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鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計中若干值得注意的問題探討

作者：建筑鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)    
時間：2009-12-22 20:26:15 [收藏]


    摘要：本文根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展現(xiàn)狀和前景，基于鎮(zhèn)江市某鋼結(jié)構(gòu)住宅試點工程的設(shè)計，重點討論了鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中若干值得注意的問題并探討相應(yīng)對策，包括鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系的布置、構(gòu)件的截面選擇、不同節(jié)點形式的比較和選取，墻體材料ALC板的特點，衛(wèi)生間、廚房的防水設(shè)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(gòu)造要求等。
    關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)設(shè)計 住宅

    0、鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展的前景
    長期以來，我國因缺少鋼材而對建筑鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用加以限制，使建筑鋼結(jié)構(gòu)的使用限制在很小的范圍內(nèi)，建筑鋼結(jié)構(gòu)用鋼量占全國鋼材總產(chǎn)量的比重極低。1996年，我國鋼產(chǎn)量首次突破億噸，1998年我國鋼產(chǎn)量已達到11434萬噸，而且每年增產(chǎn)300萬噸，形成了鋼材供過于求的新形勢，為發(fā)展我國的建筑鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)事業(yè)創(chuàng)造了極好的時機。
    隨著鋼產(chǎn)量的不斷提高，經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對綠色環(huán)保型建筑的不斷要求，鋼材應(yīng)用于住宅建筑主體結(jié)構(gòu)是歷史所趨。我國正在加速發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化進程，發(fā)展以標準化、系列化、通用化，以專業(yè)化、社會化生產(chǎn)和商品化供應(yīng)為基本方向的住宅產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化體制。國家建設(shè)部和中國工程建設(shè)標準化協(xié)會正在組織研制和開發(fā)多層輕鋼結(jié)構(gòu)的住宅建筑體系的結(jié)構(gòu)選型，新型圍護結(jié)構(gòu)與隔斷體系以及鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及配件，結(jié)構(gòu)體系設(shè)計與施工技術(shù)，編制相應(yīng)的設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范和規(guī)程?？梢灶A(yù)見，不遠的將來鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展和應(yīng)用會有新的飛躍。
    目前經(jīng)國內(nèi)廣泛研究、實驗分析，鋼結(jié)構(gòu)住宅通用體系用于民用住宅，具有獨特的優(yōu)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(shè)高層，特別是在地質(zhì)承載力低的地方和地震烈度較高的地方，其綜合經(jīng)濟效益優(yōu)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(xiàn)代人的居住需要，適應(yīng)現(xiàn)代住宅的市場需求。
    3、可以工廠化生產(chǎn)，更易實現(xiàn)工業(yè)化、定型化、批量化生產(chǎn)，提高勞動生產(chǎn)率。
    4、施工周期大大縮短。據(jù)研究，鋼結(jié)構(gòu)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(yè)量，且其節(jié)能指標可達50%，屬環(huán)保型綠色建筑體系。
    本文以筆者設(shè)計的鎮(zhèn)江市某多層鋼結(jié)構(gòu)住宅試點工程為例，介紹了鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中值得注意的幾個問題及其相應(yīng)對策。

    1、鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系布置
    目前國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形式[1]，各種形式的優(yōu)缺點分析參見文獻[1]。
    鋼結(jié)構(gòu)住宅構(gòu)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(yōu)缺點見表1。
    表1 不同柱截面形式的性能比較

    在設(shè)計過程中選用何種體系，應(yīng)該綜合考慮多方面的因素，例如突出鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)勢的大柱網(wǎng)因素和適應(yīng)現(xiàn)代人生活需要的大開間、易改變的布置因素。為了使結(jié)構(gòu)經(jīng)濟合理，多層鋼結(jié)構(gòu)住宅對結(jié)構(gòu)布置有些要求。當(dāng)然，這些要求不是絕對的，而是在可能條件下這樣做會更經(jīng)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(shè)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(shè)計的某輕鋼住宅的平面結(jié)構(gòu)布置圖，從圖上可以看出結(jié)構(gòu)布置采用了大柱網(wǎng)、大開間的結(jié)構(gòu)布置形式，采用高頻焊接H型鋼體系。

    2、鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計中若干值得注意的問題討論
    在選擇了合適的結(jié)構(gòu)體系、柱網(wǎng)布置以后，在設(shè)計過程中還要有以下幾個值得注意的問題。
    2.1 節(jié)點設(shè)計
    鋼結(jié)構(gòu)體系當(dāng)中，節(jié)點的設(shè)計和構(gòu)件的設(shè)計具有同等的重要性，因此必須給予充分的重視。鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點設(shè)計包括梁－柱節(jié)點、梁－梁節(jié)點、柱－柱節(jié)點、柱腳節(jié)點、柱帽節(jié)點等。設(shè)計時應(yīng)確保節(jié)點的安全可靠，并盡量采用簡捷、穩(wěn)定、可靠的施工工藝，減少或避免現(xiàn)場的焊縫連接。鋼節(jié)點的形式按傳力特性大體可以分為三類：鉸節(jié)點、半剛性節(jié)點、剛性節(jié)點。剛性、鉸接節(jié)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(yīng)用。
    采用的幾種梁－柱節(jié)點連接形式。由結(jié)構(gòu)布置分析，考慮工程實際情況，在設(shè)計時，多層房屋鋼結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)，鉸節(jié)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(jīng)濟；剛性節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜，但其有效的降低了跨中彎矩，節(jié)約了用鋼，有較好的經(jīng)濟效應(yīng)；而半剛性節(jié)點應(yīng)用比較少，主要是其受力特性比較復(fù)雜，往往通過試驗來取得較為準確的設(shè)計數(shù)據(jù)。三種形式，哪一種更加經(jīng)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(jié)構(gòu)自重輕、布置靈活、可改性好的特點，鋼結(jié)構(gòu)住宅不宜采用傳統(tǒng)的黏土磚或其它自重較大的材料。通常采用輕質(zhì)材料，比如：空心混凝土砌塊、加氣混凝土、壓型鋼板加輕質(zhì)保溫材料組成的復(fù)合墻體、OSB板、CS板[4]等。目前使用的比較多的是蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土板（Autoclaved Lightweight Concrete）簡稱ALC板(塊)。這種材料質(zhì)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(dāng)，自身的強度高，施工方便、快捷。無論做外墻還是內(nèi)隔墻效果都比較理想。
    在進行墻體的設(shè)計時，要求對連接件的強度、質(zhì)料和尺寸有準確的規(guī)定。對連接方式充分考慮墻體和主體結(jié)構(gòu)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(yè)效率。
    2.3 衛(wèi)生間、廚房設(shè)計
    衛(wèi)生間和廚房的設(shè)計是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中比較重要的環(huán)節(jié)。因為鋼結(jié)構(gòu)材料的防腐能力相對較弱，而衛(wèi)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(jié)構(gòu)防水和材料防水。在鋼結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)防水的效果比較好。正如前文指出，框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系把衛(wèi)生間和廚房放在核心筒內(nèi)，具有良好的防水性能。對于其它結(jié)構(gòu)體系要根據(jù)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(jié)構(gòu)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(fā)。



    2.4 樓梯
    對其它類型鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)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(xiàn)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(fā)生局部失穩(wěn)。
    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(jié)構(gòu)的樓板必須有足夠的承載力、剛度和整體性，當(dāng)前較常采用的是在鋼梁上鋪設(shè)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(shè)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(shè)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(wěn)定性，并有效降低梁高，節(jié)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(gòu)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(yīng)有連接措施，根據(jù)規(guī)范規(guī)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(jié)束語
    本文介紹了鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)該注意的幾點問題和相應(yīng)的解決方法。鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系在我國正處于一個起步階段，國家政策的導(dǎo)向，國民生活的提高對住宅提出的要求等為鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展和應(yīng)用提供了非常廣闊的前景，全國各種鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計、開發(fā)、施工公司有如雨后春筍。
    本文研究僅是一個起步，我國鋼結(jié)構(gòu)住宅體系在以下幾方面還值得進一步研究開發(fā)。
    1、對各種抗腐蝕性優(yōu)的鋼種的研究開發(fā)；
    2、半剛性連接節(jié)點受力性能分析、研究；
    3、隔墻板材的布置、排版的系統(tǒng)化、標準化研究，統(tǒng)一標準的制定以及相關(guān)設(shè)計軟件的開發(fā)；
    4、樓面結(jié)構(gòu)整體受力性能的研究；
    5、結(jié)構(gòu)抗震的計算與分析；
    6、結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化設(shè)計方法、各種大型結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件的開發(fā)與研究。
    7、鋼結(jié)構(gòu)住宅施工方法研究。

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