大力發(fā)展混凝土結構和混合結構，因此民用鋼結構一直發(fā)展緩慢。80年代以后，隨著經(jīng)濟發(fā)展的需要，我國開始引進鋼結構房屋，以門式剛架為主，主要用于工業(yè)廠房、庫房和一些公共設施。多層輕鋼結構采用鋼骨架和輕質圍護結構，自重輕，對地質條件要求低。另外，鋼結構構件標準，適合工廠化生產(chǎn)，現(xiàn)場安裝，濕作業(yè)少，施工占用場地少，速度快。與多層鋼筋混凝土結構相比，不僅造價持平甚至略低，而且綜合效益明顯。隨著我國城市對粘土磚的禁用，多層民用輕鋼結構越來越受到工程界的青睞，正成為較有競爭力的民用建筑結構體系之一。近幾年，上海、北京、長沙、大連、天津等地對多層鋼結構房屋進行了有效的嘗試，取得了一些經(jīng)驗。但是，目前的示范工程還仍很不多，經(jīng)驗還很缺乏，有關技術規(guī)程還沒有跟上，工程界對合理的多層鋼結構體系還未達成共識?？傮w上看，多層鋼結構的開發(fā)還處于啟動階段。本文在對已有的示范工程分析比較的基礎上，本著尋求受力合理、用鋼量低的原則，對多層民用建筑中的結構體系進行了分析，以供參考。二、結構方案1．結構體系的選擇結構體系的選擇，不僅要從滿足建筑的使用功能出發(fā)，節(jié)約投資考慮，更主要的是取決于建筑的高度，即取決于建筑層數(shù)的多少。建筑層數(shù)越多，高度越高，則由于風力或地震力引起的側向力就越大，建筑物必須有相應的剛度來抵抗側向力。因此，隨著建筑層數(shù)的不斷增加，結構體系也就需要不斷的發(fā)展。目前，多層和小高層鋼結構建筑常用的結構體系有以下幾種。(1)純框架結構體系。純框架結構體系在地震區(qū)一般不超過15層?？蚣芙Y構的平面布置靈活，可為建筑提供較大的室內空間，且結構各部分剛度比較均勻?？蚣芙Y構有較大的延性，自振周期較長，因而對地震作用不敏感，抗震性能好。但框架結構的側向剛度小，由于側向位移大，易引起非結構構件的破壞，因此不宜建的太高。(2)框支結構體系。純框架在風、地震荷載作用下，側移不符合要求時，可以采用帶支撐的框架，即在框架體系中，沿結構的縱、橫兩個方向布置一定數(shù)量的支撐。在這種體系中，框架的布置原則和柱網(wǎng)尺寸，基本上與框架體系相同，支撐大多沿樓面中心部位服務面積的周圍布置，沿縱向布置的支撐和沿橫向布置的支撐相連接，形成一個支撐芯筒。采用由軸向受力桿件形成的豎向支撐來取代由抗彎桿件形成的框架結構，能獲得比純框架結構大的多的抗側力剛度，可以明顯減小建筑物的層間位移。(3)框架剪力墻結構體系。在框架結構中布置一定數(shù)量的剪力墻可以組成框架剪力墻結構體系，這種結構以剪力墻作為抗側力結構，既具有框架結構平面布置靈活、使用方便的特點，又有較大的剛度，可用于40至60層的高層鋼結構。當鋼筋混凝土墻沿服務性面積（如樓梯間、電梯間和衛(wèi)生間）周圍設置，就形成框架多筒體結構體系。這種結構體系在各個方向都具有較大的抗側力剛度，成為主要的抗側力構件，承擔大部分水平荷載，鋼框架主要承受豎向荷載。2．樓面結構多層輕鋼建筑樓板必須有足夠的剛度、強度和整體穩(wěn)定性，同時應盡量采用技術和構造措施減輕樓板自重，并提高施工速度，組合樓蓋是常用的樓蓋之一。到目前為止，組合樓蓋主要有以下三種形式：(1)壓型鋼板組合樓蓋，其下表面凹凸不平，在民用建筑中需做吊頂，造價較高；(2)現(xiàn)澆整體組合樓蓋，其整體性能好，但需要支模板，施工速度慢；(3)鋼－混凝土疊合板組合樓蓋，其整體性好，還能節(jié)省支模和吊頂?shù)馁M用。在組合樓板的應用中，為使樓層高度減到最小，提供更大的無柱空間，現(xiàn)在的趨勢是把樓板和鋼梁合為一體，形成組合扁梁樓蓋。3．支撐和剪力墻形式多層框架鋼結構體系的側向剛度較弱，隨著層數(shù)的增加，為了抵抗水平地震作用，減小層間錯移，常在墻體內布置垂直支撐，為了方便門窗開洞，支撐形式可以靈活采用，如X型、單斜桿型、K型、M型、W型、V型和人型等。建議多采用偏心支撐，因其在地震作用下具有較好的延性和耗能性能。剪力墻按其材料和結構的形式可分為鋼筋混凝土剪力墻、鋼筋混凝土帶縫剪力墻和鋼板剪力墻等。鋼筋混凝土剪力墻剛度較大，地震時易發(fā)生應力集中，導致墻體產(chǎn)生斜向大裂縫而脆性破壞。為避免這種現(xiàn)象，可采用帶縫剪力墻。鋼板剪力墻是以鋼板做成剪力墻結構，與鋼框架組合，起到剛性構件的作用。三、工程實例分析1．工程概述分析以典型的辦公樓布置為基礎，平面尺寸為72m×14.4m，基本柱網(wǎng)尺寸為8.4m×7.2m，跨度為6m，柱距為7.2m，內走廊寬2.4m,層高為3.2m，層數(shù)考慮3至18層。采用鋼框架結構體系，若不滿足側移要求，適當加一些支撐。主梁采用焊接工形截面，柱采用焊接箱型截面?？蚣艿臋M向和縱向梁柱按剛性連接設計，現(xiàn)場采用摩擦性高強螺栓和焊接連接，次梁為工字型截面單跨簡支梁。外墻正立面為240厚瓷磚飾面的混凝土砌塊，主要隔斷內墻為200厚混凝土砌塊，次要內墻為輕鋼龍骨石膏板輕質隔墻。樓蓋采用鋼－混凝土疊合板組合樓蓋，設計主次梁時充分考慮樓蓋與鋼梁的組合作用。屬2涌．計算參數(shù)及任計算軟閉件杠防本工程設巾計主要依據(jù)國摸家有關設計規(guī)切程、規(guī)范，如沉《建筑結構荷戒載規(guī)范聞》慌(GBJ9-砌87躬)咱、《建筑抗震擠設計規(guī)范單》來(GBJ11典-89顫)國、《鋼結構設翠計規(guī)范臂》歲(GBJ17左-88針)貪、《混凝土結捏構設計規(guī)范蘿》世(GBJ10者-89束)葡、《建筑地基狗基礎設計規(guī)范緣》專(GBJ7-盞89縣)篇等。所有梁柱爭均采徑用排Q34脖5穿鋼，基礎和負嘉彎距受拉鋼筋嘩為受Ⅱ稅級，樓板及分測布筋嗎Ⅰ屈級，樓板混凝蹤土標號宰為東C4俊0近。囑葵結構上作奴用活荷載包括甜樓面活荷、風嫩荷和地震作用膊，橫荷載包括芹樓板和墻體自突重，均按《建扣筑結構荷載規(guī)裕范盤》集(GBJ9-膚87幸)棕取用，梁柱自院重按實際重量緒取用；基本風注壓按北京地過區(qū)姑0.35kN箭/m柿2具取用；設計地席震烈度妹為譯8出度，寶Ⅱ竭類場地狀。怕體計算軟件貸采用通用有限傻元軟驚件滅ANSYS風,呈它是融結構、喉流體、電場、哲磁場、聲場分閥析于一體的大移型軟件包。主暢要利羊用忙ANSY狗S喬軟件提供的結埋構靜力分析模胃塊，采用三安維輕beam啄4律梁單元浸和綿shell9姐3莖殼單元按空間導模型進行計算姿載荷引起的位穗移和應力，并公按照《鋼結構罷設計規(guī)范》驗豪算構件的強度救、剛度、整體呆穩(wěn)定和局部穩(wěn)前定性。同時采戶用通用結構分盟析軟害件憶SAP9迫3售進行結構復驗悄計算分析。暑3絲．計算工況既毀及說著明電魂計算時考詞慮以下主要巧的琴3裙種工況栗：偉1.和2井恒荷敬＋典1.妙4敬活荷般、呀1.伐2跳恒荷繡＋何1.4×0.嚇8庫5汗（活荷＋風荷冒）以及地震作叮用。在計算地抓震作用時臥，予1枕2扇層以下采用底袋部剪力法四，恭1江3財至飄1凍8相層采用振型疊橡加法，考慮餃前頓5比個自振周期開。頁渣四爺、朗倆計算結果及分賴析糠拐1午．層數(shù)對結構冤體系及平面布斬置的影王響需杯沖己3胡至保6哄層建筑物的設問計是由豎向荷補載控制著結構桶布置和構件截納面尺寸的選擇抗，由于其側移鍵很容易滿足，昨為了節(jié)省鋼材招，可以抽去靠巨近走廊的一排譯柱子，每榀剛東架布慌置析3催根柱子渠。蕉開隨著層數(shù)址的增加，盡管魂豎向荷載仍對墾結構設計產(chǎn)生旋著重要影響，津但水平荷載卻冒起著決定性的具因素，控制著系構件截面的選避擇。此時，為蝕了滿足側移要美求，要么保希持堤3職排柱子布置不上變，增大柱子帳截面尺寸；要岔么爹改厲3柳排柱子拍為癥4線排。兩種方案唉分析比較發(fā)現(xiàn)幸改披為啦4義排柱子更為經(jīng)綠濟棄?？靿灝敺课輰訑?shù)達聚到諒1徐5肆層時，其頂點滔位移和層間位曠移已經(jīng)非常大介，欲滿足設計船要求，僅僅靠眼增大柱截面已薪經(jīng)不經(jīng)濟了，委這時沿橫向和臘縱向在邊跨和損中跨適當?shù)牟假\置一些支撐反故而更節(jié)省鋼材秘。光稅2墻．主要構件的男截面尺趁寸秒攏根據(jù)計算羊分析結果，對堵梁和柱截面規(guī)讀格尺寸進行了旬優(yōu)化和歸并，柿以節(jié)約鋼材和青減少構件種類層，屆3荷至計1翅8雅層的梁柱截面杜尺寸見宵表鐘1即。惹待表的13-1望8點層主要構件的幅尺統(tǒng)寸踐軌結構體仰系叨努主驗梁賭楊次斯梁揮固柱撥猾備雹注瑞傳3-尼6駱層雞個純框轟架帶I350×革200×8×紗6I300室×200×8員×6便血□渾350×35晌0×10×1禽0牽祥三排柱布圣置決散7-榴9寸層匠按純框值架齊I400×王200×8×殊6I300昂×200×8段×6燙甲□叛400×40鏡0×14×1坊4夠堪四排柱布嗽置斧絮10-1呆4漏層肯伸純框蛋架上I400×籃200×8×淘6I300季×200×8掌×6傻抱□灌450×45風0×14×1硬4換版四排柱布培置遵肌15-1譜8字層退桶框字支枝I400×料200×8×阻6I300照×200×8溪×6渴腸□溝480×48增0×14×1觸4三胖四排柱布柄置東酸由上表可繁以清楚地看到牲，隨著層數(shù)的夠增多，為了滿綢足側移要求，竄柱截面增加很教多，整個設計版和截面的尺寸莊由側移控制。獄當增加輔到去1頸5陣層時，還必須匆適當布置一些明支撐，這時結錄構側向剛度突尸然增大，地震倚作用也增大很秧多，柱的受力揚加大，整個設概計由柱的穩(wěn)定訪控制她。衡右3籍．傷3圈至允1堡8剖層的單位用鋼鳥量巧球為了比較漿用鋼量與層數(shù)挨的關系，我們祖對各層的單位繼用鋼量進行了賠統(tǒng)計，見胃表編2刪，其若中庫15-1跳8瓶層包含了支撐住的用鋼量跨。鑒蝕表隊23-1趟8巡層各層主要構崖件單位用鋼量串（單位注：主kg/m逃2壯）瘋法3-修6洞層串7-饞9陰層控10-1奸4熔層料15-1呢8防層籃向柱臭13.讀1煤～潤15.21洋8.憲9成～巾20.82聞5.音5步～米27.22之8.罪6看～狹32.4原主饑梁球17.穗7線～毯19.41爬9.蓬6螞～碌20.71曾9.鉤6龍～果20.71搭9.傅6盛～認20.7野次開梁梯9.79季.79.7需9.7允支慰撐覆000惱4.70劣合容繩計攏40.關5忽～宗44.34遷8.唐2掉～溫51.25農4.宴8恐～夫57.66忌2.辛6尼～懲67.5蛾由上表可慧以看出，隨著眼層數(shù)的增加，狠用鋼量增加很辨多，特別是增很加到玻了咸1耀5丟層時，這時不勵僅柱的用鋼量吸有所增加，支賭撐也使用鋼量惰增加不少。為冰了便于比較，樣對售于談15-1門8肺層不加支撐也揉進行了計算，狀此