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1、高层轻型钢结构住宅设计及探究 摘要：在住宅经济高速发展的情况下，结合工程实践对我国高层轻型钢结构住宅的设计和发展展开分析和探讨。 关键词：轻型住宅；钢结构；稳定性；H型钢 1城市高层住宅钢结构的优点 钢结构是利用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢制造而成的，随着高层建筑的发展，政府部门积极采用钢结构的政策和我国钢材总产量的进一步提高，使得钢结构在建筑也中得到了迅速的发展，尤其是在高层住宅建筑中，下面总结钢结构建筑的优点。 （1）强度高、塑性好。在建筑工程中，钢材与混凝土、砖瓦、木材相比，刚度要大的多，这就能够承受住高层建筑强大的压力，且不会再超载情况下突然断裂，体现出高层住宅建筑的优势； （
2、2）质量好。随着冶金技术的不断发展，产生了许多复合型的钢材，这些钢材充分发挥了各个成分的作用，提高了钢材的质量，并且缩小了截面的尺寸，更加能适应抗震性要求； （3）自重轻。与混凝土相比，钢结构的自重很轻，在高层建筑中，如果采用混凝土结构，那么建筑自重很大，对地基和结构受力都产生了很大的影响，对于钢结构来说，在承受同样荷载的情况下，钢结构重量仅为混凝土结构的1/3； （4）抗震性能好。轻型钢结构建筑，具有整体性好的特点，能够适应强大的动荷载作用，在地震作用下变形能力强； （5）施工周期短。在轻型钢结构住宅建筑中，型钢都是在工厂预制好了的，运到现场只需要进行组装即可，不需要进行钢筋绑扎、支模等施工
3、工序，同时在混凝土浇筑过程中，不需要进行临时支撑，提高了现场施工速度，缩短了建设周期，节省了造假，提高了经济效益； （6）钢材具有二次利用性，钢结构建筑中使用了大量的钢材，这些型钢需要在工程预制好，同时当建筑寿命达到期限必须拆除时，可以将这些钢材收集起来，进行废旧利用。 2高层轻型住宅设计内容 2.1工程概况 兴福商业城位于大连市青州街黄金地段，其中高层住宅部分建筑面积约为32300m²，层高3.0m，带有地下室1层，地上28层，建筑檐口标高为87.32m。其中住宅长42m，宽12m，楼梯开间为2.7m，室内设有电梯2部，工程抗震类别为丙类，抗震设防烈度为7。 住宅建筑平面采用单元式
4、布置方式，一层一梯两户，单元内采用大柱网结构，这样可以保证每一个户型可以获得更多的建筑面积，户内墙体为填充墙，用户可以根据自己的风格进行装修，住宅楼板采用压型钢板与混凝土组合楼板；外墙采用蒸压加气混凝土板，板厚为150mm，板宽为600mm，直接采用外挂式挂在钢结构框架梁上，这种外墙施工方式可以提高施工周期，不受季节的影响，安装方便，抗震性好。 2.2结构体系设计 钢结构体系的类型有很多种，根据组合形式不同可以分为钢框架体系、钢框架-支撑体系、钢框架-混凝土剪力墙体系、错列桁架体系、框架-核心筒体系、轻钢龙骨体系等。 本工程采用轻型钢框架-混凝土剪力墙结构体系，其中楼梯间和电梯井采用现浇混凝土
5、剪力墙作为结构的主要抗侧力体系，框架柱采用钢管混凝土柱，根据混凝土设计规范，钢管混凝土柱的设计承载力 （1） 其中， 钢管的设计承载力； 混凝土的设计承载力。 所以，钢管混凝土结合了钢与混凝土的优点，与钢筋混凝土相比，耗钢量基本相同或略高，但是可以节约混凝土50%以上，减轻自重50%以上，同时减小了构件的横截面面积，增加了建筑的有效面积和降低了基础造价。 钢管混凝土结构可以适用于承受轴力，也可用于小偏向受压构件，一般高层建筑都是这种受力形式，因此在高层住宅建筑中使用这种结构体系能够提高建筑的性能，但是在钢管混凝土受压过程中的受力和变形是非常复杂的，因为承受的荷载不一样，所处的受力状态不一样都会
6、影响到钢管混凝土的极限承载力： （2） 其中， 钢管混凝土构件的轴心压力设计值； 钢管混凝土轴心受压构件的承载力设计值； 钢管混凝土轴心受压短柱的承载力设计值； 钢管混凝土的套箍指标； 、 钢管的横截面积和抗拉（抗压）强度设计值； 、 核心混凝土的横截面面积和抗压强度设计值； 考虑受压构件长细比影响的承载力折减系数； 考虑偏心率影响的承载力折减系数。 2.3截面设计 当结构体系选好以后，就可进行梁截面选择，根据工程中广泛使用的工字钢梁的实际情况，本工程采用双轴对称焊接工字钢梁作为梁截面，只考虑梁截面边缘纤维的屈服作为极限状态，即为弹性设计，假设荷载作用在梁上端，且在梁的纵向对称面内，不考虑荷载
7、的偏心问题，考虑到梁对空间的限制，可以选取 。 2.3.1 工字形梁截面稳定性验算 梁受到横向力作用时，发生侧向失稳的临界公式： （3） 式中： ， 称为梁的计算长度，其中 、 为长度系数； 称为临界弯矩的修正系数， 称为荷载作用点位置影响系数；惯性矩 ， ； 、 分别为钢材的抗拉和剪切弹性模量。 2.3.2 工字形截面刚度校核 （4） 式中： 为规范规定的受弯构件的容许挠度，根据梁的不同要求， 可有不同的取值，根据本工程梁的情况，选择 。 通过对工字形钢的稳定性和刚度校核计算，能够对工字形梁截面进行合理的设计，确保梁的截面尺寸和有效弯矩满足设计要求。 2.4节点设计 连接节点是钢结构设计中的
8、重要环节，高层住宅建筑钢结构柱一般采用焊接工形或箱形截面，本工程在对结构进行充分分析，并对节点形式充分考虑的情况下，在钢梁和钢柱之间的牛腿、钢梁与混凝土剪力墙、次梁与主梁全部采用铰接形式，并采用了加强环，强化节点连接。 为了保证节点的连接可靠性，在钢梁的腹板处连接了高强螺栓，上下翼缘均采用焊接，这就大大简化了现场施工的难度和作业量，同时克服了不利天气的影响，提高了施工速度。在所有的节点设计中，为了满足国家规范要求，节点和构建均按照设计要求制作，保证构件的标准化，同时将钢管柱、工字形钢、节点加强环、钢牛腿设计成为若干个标准构件，并在工厂预制成型，成型的每一个构件作为一个单元，当运送到现场后，只需
9、要拼接H型钢，就可稳固的连接钢构件，实现了工厂预制化、现场装配化的施工模式，既保证了质量又缩短了工期，降低了成本。 当钢构件连接好后，在钢管内灌入C60的混凝土，混凝土的粗骨料直径控制在1cm-3cm，水灰比控制在0.14以内，以保证钢管混凝土的强度，在混凝土浇筑完成后，为了保证其密实度，应该采用立式手工振捣法，当混凝土从钢管上部浇筑以后，及时振捣。 2.5防火防腐设计 2.5.1 钢柱的耐火稳定性 钢材的耐火性能差，当温度为400时，钢材的屈服强度将降低到室温下强度的一半，当温度达到600时，钢材就会变软，基本失去全部强度和刚度。在以前钢结构火灾案例中，一般在有防火保护的钢结构在没有达到预期
10、的耐火时间就发生了破坏，这主要是实际火灾升温和标准升温不一致的原因，因此需要对钢结构耐火稳定性验算，避免发生火灾时，在耐火时间内发生结构坏现象。钢柱的承载能力一般由结构的整体稳定性控制，我国现行的钢结构设计规范常常将常温下钢柱的整体稳定分为平面内和平面外两种状态分别进行验算： 平面内：（5） 平面外： （6） 式中： 为轴力； 为柱各截面的最大弯矩； 为柱截面面积； 为弯矩作用下平面内柱截面抵抗矩； 为弯矩作用下平面内欧拉临界力； 、 分别为弯矩作用在平面内、外的整体稳定系数； 为受弯构件整体稳定系数； 为塑性发展系数； 、 分别为等效弯矩系数。 如果考虑高温下钢柱的整体稳定性，其验算公式为：
11、 平面内： （7） 平面外：（8） 式中： 为高温下柱强度设计值； 、 分别为高温下弯矩作用平面内、平面外轴压构件整体稳定系数； 为高温下均匀受弯构件整体稳定系数； 为高温下弯矩作用平面内的欧拉临界力。 针对本工程，因为构件的耐火等级为一级，钢柱的耐火极限必须3h，钢梁的耐火极限必须2h，根据没用住在设计规范，钢梁采用SJ-2型防火涂料喷涂，在利用珍珠岩和蛭石防火喷涂，最后在钢梁上覆盖一层防火板；从而保证钢结构的防火性能及其耐火性。 2.5.2 防腐措施 一般利用珍珠岩或蛭石喷涂在钢结构上本身就具有一定的防腐蚀能力，对于暴露在环境中的钢构件，可以在其上涂上一层耐腐蚀的涂料或由底漆和面漆组成的防
12、火防腐蚀油漆。 2.6稳定性设计 2.6.1 钢结构失稳的分类 钢结构根据稳定性问题可以将失稳分为两类： （1）平衡分支失稳：当构件受力变形后，其受力就会受到变化，当 时，杆件将不发生变形；当 时，构件将达到临界状态，杆件出现微小变形；当 时，杆件将产生大变形，并且这种变形具有逐渐增大的趋势。完善直杆轴心受压时的弯曲和完善平板中面受压时的屈曲就属于这种情况。 （2）极值点失稳：当结构丧失稳定性后，其变形不会受到变化，但是由于结构原来的弯曲变形增大将会使结构不能正常工作，下降段必须卸载才能保证构件的正常工作，否则变形有进一步发展的趋势。上升段和下降段的分界点为临界力 。对于偏心受压构件，当塑性发
13、展到一定程度时，就会丧失稳定性，就属于这一类。 2.6.2 无缺陷轴心压杆的失稳验算 （1）弯曲屈曲常常发生在轴对称截面中： （9） 式中：构件的有效长细比为 （2）弯扭屈曲常常在截面为单轴对称轴心受压失稳时出现，因为此时截面中心与截面剪切中心不重合，在发生弯曲变形时，就会出现扭转变形，这两种变形是同时出现的，对于两端铰支且翘曲无约束情况下，弯扭屈曲临界力 满足： （10） 式中： 为截面关于剪心的回转半径； 为剪心的坐标； 为扭转屈曲临界力。 （3）扭转屈曲为某些抗扭刚度较差的轴心受压构件在弹性范围内时的临界力 ： （11） 式中： 为杆件的自由旋转刚度； 为杆件截面的抗扭惯性矩； 为杆件的约束扭转刚度。 以上三种失稳形式下的临界力是针对完全弹性的材料推算推导出来的，因为在钢结构体系中影响杆件稳定性的因素很多，这就需要设计人员在设计过程中，充分考虑各种可能的情况，并做合理的设计。 3结束语 钢结构相比传统的建筑模式更加便于工厂预制化、现场装配化，具有建造周期短、安全可靠、施工简便、空间分割灵活等优点，更容易满足人们的居住需求，有巨大的发展潜力。 注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看 10
