住宅钢结构设计（共12篇）
住宅钢结构设计 篇1
1 工程概况
本工程为某市一住宅小区结构设计工程, 该小区由9幢二梯八户12层钢结构住宅组成。建筑物的总高度37.35m, 每幢建筑物地上部分为12层, 局部有13层。地下部分为1层的地下室, 高度为4.2m, 作为停车场。地上部分其中1层为商铺, 高度为3.9m;层2~12则为居民住宅层, 高度为3m;而局部的存在13层, 为楼、电梯机房, 高度为4.5m。建筑室内外的高差为0.45m。每一幢建筑物的长度为54.6m, 宽度为17m。
2 结构、构件以及地下室设计
2.1 结构体系的设计
在我国, 大部分的高层钢结构住宅的结构体系均是采用钢框架—混凝土核心筒结构, 这种结构体系相比于混凝土结构具有构件尺寸小、结构自重轻以及抗震性能好等特点, 相比于钢框架—支撑结构具有侧移小、居住舒适度好以及耐火性能好等优点。因此本工程采用钢框架—混凝土核心筒结构, 不仅能够较好的实现本工程住宅结构的使用功能, 同时在本工程的底部可以作为大型商场, 地下室可作为停车场的作用。
2.2 结构平面和立面布置
在高层结构的设计中, 结构的平面形式和立面布置对工程的成本影响很大, 因此为了有效的做好工程成本的控制, 应从结构专业和建筑专业出发综合考虑, 做好结构平面和立面的合理设置, 并反复进行优化。在结构平面的布置上, 尽量确保柱网纵横两方向的对齐, 同时保证柱与柱的间距尽量相近。核心筒布置在结构平面的中心位置, 这样可以确保结构的传力简单。对于结构立面的布置, 应确保剪力墙、钢柱以及支撑能够连续布置, 不布置转换结构。对于结构的高宽比和核心筒的宽度应做到符合设计和规范的要求。
本工程结构平面布置较为规则对称, 立面结构刚度变化均匀, 核心筒布置在结构平面的中心, 因此结构的质量和刚度中心基本重合在一起。本工程在进行结构平面设计时, 应特别注意结构的扭转效应, 因此采取的设计措施为:在轴1~轴11处和布置一列单斜杆支撑, 同时在层1对应上部斜杆支撑位置布置1道剪立墙, 剪力墙的厚度为250mm, 这样的设计可以有效的提高层1核心筒的抗剪承载力, 从而实现平面扭转效应的控制。建筑结构的高宽比为2.19, 核心筒的高宽比为4.85。
2.3 主要构件设计
1) 钢管混凝土框架柱。通常情况下, 在钢框架-混凝土核心筒结构中, 应采用钢管混凝土柱作为框架柱。钢管混凝土柱中主要为钢材和混凝土两种材料。在混凝土的外围包裹着钢管, 钢管的作用使混凝土处于三向受压的状态, 因此混凝土的抗压强度得到了有效的提高, 同时也使混凝土具备了塑性的特征;而内部混凝土的存在, 提高了外围钢管的局部抗屈曲能力, 从而有效的确保了钢材的强度;钢管还兼作为框架柱的纵向钢筋、箍筋以及混凝土模板的作用。钢骨混凝土施工较为复杂, 而且尺寸较大, 而采用钢管混凝土框架柱, 能够有效的解决这些问题, 同时具有整体刚度较大、强度高以及稳定性强等特点。本工程所采用的钢管混凝土柱具体钢管型号和混凝土等级为:钢管的型号主要有三种, 分别为350×12, 350×10, 350×8, 钢材的强度等级为Q345B;而混凝土的强度等级有三种, 从高到底以次为C40、C35、C30, 根据荷载和部位的不同, 选择不同的钢管型号的混凝土强度。
2) 楼面体系。本工程采用的楼板为普通钢筋混凝土楼盖, 尺寸有两种, 分别为100mm厚和120mm厚的。采用抗剪栓钉将楼板和钢梁紧密的连接在一起, 从而形成组合楼盖的形式。地下室采用的钢筋混凝土楼板的厚度为180mm, 楼板和屋面梁所采用的材料为轧制H型钢, 钢梁的型号有较多, 有H450×180×8×12、H450×150×8×12以及HN248等。而地下室所采用的框架梁材料为钢骨混凝土, 次梁采用的则为普通钢筋混凝土。
3) 钢骨混凝土剪力墙。在本工程中, 经过结构整体计算, 在层1~4楼面钢梁与核心筒交接处布置有钢骨混凝土柱。在结构的整体计算中, 由于核心筒连梁的高跨比较大, 这会引起连梁抗剪强度的不足, 因此, 根据规范的规定, 应采用钢骨混凝土连梁, 在连梁内设置适当的钢骨, 从而提高连梁的抗剪承载力。而当在核心筒楼面处不存在钢骨混凝土连梁时, 应设置钢骨混凝土暗梁, 暗梁中钢骨的设计根据构造要求即可。
在剪力墙混凝土的浇筑施工时, 连梁和暗梁中的钢骨会给施工造成一定的影响, 因此为了减小这种不利影响, 采用窄翼缘钢梁作为连梁和暗梁中的钢梁。窄翼缘钢梁的面积主要集中在腹板, 这样可以有效的提高钢骨的抗剪能力。在本工程中, 所采用的连梁钢骨的型号有两种, 分别为H400×75×10×10、H300×75×10×10, 而采用的暗梁钢骨的型号则为HN150。底部核心筒的周边墙厚最大, 为350mm, 而上部最小, 则为200mm, 内墙墙厚则从下到上均为200mm。
4) 围护结构设计。在结构的工程造价中, 围护墙的造价占有很大的一部分, 因此应尽量采用较轻的墙体材料, 同时减小墙体的厚度, 同时填充墙的强度直接影响着维护结构的安全。在进行围护墙材料的选择时, 应尽量满足容重小、强度高、隔音效果好等。经过各种可行材料的综合对比, 本工程采用的内隔墙材料为蒸压加气混凝土砌, 而外墙和卫生局隔墙的材料则为混凝土空心砌块。
2.4 地下室和基础设计
在进行地下室的设计时, 根据规范的相关要求, 基础埋深、钢管柱脚埋深等各方面都有相应的构造要求, 同时综合考虑地下室的工程造价和建筑的使用要求等, 笔者认为在高层钢结构住宅结构适当的修建地下室不仅能够满足建筑的使用的要求, 同时也能实现一定的经济效益。
对本工程施工现场的地质情况进行勘察, 根据所得地质勘察报告, 可以知道本工程的场地地质条件较好。本工程如果采用浅基础的话, 可以采用建筑室内地面以下2m左右的土层作为基础的持力层;而如果采用深基础的话, 可以采用建筑室内地面以下8m左右的土层作为持力层。本工程场地地质情况均满足浅基础和深基础的条件。经过分析, 本工程在地下设一层地下室, 基础则采用静压预制管桩。
3 结论
从工程实施效果表明, 钢结构具有强度高、自重轻、塑性好、结构可靠度高以及密封性好的特点, 逐渐被广泛地应用到高层住宅结构中。
参考文献
[1]张述诚.钢结构住宅设计的难点探讨[J].工程设计与建设, 2010 (7) .
住宅钢结构设计 篇2
1.国内建筑结构加固技术的研究现状及发展趋势
近年来出现的一些新加固技术，如粘贴纤维复合材料加固法、钢丝网水泥砂浆加固法、纤维材料的嵌入式加固法等，这些技术从一开始引进和出现在国内，就以它们优异的性能、特点和加固效果得到了工程界的关注和青睐。广大科研技术人员在新加固技术方面开展了大量的试验研究和理论分析，国家也颁布了一些新加固技术规范，在工程实践中正逐步推广。预计不久的将来，随着新加固技术的逐步成熟，一定会在工程中得到广泛应用。
1.1 碳纤维加固技术的研究现状及发展趋势
我国在利用碳纤维加固技术的研究和应用起步较晚，发展却很迅猛。国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心率先开始了“碳纤维材料加固修补混凝土结构”的试验研究开发与应用，并被定为国家“九五”重点科技攻关项目.随后通过采用进口的碳纤维材料在北京、上海、辽宁、江苏等省市进行了一些实际工程结构的补强加固，并取得了较好的效果。
1.2纤维复合材料嵌入式加固技术
纤维复合材料嵌人式加固技术是将加固材料放人结构表面预先开好的槽中，并向槽中注人粘结材料使之形成整体。目前国外已经有了一定规模的研究和应用，国内在国家工业建筑诊断与改造技术研究中心开展了这项技术的试验研究，但尚未应用于工程实践。
2.砖混结构裂缝种类及其产生的原因
2.1干缩裂缝：多发生在墙面抹灰层内，一般沿墙面长度方向每隔一段距离形成一条裂缝，这种裂缝开始随时问而发展，以后逐渐稳定。另一种干缩裂缝则呈不规则的龟裂或呈放射状裂缝，此类裂缝宽度较小。产生的原因有：①抹灰用砂过细或含泥量较大;②水泥安定性不好;③砂浆过稀，抹灰不实;④抹灰层失水过快，养护不好等造成抹灰层收缩较大而形成裂缝。
2.2砖墙温度裂缝：一般有如下规律：① 顶层重，下层轻;两端重，中间轻;向阳重，背阳轻;且这类裂缝与温度变化有关。②砖墙温度裂缝随部位不同而呈不同的形状。产生的原因有：① 屋面保温层，隔热保温性能差;② 砖墙砂浆标号较低，砌筑质量较差;③结构构造上处理不当，如采用半圈梁 。
2.3地基下沉裂缝：一般共同规律是：下层多，上层少;纵墙多，横墙少;外墙多，内墙少;斜向多，竖向少。产生的原因有：①地基不均匀下沉;②房屋过长未留缝，沉降不一;③平面复杂，转角较多;④ 高低层相差较大，未留沉降缝;⑤荷载与分布不均匀;⑥ 使用不当，地基浸水或地下水位上升(多发生于湿陷性黄土地区);⑦ 地基施工质量。
3.砌体裂缝的类型和防治方法
砌体结构裂缝的类型有斜裂缝、水平裂缝和竖向裂缝三种。斜裂缝有的发生在有现浇混凝土挑檐的平屋顶房屋和无保温屋盖的房屋顶层纵墙面的两端，一般长度在1开间～2开间范围内，外纵墙两端有窗时，裂缝沿窗口对角方向裂开。有的发生在底层至二层外纵墙的两端，斜裂缝通过窗口的`两个对角向沉降量较大的方向倾斜，裂缝下大上小。水平裂缝有的发生在平屋顶屋檐下或顶层圈梁下2皮～3皮砖的灰缝位置，一般沿外墙顶部连续分布，两端较中间严重。有的发生在底层至二层窗间墙的上下对角处，成对出现，沉降量大的一边裂缝在下，沉降量小的一边裂缝在上。竖向裂缝发生在纵墙中央的顶部和底层窗台处，裂缝上宽下窄。
根据裂缝产生的原因，要消除砌体裂缝。必须从根源上进行防治，尽可能在夏季或温暖季节，浇灌屋顶挑檐及圈梁混凝土，一般不要冬季施工。挑檐上最好做保温层，并达到规定的厚度：这样就能减小钢筋与混凝士和砌体之间的温差，避免顶部出现裂缝。根据建筑物的实际情况设置沉降缝、伸缩缝，提高结构刚度和施工质量，都能减少裂缝的发生。当然，处理好地基是防止墙体底部出现裂缝最有效的方法。
4.常用建筑补强加固方法
4.1 加大截面加固法
加大截面加固法是采用与原有构件同类的材料，通过增大截面的面积，提高构件的承载能力和刚度，达到对原构件进行加固的目的。
4.2 外包钢加固法
外包钢加固法是把型钢或钢板等材料包在被加固(钢筋混凝土)构件的外侧，通过外包钢与原有构件的共同作用，提高构件的承载能力和刚度，达到加固的目的。
4.3 外加预应力加固法
外加预应力加固法是采用外设预应力拉杆或撑杆对结构构件或整体进行加固的方法。它通过改变原结构的内力分布、降低结构原有应力水平间接提高结构的承载能力。
4.4 改变受力体系加固法
粘钢加固法方法是以减小结构的计算跨度和变形，间接提高承载能力的一种加固方法。为了减小构件的计算跨度，常采用增设支点(包括柱支座和弹性支座)和采用托梁技术，从而改变结构的受力体系，使承载能力得以提高。
4.5 粘钢加固法
粘钢加固法是将钢板用结构胶粘贴在混凝土构件的外部，以提高结构承载能力的一种方法。论文参考。这相当于构件的体外配筋。该项技术目前已趋于成熟。
4.6粘贴纤维复合材料法
粘贴纤维复合材料加固方法与贴钢加固法相似，只是加固用的材料是纤维复合材料，如玻璃纤维(GFRP)、碳纤维(CFRP)、芳纶纤维(AFRP)等。
5.结论
住宅钢混框架结构的优化设计 篇3
【关键词】住宅建筑；框架结构；优化设计；性能分析
0.前言
随着设计和施工水平的提高，住宅建筑采用钢筋混凝土结构的形势发展较好，由于设计施工的框架结构具有整体性好、围护墙体轻、抗震性好、施工速度快、布局灵活多样等特点，在许多工程中得到广泛应用。其结构体系本可能是多式多样的，但根据其平面特点，通常都利用中部的竖向交通区设置较多的剪力墙，组成一个较完整或基本完整的筒体，伴随着这种施工特点的满足群体不断增大，住宅钢筋混凝土框架结构在现代施工技术中得到了广泛使用。
1.住宅钢筋混凝土结构的形式
1.1框架结构
框架结构的特点是开间大、灵活性好、抗震性能较好、造价较低，但由于柱截面大于隔墙厚度而造成柱角外凸，影响家具的布置和美观，有时由于住宅中房间分隔的不规则性又造成柱网的难以布置。
1.2抗震框架结构
与非抗震结构设计相比，考虑抗震的结构设计在确定结构方案和结构布置时要考虑的是结构的自震周期避开场地的卓越周期，否则应调整结构平面，直至满足为止。在框架结构的抗震设计中大部分可分为以下几个步骤：①根据设计基本资料确定地震计算参数；②进行抗震概念设计，合理布置结构体系；③根据地震设计参数计算结构的总体地震响应，检查各地震控制指标是否满足规范要求，不满足的要调整结构体系直至满足为止；④计算地震力；⑤根据地震力计算结构内力；⑥根据内力计算结果计算各构件配筋；⑦按照规范要求调整截面配筋，并采取各种抗震构造措施。
1.3框架一剪力墙结构
在框架结构中布置一定数量的剪力墙就组成了框架一剪力墙结构。它是小高层住宅中应用比较广泛的一种主体结构型式。其特点是平面灵活，适用性强，结构合理，能使框架、剪力墙两种有不同变形性能的抗侧力结构很好地协同发挥作用。
1.4大开间剪力墙结构
随着时代的发展和人们生活水平的提高，原来建造的小开间剪力墙体系住宅在建筑功能上的局限性变得日益明显。从强度方面看，小开间结构中墙体的作用不能得到充分的发挥，并且过多的剪力墙布置还会导致较大的地震力，增加工程费用。另外，由于结构自重较大，也增加了基础的投资，因此，大开间剪力墙应运而生。
1.5短肢剪力墙结构
短肢剪力墙介乎于异形框架柱和一般剪力墙之间，由于这种结构体系在建筑功能、结构形式、投资效益、节能指标等多方面效果良好，己成住宅的主要结构形式。
2.住宅钢混结构设计要点
2.1水平荷载
水平荷载是小高层住宅钢筋混凝土结构设计的控制因素。在低层住宅中，往往是以重力为代表的竖向荷载控制着钢筋混凝土结构设计。而在小高层住宅中，尽管竖向荷载仍对钢筋混凝土结构设计产生着重要影响，但水平荷载将成为控制因素。对某一特定建筑来说，竖向荷载大体上是定值，而作为水平荷载的风荷载和地震作用，其数值是随动力特性的不同而有较大幅度的变化。
2.2轴向变形
对于采用框架体系或框架一剪力墙体系的小高层住宅，框架中柱的轴压应力往往大于边柱的轴压应力，这就使得中柱的轴向压缩变形大于边柱的轴向压缩变形。当房屋很高时，此种差异轴向变形将会达到很大的数值，其后果相当于连续梁中间支座产生沉陷，使连续梁中间支座处的负弯矩值减小，跨中正弯矩值和端支座负弯矩值增大。
2.3结构延性
相对于低层住宅而言，小高层住宅更柔一些，地震作用下的变形就更大一些。为了使结构在进入塑性阶段后仍具有较强的变形能力，避免倒塌，特别需要在构造上采取恰当的措施，来保证结构具有足够的延性。
2.4结构侧移
与低层住宅不同，结构侧移也是小高层住宅钢筋混凝土结构设计的关键因素。随着房屋高度的增加，水平荷载下结构的侧移变形迅速增大，结构的顶点侧移一般与房屋高度H的四次方成正比。在设计小高层住宅时，不仅要求结构具有足够的强度，而且还要有足够的抗侧移刚度，使结构在水平荷载下产生的侧移控制在一定的范围内。这是因为过大的侧移会使人不舒服，影响房屋的正常使用。过大的侧移会使隔墙、围护墙以及它们的高级饰面材料出现裂缝或损坏，也会使电梯轨道变形而导致不能正常运行。
3.住宅钢筋混凝土框架结构的优化设计
3.1优化设计方法
住宅钢筋混凝土框架结构的优化设计主要是应用住宅结构分析软件，采用人工分析进行调整，运用概念设计的方法对不同的结构选型和布置不断的进行方案分析比较，以获得比较理想的结构方案。用概念设计的方法所得的方案是较合理经济的，虽其费工费时、对设计人员的素质要求较高，但这种依靠设计人员经验进行人工优化的方法仍是当前所普遍采用的主要方法。
对于同一住宅方案，可以有许多不同的结构（包括基础）布置方案，确定了结构布置的住宅物，即使在同种荷载情况下也存在不同的分析方法。分析过程中设计参数、材料、荷载的取值也不是唯一的，住宅物细部的处理更是不尽相同等等，这些问题目前计算机是无法完全解决的，都需要设计人员自己做出判断。而判断只能在结构设计的一般规律指导下，根据工程实践经验进行，这便是前面所说的概念设计。因此，概念设计存在于设计师对多种备选方案进行选择的过程中。
3.2结构性能分析
①抗震性能分析。对结构体系来说足够的承载能力和变形能力是两个同时需要满足的条件。结合概念设计的理念，对上述两种结构体系进行对比分析，电算程序可以采用中国建筑科学研究院编制的结构空间有限元分析软件SATWE。在结构设计中，不仅要求结构具有足够的承载能力，还要求其有适当的刚度。高层结构的使用功能和安全与其侧移的大小密切相关，过大的侧向变形会使隔墙、维护墙及其饰面材料出现裂缝或损坏。结构分别按考虑5%的偶然偏心和双向地震力作用的不利情况计算出各结构体系层间位移角，剪力墙结构小于框剪结构，但均小于规范要求，且富裕量较大，说明两种结构体系满足刚度要求。
②使用性能方面，剪力墙结构由于墙体太多，自重大，导致了较大的地震作用，混凝土和钢材用量也较高，增加了基础工程的投资，而且限制了建筑上的灵活使用。而框架一剪力墙结构的特点是平面使用灵活，适用性强，结构合理，能使框架、剪力墙两种有着不同变形性能的抗侧力结构很好地协同发挥作用。在水平荷载作用下，具有较纯框架和纯剪力墙结构更为有利的水平变形曲线。由框架构成自由灵活的使用空间，容易满足不同建筑功能的要求，同时剪力墙具有相当大的抗侧移刚度，从而使框一剪结构具有较好的抗震能力，也大大减少了结构的侧移。
③经济性比较。通过对三种钢筋混凝土住宅结构直接费的计算，发现三种钢筋混凝土住宅结构单位面积直接费相差不是很多，其中短肢剪力墙结构的单位面积直接费最大，框架一剪力墙结构的单位面积直接费最小，三种钢筋混凝土住宅结构的次要项目造价基本相同。单位面积造价框架一剪力墙结构的最小，框架一剪力墙结构的次之，短肢剪力墙结构的稍微较大。
4.结束语
钢结构住宅设计技术浅析 篇4
1概述
我国传统住宅就结构体系而言, 主要以砖混、钢筋混凝土结构为主, 其结构自重大, 进深和开间相对较小, 同时目前我国现行粗放的建设方式质量问题多, 施工现场管理流于形式, 施工现场以湿作业为主, 生产效率低下, 建设周期长, 且能耗高。因此, 我国建筑领域的现状使得建筑工业化的需求越来越紧迫, 同时我国钢材产量突飞猛增, 由此发展钢结构住宅顺势而生, 相比其他住宅结构形式, 钢结构住宅存在以下优势。
1) 钢结构装配住宅体系柱截面减小, 复合墙体减薄, 增加户内使用面积。
2) 大开间、大跨度, 有利于功能、空间的灵活布置。
3) 钢结构体系有良好的抗震性能。
4) 钢结构构件一般都在工厂里制造, 构件精度高, 隐蔽工程较少, 便于质量控制。
5) 管线布置方便。
6) 运输、安装工程量减少, 提高施工效率, 施工周期缩短30%~50%, 大大提高资金周转率。
7) 钢结构装配住宅体系符合建筑节能环保的要求。
但是由于目前推广力度不够, 同时钢结构住宅的技术研发投入不足, 其配套产品、材料和技术系统性、全面性严重不足, 尤其是户型设计与结构体系不配套, 使得钢结构住宅的性能目前仍存在缺陷。本文针对钢结构住宅户型设计要点、配套墙板等进行分析和调研, 可供钢结构住宅设计者参考。
2钢结构住宅的优缺点
2.1优点
1) 钢结构框架体系与围护体系完全分开, 相互独立, 围护墙体可以根据需要设置, 建筑空间处理的灵活性大大高于以墙体承重为主的传统住宅 (见图1) 。
2) 因为钢结构大开间、大跨度的特性 (跨度可达到5~8m) , 使室内的结构承重构件减少, 分隔空间的隔墙可任意拆改, 方便后期改造。
2.2不足
1) 受结构体系的限制, 做成钢筋混凝土框架结构中的异型柱很困难, 钢柱截面通常会大于墙体宽度。钢柱如果突出墙面之外, 会影响室内空间形状的完整性及家具摆放。
2) 框架梁会降低室内局部空间的净高, 影响室内功能空间的划分。
3) 钢框架结构考虑抗震而设置的侧向支撑会限制功能空间在围护墙体上门窗洞口的开设。
3钢结构住宅户型平面及空间设计要点
根据钢结构住宅的特点, 研究并设计了一系列的钢结构住宅平面, 坚持集成化设计的基本原则, 建筑、结构、设备、精装各专业密切配合, 达到平面及空间使用上最大限度的无障碍性。
3.1户型设计的标准化、模数化
推进住宅产业化的核心是要实现住宅设计的标准化、模数化。钢结构住宅的结构构件尺寸、预制楼板的模数等因素对户型模数化设计会产生一定的影响。
3.2土建装修一体化设计
土建设计与精装修设计同步进行, 对土建设计和装修设计统一协调, 可以更好地实现设计的标准化与模数化, 减少浪费, 提高工作效率。
土建装修的一体化不但能够隐藏暴露在外的结构构件, 还可以避免居民入住后有可能对结构构件造成破坏, 尤其对于钢结构构件防腐、防火保护层等易受到损坏的部分。
3.3钢结构住宅的结构体系对户型平面的影响
钢结构住宅户型建筑结构布置应方正规整, 只有这样才能发挥出框架结构的优势。不同层数、不同建筑高度的钢结构住宅与之相适应的结构体系是不同的;相同建筑高度、层数的户型因为核心筒位置不同, 对结构形式会产生一定的影响;同一户型如果采用不同的结构形式对建筑户型也会产生不同的影响。
为提高净空利用率, 保证室内空间完整连续性, 可采用隐梁式结构体系, 即将楼板搁置在钢梁下翼缘, 钢梁高度充分利用楼板厚度及建筑面层做法, 可使室内无梁, 同时减少钢梁外露, 降低防火防腐造价。但此种做法存在一定局限性, 首先室内不采用地暖等要求较厚的面层做法时, 楼板及建筑面层总厚度一般在200mm左右, 根据钢框架跨高比, 结构跨度无法做到大空间大开间, 甚至在建筑进深方向无法满足要求;其次造成了楼板不连续, 同时影响楼板上层钢筋、设备管线布置, 需在钢梁腹板穿洞解决, 影响结构整体性, 对抗震不利。
3.4合理调整结构梁、柱与室内功能空间分隔的位置关系, 以保证主要空间的完整性
1) 在户型设计中结构梁柱尽量布置在公共空间, 减少对住宅户内的影响。
2) 结构梁柱和室内墙体位置尽量重合, 避免在室内空间中暴露框架结沟。
3) 隔墙置于框架梁柱的一侧, 保证主要空间 (如起居室、卧室) 完整性, 将梁柱尽量突出于次要空间中 (如厨房、卫生间、储藏室等) 。
4) 结构梁柱可以和精装修相结合, 将梁柱隐藏于吊顶或固定家具中 (如衣柜) (见图2) 。
3.5钢结构框架结构体系可以更好地实现填充体部分长期维护性设计
钢结构的围护体系和结构体系完全分开, 从根本上杜绝了因为运行中的装修、改造、维护等活动对建筑主体安全的影响, 减少或消除在结构体中的各种管线预埋。户型设计中可以通过在墙体内设置管道夹层、线路夹层、管线吊顶内明装等方式将设备从结构体中解放出来, 充分实现在建筑全生命周期各个阶段的施工可视、质量可控、部品可换的目标 (见图3) 。
4墙体系统
钢结构住宅墙体系统中基层墙体可供选择的有砌筑类墙体、单板类墙体、工厂预制复合墙板和现场组装复合墙板。针对目前市场上常用的几类外墙体进行了市场调研。
4.1加气混凝土砌块、条板
这两类产品均为标准化生产, 构件尺寸固定, 目前市场生产厂家主要有北京金隅、天津住总、南京旭建等企业。
4.1.1加气混凝土砌块
目前市场此类产品较多, 且生产工艺简单, 造价低, 并且具有良好的防火、抗震性能。但采用此类墙体在施工过程中存在大量的现场湿作业, 传统砌筑时施工速度慢, 与钢结构装配化施工作业以及产业化基本理念相违背。同时现场湿作业造成的潮湿环境使得钢结构工程不耐腐蚀的问题凸显, 往往造成钢构件表面锈蚀, 需要进行二次处理, 且处理效果不理想。
混凝土砌块用于外墙时可采用框架柱完全内嵌、部分内嵌及外包形式。外墙保温一般采用砌块外贴形式, 如利用砌块本身材料进行保温隔热, 则墙体厚度较厚, 且在梁柱、楼板等位置需特殊处理。
4.1.2加气混凝土条板 (ALC板)
ALC板能够与钢框架灵活连接, 可采用外挂式也可采用内嵌式。一般标准板材宽600mm, 单板长度、厚度有多种尺寸, 也可根据工程实际进行定做。外墙防水可采用材料防水或构造防水 (见图4) 。
此类板材可在现场实现装配化施工, 墙板可竖向或横向搁置拼接, 但因数量较多, 拼接工作量大, 且大量的拼接缝易造成防水隐患。由于板材两边交界处形状复杂不易加工, 所以墙板的横竖缝会优先竖缝做成企口式构造防水, 横缝只能靠嵌缝材料保证防水性能, 但嵌缝材料很难保证设计使用年限内的防水性能。另外由于此类墙板本身强度的限制, 难以生产大板式墙板, 目前已经有企业在研发此类墙板, 如再将保温装饰一体化板作为外墙保温装饰材料, 将会是一种非常适宜钢结构体系的墙板, 具有良好的发展前景。
4.2大板式复合墙板——太空板
太空板是由钢 (混凝土) 围框、内置桁架与发泡水泥芯材及上下面层复合而成 (见图5) 。其板规格为整开间整层高大板, 需根据设计图纸预订加工生产, 因此要求建筑外墙轮廓尽量规整, 以减少板材的规格种类。墙板采用外挂做法, 目前没有转角板产品, 外墙阴阳角位置需要特殊处理。
此类墙板最大优势在于生产制作过程在工厂内完成, 减少现场工作量, 同时板材的尺寸与结构框架相对应, 方便安装。但如外面未考虑模数化、标准化设计, 会大大增加墙板种类, 提高成本造价。目前市场还未大量应用, 同时需根据建筑平面和空间尺度进行预订加工, 因此还无法实现工厂化大批量生产。
4.3金属面夹芯板——佳合板
佳合板是由外表面的金属压花板和保温绝热材料复合 (或浇筑发泡) 而成, 属保温装饰一体化板材。外层采用铝合金板、镀铝锌钢板等金属面板, 根据需要表面涂装不同颜色的涂料 (见图6) 。此类墙板可以与其他外墙板复合使用, 但其自身强度无法抗风, 不能独立作为外墙板使用, 需另设龙骨才能达到强度要求。
4.4轻钢龙骨复合墙板——金邦板
金邦板采用轻钢龙骨作为墙体支撑骨架, 内外挂石膏板或水泥刨花板, 中间填充保温岩棉, 并在保温层外侧设防潮层, 最外侧挂装饰板 (见图7) , 是一种集功能性、装饰性为一体的复合外墙材料, 应用较为广泛。其具有良好的保温隔热性能和防止雨水渗漏功能, 并且外饰面板与墙体骨架相对独立, 可以自由选择不同风格与类型的装饰面材, 另外在建筑使用期内维修保养相对有利, 可进行局部更换。
金邦板所有材料需在现场进行拼装, 虽无现场湿作业, 但其墙体材料生产加工的准确性要求较高, 现场施工安装也较为复杂, 现场工作量加大, 不符合产业化施工模式。
4.5汉德邦CCA板整体灌浆墙——纤维水泥板灌浆墙体
汉德邦CCA板整体灌浆墙是以汉德邦CCA板作为面板, 用轻钢龙骨作为立柱, 在其空腔内泵入轻质灌浆材料而形成的复合整体式实心墙体。汉德邦CCA板是以纤维素水泥、砂、添加剂、水等物质为主要原料, 经混和、成型、加压、蒸汽养护等工序形成, 不含石棉及其他有害物质, 具有防火、防水等优良性能的新型轻质环保板材。
此类墙板具有轻质高强、抗震性能好、防火性能好、管线铺设便利等优点, 但仍需在现场进行灌浆, 存在湿作业, 同时其作为外围护墙体仅填充发泡混凝土, 无法满足北方居住建筑的节能设计要求。
从以上调研结果可以看出, 目前市场上的外围护墙体均存在一定的局限性, 不能完全适应装配式钢结构产业化体系, 因此研发适合钢结构住宅产业化要求的新型墙板迫在眉睫。大板式复合墙体制作过程全部在工厂内完成, 现场工作量大大减少, 简化了现场施工流程, 符合产业化的施工模式, 另外若同时与保温装饰一体化板复合, 将会大大减少现场施工工作量, 并能更好地保证外围护墙体的各项性能。
5结语
总体而言, 充分考虑钢结构的特点进行合理化设计, 是目前钢结构住宅设计的一个重点内容, 但目前钢结构住宅的户型设计与钢结构的特点并不适宜, 是钢结构住宅的缺陷, 因此如何做好钢结构住宅户型设计将是下一步研究的重点。
住宅钢结构设计 篇5
2.1墙体节能设计
寒冷地区由于气候影响，农民在冬天许多行动都受到限制，根据农民所需的条件，可以总结出室内温度适合保持在16℃左右。因为是面积较大的墙体，所以一般采用370mm厚度的多孔砖墙，可以将实心粘土砖放在外围，这样虽然能够加强保温但是并不经济实惠。复合墙体逐渐受到欢迎，复合墙体主要是将钢筋混凝土与绝热材料结合在一起，这样就能节省许多费用，也起到了保温作用。复合墙体更加符合未来发展趋势，也对经济有着一定的促进作用，接下来介绍三种最主要的复合墙体。（1）内保温复合外墙。内保温复合墙体采用的材料主要是单一材料，强度也比较低，一般都要在表面附着一层保护层起保护作用。其中利用的膨胀珍珠岩保温砂浆使得这种墙体更加经济且方便施工。保温砂浆的保温作用非常好，但是对墙体整体的保温水平提升还是有限，一般在墙体内侧贴上一层，还要加强保护，虽然起到的保温效果还行，造价低，但是仍旧有提升空间。（2）外保温复合外墙。外保温复合墙体主要是在墙体外侧形成保温层，通常是将聚苯板粘贴挂在外墙，再用玻璃纤维网布覆盖，形成保护。这种做法相比内保温复合墙体有更好的稳定性，也能提供更加舒适的室内环境，而且对墙体有着保护作用，增加了室内温度的恒定性，因此受到欢迎。（3）保温材料夹心复合墙体。保温材料夹心复合墙体就是将保温材料放置在墙体中，这种方法保温效果很好，不能进行修理，维修费用过高。但是本身能够起到很好的保温效果，采取的做法是将保温层聚苯板等填入墙体，施工要注意填补严密，不要形成内部空气对流，这样才能很好的实现保温作用。
2.2门窗节能设计
在寒冷地区，门窗的设计也很大程度影响了室内温度的高低。一般情况下，门窗能够消耗总热能的20%，门窗设计是非常重要的。在节能设计中，需要关注以下几点重要措施。（1）增加门窗的热阻，减少由温差引起的热传递。门窗的热阻有两种，窗框和窗玻璃。寒冷地区所采用的窗户一般是木窗框或者铝合金窗框，窗框与窗户之间的交界处会有不严密现象。在增加门窗的热阻手段上，可通过在交接处添加保温材料来减少由温差引起的热传递。这样可减少热能消耗和洞口的漏风。玻璃可以采取双玻璃窗，这也是最经济的方法，虽然成本增加但是增加较少。（2）控制开窗面积。寒冷地区乡村住宅普遍采用单层，基本上不会有房屋紧凑的现象，污染也不严重，太阳辐射较强，考虑开窗面积也比较重要。为增加开窗的太阳辐射，可将南向的窗户适当增大面积，最大也不能超过百分之四十。在保温效果上，晚上通过拉窗帘进行保暖。（3）提高门窗保温性能。为获得更好的保温性，可提高门窗的保温性能，需对门窗质量要求，无论是制作还是后期安装使用都要求更高的.专注度。尽量减少安装时的缝隙，提高门窗的气密性，改造以前所用的木板门，中间添加保温层等保温材料，以此实现更好的保温性能。
2.3屋面节能设计
目前，在寒冷地区乡村住宅中选取的屋面大多选择传统的保温方法，也就是用干铺炉渣或者塑料薄膜上踩土。这样保温效果并不如新的材料强，可以采用更加保温的材料，改善保温效果。如果是平屋面，可以采用导热系数小的保温材料；如果是坡屋面可以用草泥或者麦秸泥然后再用吊顶。
2.4地面节能设计
农村住宅的地面都比较简单，一般都不会考虑地面保温设计，耗热量也不是很高。但是如果能够考虑地面的保温也是有一定的作用的。比如说可以在地面铺设一些碎砖或者灰土等保温层，这种方法比较简单，也经济实惠。另外，无论是从住宅环境还是住宅结构，都可以通过对室内环境进行改造，提高室内舒适度，这都是可以考虑的方法，以此来达到寒冷地区乡村住宅外围护结构节能设计的根本目的。
3结束语
由于农村住宅与城市住宅有着很大区别，环境因素和人文因素也都有着差别，因此在住房设计时还要考虑保温问题。在寒冷地区乡村住宅外围护结构节能设计上不能只是直接改，而是要结合当地环境和经济适用性综合考虑，最后实现更好的改进。将外墙的材料多样化结合，实现复合外墙，在门窗的设计上多考虑气密性，在地面保温上也需要加入保温元素，这都是实现节能的因素。
参考文献：
[1]董海容.严寒地区农村住宅节能设计的分析[J].低温建筑技术,,(6):101-102.
[2]王振辉.寒冷地区乡村住宅围护结构的节能设计[J].建筑节能,,(6):61-62.
[3]董源红.某地区多层住宅建筑节能设计浅析[J].煤炭工程,,(4):7-8.
[4]陈红.寒冷地区乡村住宅建筑节能探索[J].住宅科技,,(4):90-91.
住宅建筑异形结构柱设计方法研究 篇6
【关键词】住宅建筑；异形结构柱设计；框架结构
建筑构造采用普通的框架结构，梁柱会在房屋的墙面上凸显出来，妨碍的美观，而且为房屋的装修设计带来了诸多的不便，更重要的是在房屋装修中提高了成本。鉴于普通的框架结构对于建筑平面和空间存在着局限性，而且影响到房屋的分隔，因此而逐渐被淘汰。在建筑结构设计中，使用异型结构，可以很好地解决传统框架结构所出现的问题，其不会凸出墙面，因此在家具的布置和空间视觉效果上都较为理想。
一、异形结构柱及其受力特点
（一）异形结构柱的概念
异形结构柱区别于矩形柱，从建筑结构上来看，其是借鉴剪力墙设计转变而来的。在建筑结构设计上，采用了组合截面柱，以确保构造的强度和延展性。在建筑框架结构设计中，常用的异形结构柱有十字形、L 形、T 形和Z 形，柱肢截面中各肢的设计标准为：肢高与肢厚均小于（等于）4。在异形结构柱的使用上，墙的转角部位多使用L 形的异形结构柱，在纵横墙的交接处，通常会选用十字形或者T 形的结构柱。柱肢的宽度要等同于填充墙体的厚度，宽度要小于0.30m标准宽度界定在0.20m至0.25m范围内。如果肢长较大，在柱肢的宽度设定上要选择0.60m至0.80m的宽度。
（二）异形结构柱的受力特点
异形结构柱的柱截面存在着自身的特点，并不会因为由剪力墙转变而来而完全带有剪力墙结构的特点，也不会与普通的框架結构相似。
首先，由于异形结构柱截面设计上的特殊性，会导致墙肢平面向内的刚度和向外大刚度差距拉大的情况下，形成了各向的刚度出现了不一致的现象，因此不同方向的承载力也会有所不同。
其次，异形结构柱属于多肢结构，剪切中心在受力的时候，要使变形力和内力得以协调，就要依赖于各个柱肢之间的交点处来实现，从而使各个柱肢当中都出现了一定程度的剪应力和翘曲应力。这种现象的存在，很容易导致柱肢出现破裂，使得核心砼处出现了三向剪力状态，导致异形结构柱出现了明显的脆性破坏。出现这种状况的主要原因，就是异形结构柱的剪切中心往往并不处在结构柱的平面范围内。
再次，与矩形柱有所不同，异形结构柱具有较差的延性，主要是基于其在受力的时候，会有单纯翼缘柱肢受压的状况存在。异形结构柱遭到破坏是在荷载角、剪跨比、轴压比、箍筋间距（ S ）与纵筋直径（D）之间的比值和配箍率等等因素的促动下形成的，其所呈现出来的形态为弯曲破坏、压剪破坏以及小偏压破坏等等。在实际应用中，受力的性能会更为复杂，那么在设计中就要多方面因素考虑，建筑异形结构柱面布置合理，在计算程序和结构措施上，都要选取得当的方法，以确保建筑异形结构柱的承载力。
二、住宅建筑采用异形结构柱设计原则
目前城市建筑鳞次栉比，以高层建筑为主。建筑框架结构采用异形结构柱设计，在高层建筑中要受到局限。安全起见，框架结构的层数低于12层的小高层建筑最宜采用异形柱框架结构设计。建筑筑的平面布置，在不对称结构上，考虑到出现扭转后对于建筑结构会出现不利的影响，因此采用异形结构柱设计，要确保平面结构的形状和刚度都均匀对称。采用异形柱框架柱网要掌握好尺寸设计，框架梁采取双向设置，或者在一些承载较为脆弱的位置增设暗梁，并进行局部板加厚等加强处理措施，因此，对于竖向结构进行异形结构设计，要按照有关标准设计，并尽量均匀，否则，很有可能会出现楼层刚度竖向不均匀而导致突变，或者是外挑内收的现象发生。
关于抗震作用的计算方法，异形结构柱的高度如果低于40米，就要采用剪切变形的方法。当异形结构柱具有均匀的质量和刚度的时候，可以采用底部剪力法。
异形柱框架结构中关于内力和位移的计算，要考虑各个抗侧结构，因此可以按照弹性方法进行计算。在异形结构柱结构的设计上，可以采用计算机分析方法，基于计算机虚拟空间设置，协同平面抗侧力结构。此外，在异形结构柱框架结构的内力分析上，构件截面的设计应选取内力最不利组合作为参考，其中还要考虑地震作用效应和荷载效应。
三、异性结构柱设计在住宅建筑中的应用
（一）工程实例
某高校七层宿舍楼建筑设计为框架结构，建筑主体结构的高度为20米。宿舍楼长为32米，宽13米，总建筑面积大约为1890平方米。建筑物框架结构设计为二级的安全等级，抗震设防度为7度，丙类。建筑框架的抗震等级为三级，50年的设计使用年限。从建筑物所在场地来看，地面粗糙度为B类，场地的类别属于Ⅱ类，地震加速度值界定在 0.10g，采用C40混凝土强度等级。
（二）建筑异性结构柱设计计算
在建筑异形结构柱的设计上，与矩形截面柱有所类似，对于中长柱设计主要采用的计算方法为初始偏心距乘以偏心增大系数ηb。但是从普遍使用的程序计算方法来看，很多的建筑框架结构依然考虑矩形柱截面的计算，因此，要对于异性结构柱进行技术处理，以适应计算机设计软件的使用要求。
1.将柱肢切分为多个矩形段进行计算
首先是进行整体分析。在空间结构体系中，将异形结构柱的主形心惯性矩求出来，然后运用材料力学公式将该截面在主轴的惯性矩和方向角计算出来，并求出主轴和梁的单元刚度。以各项计算结果为参考进行建筑异形结构柱的整体分析。之后，运用材料力学公式得出作用于异形结构柱截面上每个关键点的应力，使用数学积分的方式将每一段柱肢发生在平面内的弯矩、轴力和剪力计算出来，按照对称筋的方法，得出配筋的计算结果。
2.将异形结构柱等效转换为矩形柱
（1）按照一个方向刚度转换，刚度相等、面积相等
对于平面布置结构，如果布置规整，而且可以形成横向的平面框架，那么异形结构柱等效转换为矩形柱，可以按照横向平面内所存在的等同的惯性矩和相等面积的正截面进行转换。这种计算方法通常误差会控制在5%以内。
（2）按照两个方向刚度相等转换
随着住宅建筑设计的复杂化，建筑结构柱几乎都没有形成完整的平面框架，异形结构柱所呈现出来的两个方向的弯度无法进行主次判断，而且主弯曲的方向有所不同，此时，对于异形结构柱的计算应该考虑到双向偏心受压状况。
（3）建筑异形结构柱的抗震性能
对于建筑异形结构柱的抗震性能进行分析，要从整体方面进行综合考虑，通常所采用的框架结构设计为异形截面柱和框架-剪力墙结构，变形特征接近于普通矩形截面柱。然而斜截面的抗剪承载力会在翼缘的作用下比矩形截面柱高出一些，导致了建筑框架结构的整体刚度增大，侧移效果降低。从整体的抗震效果上来看，由于自振周期变短而加大了水平地震的作用力，但基于刚性结构良好，因此抗震性并不会受到较大的影响。
结论：
综上所述，随着国民经济的发展，建筑业兴起，人们生活水平提高的同时，对于住宅建筑的质量要求已经从基本的功能性上升到审美层次。与砌体结构相比，建筑异形钢具有良好的抗震能力和结构延性，而且能够改善房屋的使用条件，因此在建筑领域中具有广泛的应用价值。
【参考文献】
[1]徐斌.异形柱框架结构设计浅析[J].广东水利电力职业技术学院学报， 2010.8（04）.
[2]刘卓异.异形柱框架结构设计常见问题[J].山西建筑， 2010.36（31）.
高层钢结构住宅结构设计探讨 篇7
在住宅建筑采用高层钢结构材料进行设计优点如下:
1.1 一体化的生产、短周期的设计
钢结构有效利用高科技的计算机以及专门的分析设计软件, 进行结构分析, 大大缩短了设计的完成周期。同时, 钢结构应用比较灵活, 其便捷的特性, 使其能够进行现场安装, 将前期的设计工作与现场的施工进行结合, 通过数控以及计算机软件, 使得在设计完成以后, 得以即时加工制作, 工作精确度与效率获得极大提升, 建设周期大大缩短。
1.2 高强的承载度、抗震性
由于钢材质的特点, 使其承载程度较其他材质强, 也就是说相同承载面的前提下, 钢材质的承载程度就比其他材质的承载程度要高的多。现阶段, 世界进入了地震高发期, 抗震能力成为了建筑设计的重要衡量因素。在抗震设防区中, 钢结构的重量较轻, 轻钢住宅的质量约为砖混结构质量的2/3, 钢结构相比于其他材料抗震性能好, 同时具有加强抗震性能力的耗能能力、高延性, 因此其安全度也是非常高的。
1.3 强大施工优势, 低廉综合造价
钢结构大部分构件在工厂加工完成, 在施工现场可全天候进行组装。如此, 施工现场的工作量大大下降, 占用面积与对周围环境的影响与污染都大大降低。施工时可节省支模、拆模的材料, 成本降低。
2 钢结构住宅结构设计体系
2.1 框架—支撑体系
支撑体系主要由框架体系构成。梁、板、柱子等构成了框架体系的基本组件。框架结构体系由于其结构的布置比较方便, 另外, 钢材质的硬度分布比较均匀, 延展性较好, 可以形成较大的结构空间。但框架结构的侧向刚度比较少, 容易受水平荷载影响发生较大位移, 使得钢结构有受到破坏的可能。在高层建筑住宅中, 由于住宅的层数较高, 因此, 如果钢材料没有良好的立体结构, 便容易使得建筑存在不良因素, 引起极具危害性的后果, 所以, 施工时, 要采取框架支撑的体系来增加其横向的承载力。
2.2 桁架交错的结构体系
桁架、柱子、板等构成了交错桁架结构体系的主要部件。柱子主要是放置在室内的两边位置。桁架的跨度等同于与建筑宽度, 其高度则以住宅楼层的高度等同。桁架两端在外围柱上进行上下层的交叉布设:楼板一端由桁架的上弦杆来支撑, 另一端则由旁边的桁架的下弦杆进行支撑。正是此种结构体系采用的结构少量, 以轴心力为主, 合理适用的受力结构, 形成了此结构体系的主要优势, 尤其显示在横向尺寸为主时。在结构空间上来说, 交错桁架结构体系形成的空间体积相对来说比较大, 比框架结构体系形成的空间要大出一倍多, 同时进深也大增, 在能够提高空间的同时, 由于其使用的柱子数量比较少, 还能节约材料成本。
2.3 钢架—剪力墙结构体系
剪力墙结构体系中, 施工中建筑的承载力全部压放到了剪力墙结构上来, 同时由钢框架的特性决定了其还可以担负起总的地震剪力的1/5以上, 起到多线防震作用;抗剪力墙具有较强的承载力以及抵抗推力, 在地震以及狂风暴雨之下, 产生的侧移可以忽略到不计, 因而, 在高层的住宅建筑中应用居多。应用剪力墙结构体系的住宅建筑, 其墙壁的延展性要高很多, 抗狂风、地震的功能比较强。同时, 利用电梯井作为混凝土核心筒还能有效解决电梯噪声扰民的情况。
3 钢结构住宅结构设计中应注意的问题
3.1 节点设计
震动是危及建筑安全的主要因素, 层出不穷的事故很多都是因为抗震能力弱。在施工建筑进行抗洪抗震性能时, 节点设计的重要作用不容忽视。强度高的梁柱设计、节点设计是高层钢结构建筑在受到较大震动影响时不出现局部失稳或者连续破坏情况的关键。要做到这一点可采使梁两边的翼缘截面进行适度的削减, 提高钢柱抵抗侧移的能度。同时, 要优化梁柱的节点, 更加合理的节点传力路线才能具有更强的承载力与抗震性, 同时节点焊接质量与提高螺栓的联接质量也是重点。
3.2 楼板设计
为满足钢结构的工业化及标准化的要求及保证施工速度快等优点, 在进行楼板设计时要先考虑采用预应力混凝土叠合楼板或装配整体式楼板。在装配整体式的楼板时, 一般是使用栓钉作为工具, 使钢板牢牢的钉嵌在梁上, 然后才能安全的与其他材料进行共同的工作, 以降低不便。而预应力混凝土叠合楼板在施工中应用的更加方便, 主要是用钢板、混凝土薄板, 加以混凝土来组成的叠合板。
3.3 墙体的挑选
在进行施工设计时, 都比较注重于材料的节约以及结构本身的重量的减少, 此时, 墙体的挑选就显得尤为重要。因此, 较轻的材质比较受欢迎, 一般的粘土砖等比较笨重的材料不受欢迎, 应用也不合理。从目前的建筑情况来看, 预制的复合夹心板墙应用居多, 其复合夹心层采用高效保温材料更佳。
3.4 钢结构的防火与防腐
钢材容易锈蚀, 并且锈蚀的速度与环境、湿度、温度等有关。同时, 火灾也是重大安全隐患, 故而做好钢结构的防火与防腐很重要。传统的防腐防火方法是彻底除锈并镀锌或者涂抹油漆。随着要求的提高, 传统的方法已经无法满足需求。对此, 除了采用新型的防火防腐建材外, 还要加大成本采用更有效的防腐防火外部材料, 并且对重点部位进行重点防护。
4 综述
钢结构住宅体系具有混凝土等其他结构无法比拟的优点, 在提倡建设节约型社会, 大力推广住宅产业化且日益重视建设质量的情况下, 钢结构住宅设计必然会成为设计主流。因此, 我们要对高层钢结构住宅设计进行研究, 促进其更长远、更迅速的发展, 使其能发挥应有作用。
摘要：我国的住宅建设经历了很长时间的发展, 材料与工艺都有了极大提升。根据住宅的使用情况, 钢结构住宅具有抗震性好、强度高、污染少、使用率高等优点, 极受欢迎, 是很多住宅建筑的首选。使用钢结构进行住宅建设能够提高住宅的居住功能水平与产业化水平, 本文也据此对多层钢结构住宅设计进行探讨, 以期对住宅建设有所助益。
关键词：高层,钢结构,住宅设计,结构设计
参考文献
[1]杨国建.浅谈高层建筑混凝土框架结构设计[J].价值工程, 2011 (20) .
钢结构住宅结构设计问题探讨 篇8
目前经国内广泛研究、实验分析,钢结构住宅通用体系用于民用住宅,具有独特的优势,与其它住宅通用体系相比,其主要特点是:
自重轻,可减轻建筑物的重量约30%,有利于建设高层,特别是在地质承载力低的地方和地震烈度较高的地方,其综合经济效益优于一般住宅建筑体系。
布置灵活,开间大,使房型丰富,约可提高建筑面积3%~5%。具有充分的灵活性、可改性和安全性,有利于满足现代人的居住需要,适应现代住宅的市场需求。
可以工厂化生产,更易实现工业化、定型化、批量化生产,提高劳动生产率。
施工周期大大缩短。据研究,钢结构建筑施工周期比混凝土建筑施工周期可缩短一半,减少湿作业量,且其节能指标可达50%,属环保型绿色建筑体系。
本文以笔者设计的某多层钢结构住宅试点工程为例,介绍了钢结构设计中值得注意的几个问题及其相应对策。
1 钢结构住宅结构体系布置
目前国内钢结构建筑体系主要有纯框架体系、框架-支撑体系、框架-核心筒体系等结构形式。
钢结构住宅构件的截面形式分为:热轧H型钢截面,焊接H型钢截面、钢骨混凝土截面、焊接箱形截面、冷弯焊接方管或圆管截面等,各种形式的优缺点见表1。
在设计过程中选用何种体系,应该综合考虑多方面的因素,例如突出钢结构优势的大柱网因素和适应现代人生活需要的大开间、易改变的布置因素。为了使结构经济合理,多层钢结构住宅对结构布置有些要求。当然,这些要求不是绝对的,而是在可能条件下这样做会更经济,更合理,主要是:采用矩形平面或由矩形平面单元组成的建筑平面;框架柱在房屋横向宜成列布置;将支撑或桁架腹杆设在无孔口的分户墙中;采用间隔桁架体系时,房屋纵向走廊宜在横向桁架的中部。
2 钢结构住宅设计中若干值得注意的问题讨论
在选择了合适的结构体系、柱网布置以后,在设计过程中还要有以下几个值得注意的问题:
2.1 节点设计
钢结构体系当中,节点的设计和构件的设计具有同等的重要性,因此必须给予充分的重视。钢结构的节点设计包括梁-柱节点、梁-梁节点、柱-柱节点、柱脚节点、柱帽节点等。设计时应确保节点的安全可靠,并尽量采用简捷、稳定、可靠的施工工艺,减少或避免现场的焊缝连接。钢节点的形式按传力特性大体可以分为三类:铰节点、半刚性节点、刚性节点。刚性、铰接节点的受力性能、施工工艺研究得比较成熟,因此在工程中取得了广泛的应用。
采用的几种梁-柱节点连接形式。由结构布置分析,考虑工程实际情况,在设计时,多层房屋钢结构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较薄,故在此弱轴方向与粱的连接多采用铰接,而强轴方向则采用刚接形式。
2.2 墙体材料的选取
一般来说,为了突出钢结构自重轻、布置灵活、可改性好的特点,钢结构住宅不宜采用传统的黏土砖或其它自重较大的材料。通常采用轻质材料,比如:空心混凝土砌块、加气混凝土、压型钢板加轻质保温材料组成的复合墙体、OSB板、CS板等。目前使用的比较多的是蒸压轻质加气混凝土板(Autoclaved Lightweight Concrete)简称ALC板(块)。这种材料质地较轻,具有较好的防水,防渗透能力,保温性能好,隔声效果与一般混凝土空心砌块相当,自身的强度高,施工方便、快捷。无论做外墙还是内隔墙效果都比较理想。
在进行墙体的设计时,要求对连接件的强度、质料和尺寸有准确的规定。对连接方式充分考虑墙体和主体结构的特性,尽可能采用简捷、快速的连接方法,以便于施工,提高作业效率。
2.3 卫生间、厨房设计
卫生间和厨房的设计是钢结构设计过程中比较重要的环节。因为钢结构材料的防腐能力相对较弱,而卫生间和厨房是住宅中用水最多的地方,所以这两处的防水处理十分重要。在其它建筑体系中,防水有两种方法:结构防水和材料防水。在钢结构中,结构防水的效果比较好。正如前文指出,框架-核心筒结构体系把卫生间和厨房放在核心筒内,具有良好的防水性能。对于其它结构体系要根据工程实际情况而定,比如对于框架-支撑体系采用压型钢板混凝土组合楼板时,通常在墙角处将混凝土上翻100~150mm。由于目前钢结构住宅的工程实例不是很多,故这方面还有待进一步研究、开发。
2.4 楼梯
对其它类型钢结构建筑的楼梯大都采用钢楼梯,而住宅体系中则基本不用,原因是钢楼梯的传音效果较好。故钢结构住宅中常常采用混凝土楼梯或者压型钢板混凝土组合楼梯。在设计时要注意楼梯梁的放置位置和处理,因为通常情况下,这里会出现梁-梁连接,这种连接会使得被连接梁承受集中荷载,这样该梁比较容易发生局部失稳。
该钢楼梯采用6mm钢折板做踏板,上面浇注混凝土,踏板两端用L50×6角钢与楼梯梁(槽钢)通过M12螺栓连接。这种做法利用40mm混凝土克服了一般钢梯传音效果好的弱点,同时槽钢上翼缘可以焊接合金楼梯扶手,施工简便,值得推广。
2.5 楼盖体系
多层房屋钢结构的楼板必须有足够的承载力、刚度和整体性,当前较常采用的是在钢梁上铺设压型钢板,再浇注100mm左右的钢筋混凝土板,即形成压型钢板组合楼板。楼盖梁一般采用简支等高连接,有时也可做成不等高连接,如采用压型钢板组合楼板时,为了便于铺设压型钢板,主次梁顶面需相差压型钢板厚度,同时还可以增大建筑净层高。在设计过程中,要考虑钢梁和楼板的组合作用,这样会显著提高粱的承载力和整体稳定性,并有效降低梁高,节约用钢,降低工程造价。
压型钢板组合混凝土楼板,除了按计算(并满足构造要求)在钢梁上焊接栓钉外,为了保证混凝土和压型钢板共同工作,它们之间应有连接措施,根据规范规定,其连接措施可以依靠压型钢板的纵向波槽或依靠压型钢板的上的压痕、开的小洞或冲成的不闭合孔眼,也可以依靠压型钢板上焊接的横向钢筋。
结束语
浅析多高层钢结构住宅楼板设计 篇9
钢结构住宅作为一种新型的住宅形式,是在最近20年间才开始投入实际工程中使用的。虽然钢结构在保护环境、资源合理利用、推进住宅产业化发展等方面具有绝对优势,但还存在很多限制其发展的因素,例如钢结构建筑材料价格高,加上缺乏行之有效的行业法规,几方面原因导致钢结构在普通民用建筑中难于推广应用。鉴于此,本文特以多高层钢结构住宅设计为例,选取其楼板设计为分析对象,从选择原则、类型及综合对比等方面进行了深入地比较与分析,望对钢结构应用于普通民用住宅中起到推进作用。
1 多高层钢结构住宅楼板的选择原则
钢结构的基本元件是冷弯或热轧的型钢和钢板,它的承载能力高,外部尺寸小,重量轻,由于框架这种形式,建筑内部支撑少,空间布置的灵活性大。在设计中,针对结构材料和类型特征,应把握如下设计准则:
(1)设计中综合考虑布置梁柱的位置,特别是柱的形式、排列和柱距,应最大限度地满足居住空间灵活性的要求。(2)选择合理的楼盖结构跨度,既不要太大(导致板厚加大,自重增加),也不要太小(不经济)。(3)选择适当的位置布置结构支撑体系,以不妨碍建筑空间布局为宜,应避免设在有门窗洞口或将来住户有可能开设门窗洞口的位置。(4)选择适宜的钢结构类型,考虑人力、气候、原材料、工期、造价等综合因素的影响。(5)结构构件设计应尽量简化且尺寸精确,以免增加现场安装的困难和导致废料的产生。(6)选择隔声、防渗效果好的楼板体系,保障居住环境的舒适性。(7)充分考虑钢构件的防火性能以及因此而产生的费用。
2 多高层钢结构住宅楼板的类型
2.1 全现浇楼板
这种楼板与混凝土结构建筑完全相同,楼板建造需支模,大量湿作业,施工现场工作量大,混凝土养护时间较长。而且因混凝土收缩、地基沉降、温度等原因,楼板易开裂,影响使用功能。但是成本低、防火性能较好、施工单位较熟悉,目前在钢结构住宅中仍有不少应用。
2.2 半预制半现浇楼板
(1)压型钢板-现浇钢筋混凝土楼板。通过栓钉将压型钢板固定在钢梁上,作为永久性模板,同时考虑压型钢板参与部分楼板受力。现浇混凝土层整体性好,方便水、电等设备管线的敷设。由于压型钢板底部不平整,而且压型钢板外露防火性能较差,因而楼板下部需要做防火处理并加设吊顶,既增加造价又降低室内空间净高,国外一些生产企业对压型钢板进行技术改造,生产推广闭口型压型钢板作为钢结构楼层模板。该种钢承板将板波口部缩小,板面与混凝土现浇层接触面较多,而暴露在外的面积较小,因而可以不做板底防火处理,即能达到楼板防火要求。同时由于板底平整,无须吊顶,只要板底喷涂即可,保证室内有效净空。现浇混凝土若采用轻骨料混凝土,可以大大降低结构楼板自重。(2)预制预应力叠合现浇楼板。将工业化预制的预应力混凝土薄板与钢梁连接,上浇混凝土现浇层组成叠合板。这种叠合板同样无须模板,施工方便,且省去了压型钢板,可降低造价。楼板厚度根据跨度大小经计算确定。通常,预应力混凝土薄板厚度为0~100mm,宽度国内普遍采用900mm、1200mm两种类型,长度可达到6m。现浇混凝土板厚度为50~80mm,现浇层加强楼板整体刚度,防止预制板开裂,并可以增加楼板的隔声性能。(3)双向轻钢密肋组合楼盖。由钢筋或小型钢焊接的单品析架正交成的平板网架,并在网格内嵌入五面体无机玻璃钢模壳而形成双向轻钢密肋组合楼盖。施工时利用平板网架自身的强度、刚度,并配1~2点临时支撑即可完成无模板浇注混凝土作业。钢框架梁和轻钢析架被现浇混凝土包裹形成双向组合楼盖,增加了楼板的刚度。无机玻璃钢模壳高度约250mm,500~600mm见方,混凝土现浇层厚度为50~70mm,楼板总厚度较大(密肋模壳可供设备管线穿过),需要架设吊顶。(4)密排小桁架-现浇混凝土楼板。楼面次梁采用密排小析架替代,与现浇混凝土楼板组合作用,各类管线可从析架空腹穿过,同密肋模壳楼板一样,也需要设置吊顶。
2.3 全预制楼板
(1)压型钢板干式组合楼板。以冷弯薄壁型钢制成的大波纹压型钢板作为结构楼板骨架,结构钢梁预制为下翼缘加强加宽型,压型钢板置于结构钢梁的下翼缘上,跨度可达6m,上部钉高密度水泥刨花板,下部加一层保温隔声材料,底部防火石膏板吊顶。楼板各部件工厂预制,现场施工组装,构件采用螺栓连接,施工全过程无水化。压型钢板厚度与钢梁相同,楼板总厚度在200~400mm。总重量约为混凝土楼板的1/6。在欧洲各国使用较多,国内只有引进的小住宅采用。(2)预制加气混凝土楼板。预制加气混凝土楼板是以硅砂、水泥、石灰等为主要原料,内配经过防锈处理的加强钢筋,经过高温、高压、蒸气养护而成的多气孔混凝土板材。计算密度650kg/m3,是混凝土的1/4。具有质轻耐火等特点。板材由工厂预制加工,可根据设计要求定制,也可批量定型化生产。板材容许最大荷载5.0k N/m2,最大长度可达4m。现在国内已有生产厂家引进日本等国家技术设备,大量生产制作并投入使用。
3 多高层钢结构住宅不同类型楼板的综合比较
从大范围可分为复合式和单板式。其中预制加气混凝土楼板为单板式,压型钢板一现浇钢筋混凝土楼板由于压型钥板在很大程度上作为模板使用,因此也可归为单板类,其余均为复合式。从工厂装配化程度、施工组织、隔声防火效果、设备管线敷设、空间利用率(净高)、造价几方面列表分析中可以看出,不同类型各有优缺点。
4 结语
浅析钢结构住宅设计与发展 篇10
钢结构住宅建筑是住宅建筑的一个重要分支,它以工厂化生产的钢梁、钢柱为承重骨架,同时配以新型轻质、保温、隔热、高强的墙体材料作为围护结构建造而成。
目前,发达国家钢结构广泛应用于各类建筑中。在美国、日本等发达国家,钢结构用钢量已占到钢产量的30%以上,钢结构建筑面积占总建筑面积约40%以上。我国钢结构体系无论在使用量和应用范围上,还是在成套技术标准上,都和发达国家存在着很大的差距。在住宅方面,真正实现大规模生产应用的钢结构体系还是空白。因此探讨我国发展钢结构住宅建筑的设计与前景具有重要的现实意义。
2 钢结构住宅的优势
1)由于砖混结构占我国年竣工建筑面积的很大一部分,大量的烧砖取土损坏大量耕地,而且砖混施工繁琐、资源大部分不能回收并造成大量的建筑垃圾,而钢结构配件机械化程度高,现场主要为干作业,能减少施工用水、噪声、垃圾污染,采用的材料大部分可回收再利用。2)由于钢材组织均匀,接近于各向同性匀质体,强度高,弹性模量高,其密度与强度的比值远小于砖石、混凝土、木材,在同样受力情况下,钢结构住宅自重比传统住宅结构要轻30%左右,因此大大降低了基础施工的强度,减少地基处理的费用,因而能有效地降低地震响应及灾害影响程度,有利于抗震。3)由于钢构件小,便于工业化制作、运输、安装和现场装配,工期相对比传统住宅缩短约40%,开发商更容易降低市场风险,同时增大了有效的生活空间,具有充分的灵活性、可改性和安全性。4)由于钢结构住宅采用全封闭式保温隔热防潮系统,温度变化小,热损失低,与砖混结构住宅相比,可节能60%以上,冬夏季空调设备可节约耗电30%以上,因此钢结构住宅体系有着极高的环保节能意义。
3 钢结构结构体系及主要构件
3.1 结构体系
1)钢框架体系。该体系由钢梁钢柱刚性连接,传力明确,具有很好的抗震延性,制作安装简单,施工较快,具有较为灵活的空间布置,但是侧向刚度较弱,因此一般适用于6层以下的多层建筑,用于高层建筑经济性较差。2)钢框架—支撑体系。通过加支撑的方式增加结构整体刚度和抗侧能力,减少了用钢量,梁、柱节点构造相对简单,形成了两道抗震防线,使得结构具有较好的抗震性,缺点在于斜向支撑不利于门窗洞口布置,而且强烈地震作用下支撑斜杆反复拉压,容易导致结构进入弹塑性状态,引起周围构件严重破坏,最终导致结构整体失稳破坏,因此不适用于强风和高烈度地震区。3)钢框架—嵌入式墙板体系。嵌入式墙板主要有钢板剪力墙板、内藏钢板制成的混凝土预制剪力墙板和带竖缝的混凝土剪力墙板。由于在强风和高烈度地震区的住宅钢结构,既要满足结构刚度要求,又要保证结构在罕遇地震下具有足够的延性,用嵌入式墙板部分或全部代替钢支撑,优点在于结构自重小,减轻了地震作用,嵌入式墙板设置可缓解对梁柱节点区的延性要求,但是结构用钢量大。4)空间错列桁架结构体系。该体系是由房屋外侧的柱子和跨度等于房屋宽度的桁架组成,桁架的高度等于层高,在相邻柱子上是交错布置,楼板一端搁置在桁架的上弦,另一端搁置在相邻桁架的下弦,中间不需要设置楼板梁格,建筑平面布置灵活,侧向刚度大,结构重量轻,造价低,是高层建筑钢框架结构中的一种新的结构体系,缺点在于桁架不利于门窗布置及人流安排,而且抗震性能有待于进一步研究。5)轻钢龙骨结构体系。该体系一般由柱、梁、大龙骨、地龙骨及中间腰支撑通过配套扣件和加劲件用自攻螺钉连接而成,此结构体系的优点在于构件隐藏在墙体内部,有利于建筑布置,而且保温性能好,施工速度快,缺点在于耐火性差,不适用于强震地区的高层建筑。
3.2 主要构件
1)梁、柱节点。钢结构住宅中的框架梁和次梁一般情况下宜采用热轧或焊接窄翼缘H型钢,承受扭矩或很大弯矩框架梁宜采用焊接箱形截面,次梁宜考虑钢梁和混凝土楼板的共同作用,形成钢—混凝土组合梁,钢结构住宅一般框架柱在两个方向都承受较大的弯矩,同时应考虑强柱弱梁的要求,目前广泛采用焊接H型钢,对于轴压比较大、双向弯矩接近、梁截面较高的框架柱,宜采用双轴等强的钢管柱或方钢管混凝土柱。节点设计中应使得节点具有良好的承载力与抗震性能,并能满足不同结构体系相应的强度、刚度和延性要求。2)楼板。目前采用的楼板形式:现浇钢筋混凝土楼板、压型钢板组合楼板、预应力钢筋混凝土叠合楼板。楼板除了要将竖向荷载传递给梁柱之外,也是空间构件之间协调作用的保证,因此楼板需要具备一定的刚度和承载力,同时楼板还要满足住宅的使用功能,具有一定的抗裂、抗渗、抗漏的要求,以及较好的隔声、防颤、防水和防火性能。3)内外墙设计。为了体现钢结构住宅的优越性,减轻结构自重,内外墙一般采用轻质复合墙板,外墙除了满足围护功能外还需满足承载能力、防水、隔声、防火、防渗、抗冻等方面的要求,而且与框架连接简单,易于施工并能有效地传递风荷载或地震荷载给框架。内隔墙需具备隔声、耐火性能和足够的强度以及便于埋设各种管线的要求。
4 钢结构住宅发展所存在的问题
钢结构住宅虽然拥有诸多优点但仍然有如耐火、防腐、技术标准欠缺、工程造价、消费观念转变、专业人才缺乏等问题:1)钢结构在正常使用下是一种很好的材料,但是一旦温度达到一定高度时钢结构材料的强度与刚度都会等于或者接近于零,目前经常采用的措施有:外包混凝土、外涂防火涂料和外包防火板。2)由于钢结构经过温度的不断变化及水汽、电解质的影响,生锈老化在任何部位都可能发生,由于结构老化导致强度、稳定性下降会对建筑造成严重的危害,目前主要采用涂防腐层,但是并不能满足大规模的工程建设要求。3)我国钢结构住宅的建筑及结构设计标准和节能标准还不够完善,特别是缺少相关部件标准和产品技术标准,成套的钢结构住宅技术规范和施工规程还不够全面。4)我国钢产量高但人均产量仍然较少,钢材在我国国民经济中仍属较贵材料。5)钢结构住宅在西方已经很成熟,但对我国来说仍然还是新鲜事物,市场接受起来比较慢,因为人们对新事物总是抱有怀疑态度。6)钢结构专业技术人员、技术工人缺乏,企业技术质量和管理工作都不适应生产的需要。
钢结构住宅研究将促进建筑业向技术密集型转化,并将带动建材、冶金、信息机械尤其是钢铁企业发展,成为我们国家新的经济增长点,对于现阶段问题我们需要首先进行试点工程,引入生产技术,完善钢结构住宅技术标准和规范,要将这种技术体系纳入专业学校教程,并对在职技术人员和技术工人进行培训,同时应投入更大力量进行深入研究和开发,只有这样才能使我国钢结构住宅产业化得到更加健康快速发展,从而形成更加具有竞争力的产业。
参考文献
[1]林芳.论住宅的设计和发展前景[J].经济师,2009(4):65-66.
[2]胡孜华.浅谈我国钢结构住宅的应用与发展[J].中国建设教育,2007,8(8):55-56.
住宅钢结构设计 篇11
【关键词】实例分析；高层住宅建筑；剪力墙；结构设计
1、工程实例
某住宅楼经调查地表无不良地质现象存在。该工程属于住宅建筑，设计使用年限为50年，建筑耐火等级为二级。抗震设防烈度为七度，主体为剪力墙结构，裙房为框架结构。地基基础设计等级为乙级，主体为筏板基础，裙房为柱下独立基础和墙下条形基础。总建筑面积为6485. 72㎡，东西长约42. 0m，南北长约15. 0m，主体为地上12层带1层地下室，右边裙房为地上1层带1层地下室，前边裙房为地上1层。（本文仅介绍主体的剪力墙结构设计）
2、概念设计与总体指标控制
小高层住宅剪力墙结构由于住宅建筑空间分割面积较小，很多设计人员对剪力墙布置往往有一定的随意性，电算通过后就不加调整地去做施工图，实际上如此结构布置很难做到安全、合理、经济。概念设计具体到工程设计中需要结构设计人员布置剪力墙时，在结构平面上尽量使x向和y向抗侧刚度接近，剪力墙不宜过多以免刚度过大，在梁系布置上也应力求受力明确，传力路径简捷，避免梁系为多重搭接传力，造成安全隐患。在竖向布置上也要力求均匀，避免少数楼层出现敏感薄弱部位，使结构整体形成均匀的抗侧力结构体系，在此基础上，结合电算才能作出安全、经济、合理的结构。
3、基础设计
目前的剪力墙体系小高层由于考虑埋置深度的要求，一般均设置地下室。基础多采用筏板基础。合理选择筏板厚度及边缘挑出长度也直接影响结构整体安全和工程造价。该工程上部12层带1层地下室，根据勘察报告，取筏板厚为1000 mm，经细算后筏板可減至800mm，经济性明显。因此，基础选型应作方案比较，才能选定经济合理的方案。而对于筏板厚度的取值，对小高层来说一般筏板厚初选时可按楼层数计，即每层按50mm厚增加。如12层建筑则初选可取600mm厚试算，试算后根据筏板配筋情况调整筏板厚度。由于考虑地下室的使用合理性，常规采用设置后浇带来解决底板超长引起的收缩及温度裂缝，后浇带的作用是明显的，但也给施工带来了不少麻烦，甚至由于处理不当而引起后浇带漏水及裂缝。而有些高层，长宽均达百米以上，中间就设置几条后浇带，也没有其他措施是不妥当的。目前可采用添加剂以补偿混凝土的因水化热引起膨胀与收缩，或采用纤维混凝土等方法在一定范围内可不设或少设后浇带，并且对所设后浇带采取必要的保护和加强措施。该工程长50. 75m，大于规范要求的45m，故筏板基础采后浇带来解决结构超长的问题，效果良好。
4、剪力墙设计
4.1 剪力墙科学合理的布置
剪力墙布置必须均匀合理，使整个建筑物的质心和刚心趋于重合，且x，y两向的刚重比接近。在结构布置应避免“一”字形剪力墙，若出现则应尽可能布置成长墙（h/w>8）；应避免楼面主梁平面外搁置在剪力墙上，若无法避免，则剪力墙相应部位应设置暗柱，当梁高大于墙厚的2. 5倍时，应计算暗柱配筋，转角处墙肢应尽可能长，因转角处应力容易集中，有条件时两个方向均应布置成长墙；规范中对普通墙及短肢墙的界定是墙高厚比8倍及8倍以下为短肢墙，大于8倍则为普通墙。该工程剪力墙布置后，刚心和质心x向在同一位置，y向相差0. 5 m，大大减小了扭转效应；主梁搁置在剪力墙上的，在相应部位设置暗柱，以控制剪力墙平面外的弯矩。
4.2 剪力墙配筋及构造
4.2.1 剪力墙配筋
该工程剪力墙一层墙厚（除电梯间四周）为250mm，其余地面以上墙厚均为200mm，水平钢筋放在外侧，竖向钢筋放在内侧。六层以下水平筋Φ10@ 200双层双向，双排钢筋之间采用Φ6@ 400拉筋；六层以上Φ8@ 200双层双向，双排钢筋之间采用Φ6@ 600拉筋。地下部分外围墙体竖向配筋 14@ 200为主要受力钢筋，水平筋则构造配置，该工程均取 12@ 150。地下部分墙体配筋大多由水压力、土压力产生的侧压力控制，简化计算后由竖向筋控制。为增大计算墙体的有效高度，可将地下部分墙体的水平筋放在内侧，竖向钢筋放在外侧。
4.2.2 剪力墙边缘构件的设置
试验研究表明，钢筋混凝土设置边缘构件后与不设边缘构件的矩形截面剪力墙相比，其极限承载力提高约40%，耗能能力增大20%，且增加了墙体的稳定性，因此一般一、二级抗震设计的剪力墙底部加强部位及其上一层的墙肢端部应设置约束边缘构件；其余剪力墙应按《高规》第7. 2. 17条设置构造边缘构件。有工程技术人员对剪力墙约束边缘构件配箍特征值偏大的问题进行了研究，对某具体工程计算结果中在墙肢轴压比小于0. 25情况下计算配筋仅为构造配筋，而约束边缘构件配筋则高达40c㎡，造成设计时钢筋配置困难，施工难度更大，虽然在小高层设计不常见，但上述情况也反映出配箍特征值偏大的实际情况，故对剪力墙的配筋应首先区分剪力墙的受力特性及类别，即普通剪力墙（长墙）、短肢剪力墙、小墙肢和一个方向长肢墙而另一方向属短肢墙来区别对待。对于普通剪力墙，其暗柱配筋满足规范要求的最小配筋率，建议加强区0. 7%，一般部位0.5%；对于短肢剪力墙，应按《高规》第7.1. 2条控制配筋率加强区1.2%，一般部位1.0%；对于小墙肢其受力性能较差，应严格按《高规》控制其轴压比，宜按框架柱进行截面设计，并应控制其纵向钢筋配筋率加强区1.2%，一般部位1.0%；而对于一个方向长肢另一方向短肢的墙体，设计中往往按长肢墙进行暗柱配筋并不妥当，
4.2.3 剪力墙的连梁
剪力墙中的连梁跨度小，截面高度大，虽然在计算中对其刚度进行折减，但在地震作用下弯矩、剪力仍很大，有时很难进行设计，如果加大连梁高度，配筋值有时反而更大。连梁高度一般是从洞顶算到上一层洞底或从洞顶算到楼面标高。对于门洞，上述所示情况梁的高度是一样的；但对于窗洞，连梁高度如果从窗洞算到上一层窗底，有时则高度太高，这样高跨比太大，并且与计算图形不符，相应配筋亦较大，不合理。所以连梁高度计算与设计统一规定从洞顶算到楼板面或屋面，对于窗洞楼面至窗台部分可用轻质材料砌筑。对于窗台有飘窗时，可再增加1根梁，2根梁之间用轻质材料填充。连梁配筋应对称配置，腰筋同墙体水平筋。该工程连梁截面均为墙厚×400mm，大部分连梁纵筋为4 14，箍筋为Φ8@100；个别连梁纵筋为4 16，箍筋为Φ8@ 100。
4.2.4 剪力墙的暗梁
对于框架-剪力墙结构，如剪力墙周边仅有柱而无梁时，宜设置暗梁，并且要求剪力墙两端是明柱，这是因为周边有梁柱的剪力墙，抗震性能要比一般剪力墙要好。剪力墙结构则没有这方面的要求，在墙板交接处设置暗梁对加强墙体整体性作用还是有利的，但究竟有多大则无从确定。因此在楼层位置设置暗梁虽然可行，但没有必要设置太大断面及配筋。该工程在地下室挡土墙顶面设置暗梁，断面取墙厚×500mm，配筋上下各2 18。
5、结束语
小高层住宅剪力墙结构设计呈多样化的趋势，如何做到安全、经济需要结构设计人员通过充分运用概念设计把握结构的整体性，科学布置剪力墙，合理设计基础。
参考文献
[1] 苏绍坚.住宅楼剪力墙结构设计分析[J].核工程研究与设计，2007，（01）.
[2] 吴继成.高层框架剪力墙结构设计[J].建设科技，2010，（06）.
[3] 李盛勇，张元坤.剪力墙边缘构件的一种科学配筋形式[J].建统结构，2009，（08）.
耗能减震钢结构住宅设计体系初探 篇12
1. 传统钢结构住宅设计及在抗震中的不足
现有的钢结构体系有:钢框架体系、钢框架——钢支撑体系、钢框架——剪力墙体系、交错桁架体系。传统钢结构体系各有优缺点及适用范围, 但是在抗震性能方面, 都存在不足之处。
(1) 钢框架体系
钢框架体系主要由梁、柱构件刚接而成, 依靠梁、柱来承受竖向荷载和水平荷载。该体系具有受力明确, 平面布置灵活, 便于大开间的设置, 可充分满足建筑布置要求的特点;同时制作安装简单, 施工速度较快。通常柱子采用轧制或焊接工字钢、方钢管、圆钢管或冷弯型钢组合断面, 也可以采用钢管混凝土;主梁采用H型钢, 次梁可以有多种做法。钢框架体系主要适用于多层钢结构住宅。从抗震角度上看, 因为此种结构侧向刚度较小, 属于单一抗侧力体系, 抗震性能差。在高烈度区, 由于地震作用的增加, 往往因刚度不足, 为控制层间位移需加大构件的截面尺寸, 所需用钢量大, 建筑成本较高。
(2) 钢框架——钢支撑体系
钢框架——钢支撑体系的布置原则和柱网尺寸以及梁柱构件连接基本上与钢框架体系相同, 只是在结构的垂直平面内布置不同形式的支撑体系。当建筑物产生层间变形时, 支撑承受水平力, 从而使体系获得比纯框架结构大得多的抗侧力刚度, 减少建筑物的层间位移。这种体系的缺点是用钢量相对较大, 墙体的布置、门窗的布置受支撑影响。可用于多层、小高层钢结构住宅。但此种结构因体系延性小、耗能能力也小。在强震作用下, 支撑中的受压杆件易受压屈曲, 导致整个结构体系的承载力下降, 并引起较大的侧向变形。钢框架—偏心支撑体系是利用主体结构来耗能, 强震过后, 主梁将产生较大的塑性变形, 难以修复。
(3) 钢框架——剪力墙体系
钢框架——剪力墙体系中框架为主要承重骨架, 剪力墙为结构的主要抗侧力体系。如果把剪力墙布置成筒体, 又可称为钢框架——筒体结构体系。国外剪力墙多采用组合剪力墙, 它是在薄壁钢板剪力墙两侧增加混凝土板, 混凝土板防止钢板的平面外屈曲, 提高剪力墙的强度和耗能能力。此种体系中剪力墙属于刚性结构, 而钢框架属于柔性结构, 在地震作用下, 剪力墙承担了很大的水平力。对于钢框架——核心筒体系, 混凝土筒体承担了约90%的水平力, 即使将钢框架做得较强, 也难以从根本上改变这种局面。在单一材料的双重抗侧力体系中, 周边框架要求至少能承担25%的水平力, 而在钢框架—混凝土核心筒结构中却无法做到, 也就是说, 这种体系的二道防线的抗震能力很弱。
(4) 交错桁架体系
交错桁架结构体系的骨架由房屋外侧的柱子和高度为层高、跨度等于房屋宽度的桁架组成。在相邻柱上为上下层交错布置, 楼板一端支承在桁架上弦杆, 另一端支承在相邻桁架的下弦杆。垂直荷载则由楼板传到桁架的上下弦, 再传到外围的柱子。该体系利用柱子、平面桁架和楼面板组成空间抗侧力体系, 具有住宅布置灵活、楼板跨度小、结构自重轻的优点, 小开间取得了大开间的效果, 因此是一种经济、实用、高效的新型结构体系。交错桁架与中心支撑的钢框架较相似, 在大的地震力作用下, 结构的抗震性能很差, 腹杆构件提前屈曲或较早出现非弹性变形, 造成承载力和刚度突然减小。
上述钢结构住宅结构设计方式及在抗震中的表现了出来的弱点, 使人们反过来认真思考整个抗震设计理念, 因为随着每一次结构设计的调整, 工程造价大幅加高。而与之而来的是, 地震灾害造成的人员伤亡显著下降, 但是造成的经济损失却令世人震惊。例如, 1989年美国加州洛马普里埃塔M7.1级地震, 死亡63人, 经济损失为100亿美元;1994年, 加州北岭M7.1级地震, 死亡73人, 经济损失达到200亿美元;1995年, 日本阪神M7.1级地震, 伤亡5500多人, 经济损失达到创纪录的1000亿美元, 震后的基本恢复重建工作花费2年, 耗资近1000亿美元;2010年我国青海玉树M7.1级地震, 死亡2698人, 失踪270人, 经济损失达1000亿美元。与此相比, 我国1976年唐山M7.8级大地震的经济损失仅为50亿美元。
2. 基于性能的抗震设计思想
在这样的背景下, 国内外学者提出了基于性能的抗震设计思想——即使所设计的工程结构在使用期间满足各种预定的性能目标要求, 而具体性能要求可根据建筑物和结构的重要性确定。基于性能的抗震设计是对传统单一抗震设防目标的推广, 它给了业主和设计人员一定“自主选择”抗震设防标准的空间。对于结构工程师来说, 可明确描述结构性能状态的物理量主要有:力、位移、速度、加速度、能量和损伤。基于性能的抗震设计要求能够求出结构在不同强度地震作用下, 尤其是当结构进入非弹性阶段时, 这些结构性能指标的反应值和结构自身的能力值。由于用力作为单独的指标难以全面描述结构的非弹性性能及破损状态, 而用能量指标又难以实际应用, 因此目前基于性能抗震设计方法的研究主要用位移指标对结构的抗震性能进行控制, 称为基于位移抗震设计方法。无论是基于性能还是基于位移, 抗震设计的难点仍然是结构进入非弹性阶段后结构性态的分析, 只是基于性能抗震设计理念的提出, 使研究人员更加注重对结构非弹性地震反应的分析和计算研究。
3. 耗能减震钢结构住宅设计内容
上述四种钢结构住宅进行抗震结构设计时, 由于钢结构本身阻尼比很小, 依靠结构阻尼耗散的地震能量非常有限。为了终止地震反应, 只能依靠主体结构产生大量的塑性变形来吸收地震能量, 但是这样必然导致主体结构的严重破环, 甚至倒塌。而对于耗能减震钢结构, 通常将阻尼器与支撑串联组成耗能装置。在地震作用下耗能装置率先进入工作状态, 大量消耗输入结构的地震能量。这样既可以保护主体结构免遭破坏, 又可以迅速衰减地震反应, 确保结构的安全。基于性能的抗震设计方法要求结构在不同的地震风险水平下满足不同的性能水平要求, 而耗能减震钢结构通过改变耗能装置的参数和数量可以方便的控制结构的地震反应, 从而实现不同的性能目标。因此将基于性能的抗震设计方法和耗能减震技术相结合, 具有重要的现实意义。总体而言, 耗能减震钢结构住宅设计内容有以下几个方面内容:
(1) 梁和柱
梁是结构中最重要的构件之一, 在不同体系中梁有不同的形式, 但它的作用基本上是相同的, 即:承担作用在楼板上的恒荷载和活荷载。梁的种类有:冷弯C型钢梁、H型钢梁、桁架梁等。柱子和梁一样重要, 它主要承担水平荷载和由梁传递下来的竖向荷载, 并且传给基础。结构设计中遵循强柱弱梁的原则, 对柱的要求相对比梁高, 需要计算轴力以及因轴向力偏心引起的附加弯矩, 还要考虑柱的整体稳定、局部屈曲等问题。柱子种类有:H型钢柱、空心钢管或方钢管柱、钢管或方钢管混凝土柱等。
(2) 墙体
钢结构住宅建筑是一个系统工程, 它要求相配套的墙体要自重轻、节能、保温、隔声、防水等性能满足要求, 同时还要与工业化相适应, 施工效率高。目前的墙体材料有许多种类, 大体上可分为单一材料、复合材料两大类。单一材料主要有ALC板, 一般用于外墙, 复合材料有昊角板、泰柏板、石膏板等。
(3) 楼板
楼板除了承受竖向荷载并将它传给框架外, 还将水平力传到各个柱上, 因此楼板平面内的刚度、整体性和承载力也很重要。作为建筑要求, 住宅楼板还应能隔音。现在用得较多的是压型钢板组合楼板, 叠合板加现浇层, 现浇楼板等。这几种楼板的整体性都很好。钢梁宜形成组合梁, 梁上要设置栓钉。预制板中应设预埋件, 与钢梁焊接。在强震区或重要建筑, 柱周边宜设置钢筋和箍筋, 以免楼板在水平力下被柱子压坏。
(4) 耗能支撑
耗能减震钢结构住宅除了包括以上几部分外, 还另外设置了耗能支撑, 耗能支撑可以通过螺栓连接或焊缝连接与主体结构连接。耗能减震钢结构住宅的形式与钢框架——中心支撑形式相同, 只是支撑构件是耗能支撑而非中心支撑。这种体系形式很容易在传统的钢结构住宅的基础上实现。对于钢框架体系, 可以去掉填充墙, 将耗能装置安装在结构当中;对于钢框架——中心支撑, 可将中心支撑换成耗能支撑;耗能减震钢结构不适合采用钢框架——偏心支撑的形式, 这是因为这种体系是利用主体结构来耗能, 强震过后, 主梁将产生较大的塑性变形, 难以修复;对于钢框架——剪力墙体系, 可以将剪力墙去掉, 换成耗能支撑;同样, 对于交错桁架体系, 可以将耗能支撑交错布置在桁架上。
4. 耗能减震钢结构住宅的优势与发展前景
(1) 安全性
由于耗能减震设计模式设有非承重耗能构件或耗能装置, 因而具有很大的耗能能力, 在地震中能率先进入耗能工作状态, 消耗地震能量及衰减结构的地震反应, 保护主体结构和构件免遭损坏, 从而确保结构在强地震中的安全性, 而且震后易于修复或更换, 使建筑结构物迅速恢复使用。
(2) 经济性
传统钢结构体系主要通过加强结构、加大断面等途径提高建筑的“硬性抵抗”结构抗震性能, 使结构的造价明显提高。钢结构减震体系是通过“柔性消能”来减少结构地震反应, 可以减小构件断面, 而其抗震性能反而提高。
(3) 技术合理性
传统钢结构住宅体系是通过加强结构侧向刚度以满足抗震要求的, 但结构越强刚度越大, 地震作用也越大。这对于高层、超高层钢结构住宅, 会造成严重的制约。耗能构件或装置属“非结构构件”, 即非承重构件, 其功能仅是在结构变形过程中发挥耗能作用, 对结构的承载力和安全性不构成任何影响或威胁。所以, 耗能减震结构体系在技术上安全可行。
汶川地震、玉树地震及历次地震震害均证明, 钢结构具有良好的抗震性能。当前, 大众也认识到了居住建筑安全的重要性, 因此从设计规范上尽快出台耗能减震钢结构住宅结构设计规范, 使耗能减震钢结构住宅能进入一个快速、良性发展阶段。
参考文献
[1]张跃峰.低层居住建筑中的轻钢龙骨体系[J].钢结构, 2001 (10) .
[2]李海峰等.钢结构加层中柱脚刚度对结构抗震性能的影响[J].青岛理工大学学报, 2008.