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1、多层轻钢民用建筑中的结构体系分析 - 结构理论 一、概述 过去,我国钢材年产量较低,建筑行业一直限制钢材的使用,提 倡大力发展混凝土结构和混合结构,因此民用钢结构一直发展缓慢。 80 年代以后,随着经济发展的需要,我国开始引进钢结构房屋,以 门式刚架为主,主要用于工业厂房、库房和一些公共设施。多层轻 钢结构采用钢骨架和轻质围护结构,自重轻,对地质条件要求低。 另外,钢结构构件标准,适合工厂化生产,现场安装,湿作业少, 施工占用场地少,速度快。与多层钢筋混凝土结构相比,不仅造价 持平甚至略低,而且综合效益明显。随着我国城市对粘土砖的禁用, 多层民用轻钢结构越来越受到工程界的青睐,正成为较有竞争力
2、的 民用建筑结构体系之一。近几年,上海、北京、长沙、大连、天津 等地对多层钢结构房屋进行了有效的尝试,取得了一些经验。但是, 目前的示范工程还仍很不多,经验还很缺乏,有关技术规程还没有 跟上,工程界对合理的多层钢结构体系还未达成共识。总体上看, 多层钢结构的开发还处于启动阶段。本文在对已有的示范工程分析 比较的基础上,本着寻求受力合理、用钢量低的原则,对多层民用 建筑中的结构体系进行了分析,以供参考。 二、结构方案 1、结构体系的选择 结构体系的选择,不仅要从满足建筑的使用功能出发,节约投资 考虑,更主要的是取决于建筑的高度,即取决于建筑层数的多少。建筑层数越多,高度越高,则由于风力或地震力引
3、起的侧向力就越 大,建筑物必须有相应的刚度来抵抗侧向力。因此,随着建筑层数 的不断增加,结构体系也就需要不断的发展。目前,多层和小高层 钢结构建筑常用的结构体系有以下几种。 (1) 纯框架结构体系。纯框架结构体系在地震区一般不超过 15 层。 框架结构的平面布置灵活,可为建筑提供较大的室内空间,且结构 各部分刚度比较均匀。框架结构有较大的延性,自振周期较长,因 而对地震作用不敏感,抗震性能好。但框架结构的侧向刚度小,由 于侧向位移大,易引起非结构构件的破坏,因此不宜建的太高。 (2) 框支结构体系。纯框架在风、地震荷载作用下,侧移不符合 要求时,可以采用带支撑的框架,即在框架体系中,沿结构的纵
4、、 横两个方向布置一定数量的支撑。在这种体系中,框架的布置原则 和柱网尺寸,基本上与框架体系相同,支撑大多沿楼面中心部位服 务面积的周围布置,沿纵向布置的支撑和沿横向布置的支撑相连接, 形成一个支撑芯筒。采用由轴向受力杆件形成的竖向支撑来取代由 抗弯杆件形成的框架结构,能获得比纯框架结构大的多的抗侧力刚 度,可以明显减小建筑物的层间位移。 (3) 框架剪力墙结构体系。在框架结构中布置一定数量的剪力墙 可以组成框架剪力墙结构体系,这种结构以剪力墙作为抗侧力结构, 既具有框架结构平面布置灵活、使用方便的特点,又有较大的刚度, 可用于 40 至 60 层的高层钢结构。当钢筋混凝土墙沿服务性面积 (如
5、楼梯间、电梯间和卫生间)周围设置,就形成框架多筒体结构体系。这种结构体系在各个方向都具有较大的抗侧力刚度,成为主 要的抗侧力构件,承担大部分水平荷载,钢框架主要承受竖向荷载。2、楼面结构 多层轻钢建筑楼板必须有足够的刚度、强度和整体稳定性,同时 应尽量采用技术和构造措施减轻楼板自重,并提高施工速度,组合 楼盖是常用的楼盖之一。到目前为止,组合楼盖主要有以下三种形 式:(1)压型钢板组合楼盖,其下表面凹凸不平,在民用建筑中需做 吊顶,造价较高;(2)现浇整体组合楼盖,其整体性能好,但需要支 模板,施工速度慢;(3)钢混凝土叠合板组合楼盖,其整体性好, 还能节省支模和吊顶的费用。在组合楼板的应用中
6、,为使楼层高度减到最小,提供更大的无柱 空间,现在的趋势是把楼板和钢梁合为一体,形成组合扁梁楼盖。 3、支撑和剪力墙形式 多层框架钢结构体系的侧向刚度较弱,随着层数的增加,为了抵 抗水平地震作用,减小层间错移,常在墙体内布置垂直支撑,为了 方便门窗开洞,支撑形式可以灵活采用,如 X 型、单斜杆型、K 型、 M 型、W 型、V 型和人型等。建议多采用偏心支撑,因其在地震作 用下具有较好的延性和耗能性能。 剪力墙按其材料和结构的形式可分为钢筋混凝土剪力墙、钢筋混 凝土带缝剪力墙和钢板剪力墙等。钢筋混凝土剪力墙刚度较大,地 震时易发生应力集中,导致墙体产生斜向大裂缝而脆性破坏。为避免这种现象,可采用
7、带缝剪力墙。钢板剪力墙是以钢板做成剪力墙 结构,与钢框架组合,起到刚性构件的作用。 三、 工程实例分析 1、工程概述 分析以典型的办公楼布置为基础,平面尺寸为 72m14.4m,基本 柱网尺寸为 8.4m7.2m,跨度为 6m ,柱距为 7.2m ,内走廊宽 2.4m, 层高为 3.2m ,层数考虑 3 至 18 层。采用钢框架结构体系,若不满 足侧移要求,适当加一些支撑。主梁采用焊接工形截面,柱采用焊 接箱型截面。框架的横向和纵向梁柱按刚性连接设计,现场采用摩 擦性高强螺栓和焊接连接,次梁为工字型截面单跨简支梁。外墙正 立面为 240 厚瓷砖饰面的混凝土砌块,主要隔断内墙为 200 厚混凝
8、土砌块,次要内墙为轻钢龙骨石膏板轻质隔墙。楼盖采用钢混凝 土叠合板组合楼盖,设计主次梁时充分考虑楼盖与钢梁的组合作用。2、计算参数及计算软件 本工程设计主要依据国家有关设计规程、规范,如建筑结构荷 载规范(GBJ9-87) 、 建筑抗震设计规范(GBJ11-89)、 钢结构设 计规范(GBJ17-88)、 混凝土结构设计规范(GBJ10-89)、 建筑地 基基础设计规范(GBJ7-89)等。所有梁柱均采用 Q345 钢,基础和 负弯距受拉钢筋为级,楼板及分布筋级,楼板混凝土标号为 C40。 结构上作用活荷载包括楼面活荷、风荷和地震作用,横荷载包括楼板和墙体自重,均按建筑结构荷载规范(GBJ9-
9、87)取用,梁柱 自重按实际重量取用;基本风压按北京地区 0.35kN/m2 取用;设计 地震烈度为 8 度,类场地。 计算软件采用通用有限元软件 ANSYS,它是融结构、流体、电场、 磁场、声场分析于一体的大型软件包。主要利用 ANSYS 软件提供 的结构静力分析模块,采用三维 beam4 梁单元和 shell93 壳单元按空 间模型进行计算载荷引起的位移和应力,并按照钢结构设计规范 验算构件的强度、刚度、整体稳定和局部稳定性。同时采用通用结 构分析软件 SAP93 进行结构复验计算分析。 3、计算工况既及说明 计算时考虑以下主要的 3 种工况:1.2 恒荷1.4 活荷、1.2 恒荷 1.4
10、0.85(活荷风荷)以及地震作用。在计算地震作用时,12 层以下采用底部剪力法,13 至 18 层采用振型叠加法,考虑前 5 个 自振周期。 四、 计算结果及分析 1、层数对结构体系及平面布置的影响 3 至 6 层建筑物的设计是由竖向荷载控制着结构布置和构件截面 尺寸的选择,由于其侧移很容易满足,为了节省钢材,可以抽去靠 近走廊的一排柱子,每榀刚架布置 3 根柱子。 随着层数的增加,尽管竖向荷载仍对结构设计产生着重要影响, 但水平荷载却起着决定性的因素,控制着构件截面的选择。此时, 为了满足侧移要求,要么保持 3 排柱子布置不变,增大柱子截面尺寸;要么改 3 排柱子为 4 排。两种方案分析比较
11、发现改为 4 排柱子 更为经济。 当房屋层数达到 15 层时,其顶点位移和层间位移已经非常大, 欲满足设计要求,仅仅靠增大柱截面已经不经济了,这时沿横向和 纵向在边跨和中跨适当的布置一些支撑反而更节省钢材。 2、主要构件的截面尺寸 根据计算分析结果,对梁和柱截面规格尺寸进行了优化和归并, 以节约钢材和减少构件种类,3 至 18 层的梁柱截面尺寸见表 1。表 1 3-18 层主要构件的尺寸结构体系 主梁 次梁 柱 备注 3-6 层 纯框架 I35020086 I30020086 3503501010 三 排柱布置 7-9 层 纯框架 I40020086 I30020086 4004001414
12、四 排柱布置 10-14 层 纯框架 I40020086 I30020086 4504501414 四排柱布置 15-18 层 框支 I40020086 I30020086 4804801414 四 排柱布置由上表可以清楚地看到,随着层数的增多,为了满足侧移要求, 柱截面增加很多,整个设计和截面的尺寸由侧移控制。当增加到 15 层时,还必须适当布置一些支撑,这时结构侧向刚度突然增大,地 震作用也增大很多,柱的受力加大,整个设计由柱的稳定控制。 33 至 18 层的单位用钢量 为了比较用钢量与层数的关系,我们对各层的单位用钢量进行了 统计,见表 2,其中 15-18 层包含了支撑的用钢量。表 2
13、 3-18 层各层主要构件单位用钢量(单位:kg/m2 )3-6 层 7-9 层 10-14 层 15-18 层 柱 13.115.2 18.920.8 25.527.2 28.632.4 主梁 17.719.4 19.620.7 19.620.7 19.620.7 次梁 9.7 9.7 9.7 9.7 支撑 0 0 0 4.70 合 计 40.544.3 48.251.2 54.857.6 62.667.5由上表可以看出,随着层数的增加,用钢量增加很多,特别是增 加到了 15 层时,这时不仅柱的用钢量有所增加,支撑也使用钢量增 加不少。为了便于比较,对于 15-18 层不加支撑也进行了计算,此 时单位用钢量为 6568kg/m2 左右,比加支撑更不经济。 五、结论 本文通过对各种方案的分析比较发现,3-6 层设计由竖向荷载来 控制,采用三排柱布置纯框架比较经济;7-14 层竖向荷载和水平荷 载作用都很显著,采用四排柱布置的纯框架用钢量较为节省;而对 于 15-18 层,水平荷载作用占主导地位,适当增加一些支撑,增大 整个结构的抗侧力刚度,比单纯靠梁柱的受弯来抵抗水平位移更为 经济。