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鋼結構住宅結構設計中若干值得注意的問題探討

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:15 [收藏]


    摘要：本文根據鋼結構住宅的發展現狀和前景，基于鎮江市某鋼結構住宅試點工程的設計，重點討論了鋼結構住宅結構設計過程中若干值得注意的問題并探討相應對策，包括鋼結構住宅結構體系的布置、構件的截面選擇、不同節點形式的比較和選取，墻體材料ALC板的特點，衛生間、廚房的防水設計和在平面中位置的選擇，為了克服鋼樓梯傳音效果好的缺點，提出了一種施工簡捷、值得推廣的樓梯做法以及壓型鋼板混凝土組合樓蓋體系的構造要求等。
    關鍵詞：鋼結構 結構設計 住宅

    0、鋼結構住宅發展的前景
    長期以來，我國因缺少鋼材而對建筑鋼結構的應用加以限制，使建筑鋼結構的使用限制在很小的范圍內，建筑鋼結構用鋼量占全國鋼材總產量的比重極低。1996年，我國鋼產量首次突破億噸，1998年我國鋼產量已達到11434萬噸，而且每年增產300萬噸，形成了鋼材供過于求的新形勢，為發展我國的建筑鋼結構建設事業創造了極好的時機。
    隨著鋼產量的不斷提高，經濟的不斷發展，對綠色環保型建筑的不斷要求，鋼材應用于住宅建筑主體結構是歷史所趨。我國正在加速發展鋼結構住宅產業化進程，發展以標準化、系列化、通用化，以專業化、社會化生產和商品化供應為基本方向的住宅產業現代化體制。國家建設部和中國工程建設標準化協會正在組織研制和開發多層輕鋼結構的住宅建筑體系的結構選型，新型圍護結構與隔斷體系以及鋼結構構件及配件，結構體系設計與施工技術，編制相應的設計與施工技術規范和規程?？梢灶A見，不遠的將來鋼結構住宅的發展和應用會有新的飛躍。
    目前經國內廣泛研究、實驗分析，鋼結構住宅通用體系用于民用住宅，具有獨特的優勢，與其它住宅通用體系相比，其主要特點是：
    1、自重輕，可減輕建筑物的重量約30%，有利于建設高層，特別是在地質承載力低的地方和地震烈度較高的地方，其綜合經濟效益優于一般住宅建筑體系。
    2、布置靈活，開間大，使房型豐富，約可提高建筑面積3%~5%。具有充分的靈活性、可改性和安全性，有利于滿足現代人的居住需要，適應現代住宅的市場需求。
    3、可以工廠化生產，更易實現工業化、定型化、批量化生產，提高勞動生產率。
    4、施工周期大大縮短。據研究，鋼結構建筑施工周期比混凝土建筑施工周期可縮短一半，減少濕作業量，且其節能指標可達50%，屬環保型綠色建筑體系。
    本文以筆者設計的鎮江市某多層鋼結構住宅試點工程為例，介紹了鋼結構設計中值得注意的幾個問題及其相應對策。

    1、鋼結構住宅結構體系布置
    目前國內鋼結構建筑體系主要有純框架體系、框架-支撐體系、框架-核心筒體系等結構形式[1]，各種形式的優缺點分析參見文獻[1]。
    鋼結構住宅構件的截面形式分為：熱軋H型鋼截面，焊接H型鋼截面、鋼骨混凝土截面、焊接箱形截面、冷彎焊接方管或圓管截面等，各種形式的優缺點見表1。
    表1 不同柱截面形式的性能比較

    在設計過程中選用何種體系，應該綜合考慮多方面的因素，例如突出鋼結構優勢的大柱網因素和適應現代人生活需要的大開間、易改變的布置因素。為了使結構經濟合理，多層鋼結構住宅對結構布置有些要求。當然，這些要求不是絕對的，而是在可能條件下這樣做會更經濟，更合理，主要是：
    (1) 采用矩形平面或由矩形平面單元組成的建筑平面。
    (2) 框架柱在房屋橫向宜成列布置。
    (3) 將支撐或桁架腹桿設在無孔口的分戶墻中。
    (4) 采用間隔桁架體系時，房屋縱向走廊宜在橫向桁架的中部。
    我們設計的某輕鋼住宅的平面結構布置圖，從圖上可以看出結構布置采用了大柱網、大開間的結構布置形式，采用高頻焊接H型鋼體系。

    2、鋼結構住宅設計中若干值得注意的問題討論
    在選擇了合適的結構體系、柱網布置以后，在設計過程中還要有以下幾個值得注意的問題。
    2.1 節點設計
    鋼結構體系當中，節點的設計和構件的設計具有同等的重要性，因此必須給予充分的重視。鋼結構的節點設計包括梁－柱節點、梁－梁節點、柱－柱節點、柱腳節點、柱帽節點等。設計時應確保節點的安全可靠，并盡量采用簡捷、穩定、可靠的施工工藝，減少或避免現場的焊縫連接。鋼節點的形式按傳力特性大體可以分為三類：鉸節點、半剛性節點、剛性節點。剛性、鉸接節點的受力性能、施工工藝研究得比較成熟，因此在工程中取得了廣泛的應用。
    采用的幾種梁－柱節點連接形式。由結構布置分析，考慮工程實際情況，在設計時，多層房屋鋼結構柱多采用焊接工字形或箱形截面，由于焊接工字形截面腹板比較薄，故在此弱軸方向與粱的連接多采用鉸接，而強軸方向則采用剛接形式[3]。從圖中我們不難發現，鉸節點形式簡單，施工方便，但它使得梁跨中彎矩加大，增加用鋼量，不經濟；剛性節點構造復雜，但其有效的降低了跨中彎矩，節約了用鋼，有較好的經濟效應；而半剛性節點應用比較少，主要是其受力特性比較復雜，往往通過試驗來取得較為準確的設計數據。三種形式，哪一種更加經濟可靠，還有待于在實際工程中比較、檢驗。
    2.2 墻體材料的選取
    一般來說，為了突出鋼結構自重輕、布置靈活、可改性好的特點，鋼結構住宅不宜采用傳統的黏土磚或其它自重較大的材料。通常采用輕質材料，比如：空心混凝土砌塊、加氣混凝土、壓型鋼板加輕質保溫材料組成的復合墻體、OSB板、CS板[4]等。目前使用的比較多的是蒸壓輕質加氣混凝土板（Autoclaved Lightweight Concrete）簡稱ALC板(塊)。這種材料質地較輕，具有較好的防水，防滲透能力，保溫性能好，隔聲效果與一般混凝土空心砌塊相當，自身的強度高，施工方便、快捷。無論做外墻還是內隔墻效果都比較理想。
    在進行墻體的設計時，要求對連接件的強度、質料和尺寸有準確的規定。對連接方式充分考慮墻體和主體結構的特性，盡可能采用簡捷、快速的連接方法，以便于施工，提高作業效率。
    2.3 衛生間、廚房設計
    衛生間和廚房的設計是鋼結構設計過程中比較重要的環節。因為鋼結構材料的防腐能力相對較弱，而衛生間和廚房是住宅中用水最多的地方，所以這兩處的防水處理十分重要。在其它建筑體系中，防水有兩種方法：結構防水和材料防水。在鋼結構中，結構防水的效果比較好。正如前文指出，框架-核心筒結構體系把衛生間和廚房放在核心筒內，具有良好的防水性能。對于其它結構體系要根據工程實際情況而定，比如對于框架-支撐體系采用壓型鋼板混凝土組合樓板時，通常在墻角處將混凝土上翻100~150mm。由于目前鋼結構住宅的工程實例不是很多，故這方面還有待進一步研究、開發。



    2.4 樓梯
    對其它類型鋼結構建筑的樓梯大都采用鋼樓梯，而住宅體系中則基本不用，原因是鋼樓梯的傳音效果較好。故鋼結構住宅中常常采用混凝土樓梯或者壓型鋼板混凝土組合樓梯。在設計時要注意樓梯梁的放置位置和處理，因為通常情況下，這里會出現梁-梁連接，這種連接會使得被連接梁承受集中荷載，這樣該梁比較容易發生局部失穩。
    該鋼樓梯采用6mm鋼折板做踏板，上面澆注混凝土，踏板兩端用L50×6角鋼與樓梯梁（槽鋼）通過M12螺栓連接。這種做法利用40mm混凝土克服了一般鋼梯傳音效果好的弱點，同時槽鋼上翼緣可以焊接合金樓梯扶手，施工簡便，值得推廣。
    2.5 樓蓋體系
    多層房屋鋼結構的樓板必須有足夠的承載力、剛度和整體性，當前較常采用的是在鋼梁上鋪設壓型鋼板，再澆注100mm左右的鋼筋混凝土板，即形成壓型鋼板組合樓板。樓蓋梁一般采用簡支等高連接，有時也可做成不等高連接，如采用壓型鋼板組合樓板時，為了便于鋪設壓型鋼板，主次梁頂面需相差壓型鋼板厚度，同時還可以增大建筑凈層高。在設計過程中，要考慮鋼梁和樓板的組合作用，這樣會顯著提高粱的承載力和整體穩定性，并有效降低梁高，節約用鋼，降低工程造價[5]。
    壓型鋼板組合混凝土樓板，除了按計算(并滿足構造要求)在鋼梁上焊接栓釘外，為了保證混凝土和壓型鋼板共同工作，它們之間應有連接措施，根據規范規定[6] [7]，其連接措施可以依靠壓型鋼板的縱向波槽或依靠壓型鋼板的上的壓痕、開的小洞或沖成的不閉合孔眼，也可以依靠壓型鋼板上焊接的橫向鋼筋。

    3、結束語
    本文介紹了鋼結構住宅結構設計過程中應該注意的幾點問題和相應的解決方法。鋼結構住宅結構體系在我國正處于一個起步階段，國家政策的導向，國民生活的提高對住宅提出的要求等為鋼結構住宅結構體系的發展和應用提供了非常廣闊的前景，全國各種鋼結構住宅設計、開發、施工公司有如雨后春筍。
    本文研究僅是一個起步，我國鋼結構住宅體系在以下幾方面還值得進一步研究開發。
    1、對各種抗腐蝕性優的鋼種的研究開發；
    2、半剛性連接節點受力性能分析、研究；
    3、隔墻板材的布置、排版的系統化、標準化研究，統一標準的制定以及相關設計軟件的開發；
    4、樓面結構整體受力性能的研究；
    5、結構抗震的計算與分析；
    6、結構體系優化設計方法、各種大型結構設計軟件的開發與研究。
    7、鋼結構住宅施工方法研究。

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