某多层钢结构学生公寓结构设计

某多层钢结构学生公寓结构设计————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：1某多层钢结构学生公寓结构设计王彦兵卞宗舒（北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司 100089）摘要本文介绍了8度抗震设防下的6层钢结构学生公寓的结构设计，对该工程的结构体系选用、计算假定、节点构造作了一些研究工作。

关键词钢结构公寓钢框架－钢筋混凝土筒体混合结构结构设计1.前言随着我国钢结构居住建筑的兴起，我公司针对居住建筑的特点，着重在钢结构居住建筑体系方面进行研究，并在具体工程中实践。

几年来我公司前后完成了近20万平方米居住建筑的设计任务，积累了一定的工程实践经验。

本工程现已投入使用，情况良好。

2.工程概况该工程为6层钢结构内廊式学生公寓楼，单栋建筑面积17000余平方米；平面布局为“口”字型，分为A,B,C,D座（图1），每座之间用抗震缝分开；结构布置每座大体相同，故取其中一座进行结构计算；每座平面布置为矩形（图2），开间3.9m，进深 5.8+2.1+5.8m，悬挑封闭阳台每侧 1.27m；层高 3.2m，无地下室；基本风压w0=0.45kN/m2；抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度0.2g，建造于Ⅲ类场地上，设计地震分组为第一组。

开口AD CB图1 组合平面图2 计算单元平面图3 结构计算模型消隐图3.结构设计3.1 结构体系的选用通过对国内外钢结构居住建筑体系的调研，多层钢结构居住建筑典型的结构体系如：钢框架、钢框架－钢支撑、钢框架－钢筋混凝土筒体混合结构、钢框架－开缝钢板筒体等结构体系；通过分析结构受力、经济指标、户型适应、工业化生产、现场装配等多方面条件后，我们认为，在多层钢结构住宅中适宜的结构体系为小柱网钢框架－钢筋混凝土筒体混合结构体系。

混合结构体系有如下特点：（1）受力明确：混合结构体系中，大部分水平力由筒体承担，钢框架主要承担竖向荷载，二者协调工作，因此钢框架所需截面也较小，同时筒体厚度在本工程中不超过250mm，所以对建筑使用没有太多影响。

纯钢框架结构则在满足结构侧移、强度及稳定的条件下需较大的柱、梁断面。

（2）钢框架构件截面小、用钢量低、建筑布置灵活：由于钢框架主要承担竖向荷载，因此钢框架所需截面也较小，在本工程中，框架柱用HW200×200（均采用热轧H型钢），框架梁用HN300×150、HM194×150，钢结构用钢量只有37kg/㎡；框架构件截面的小型化同时给建筑平面设计、空间设计带来很大便利。

钢框架－钢支撑体系中，纵向钢支撑的设置对建筑布置及立面设计带来更多的问题。

纯钢框架结构体系中，柱、梁断面较大，用钢量高，且钢柱不能隐蔽，给居住建筑使用带来不便。

（3）刚度分布均匀：由于建筑平面的对称性，筒体可安排在厕所及盥洗间处，结构的刚度中心和质量中心基本重合，所以结构的扭转耦联作用可不考虑，本结构体系更有利于抗震。

（4）构件类型少，节点简单便于安排工业化生产：在本工程中，钢框架主要梁柱只用了三种截面的H型钢，而且构件类型很少，有互换性，便于热轧H型钢的批量定货和定尺供货。

框架横向悬挑部分通过T型钢连接件，梁柱构件上的节点构造简单，这使加工、运输、堆垛和吊装工作简化。

（5）装配化程度高，现场工期短：在梁柱连接中，全部采用高强度螺栓连接，现场工作量小、用工少、工期短，本工程中钢结构现场安装工期实际约20天。

3.2 混合结构体系的适用范围通过对工程实践的总结，小柱网混合结构体系可用于以下类型的居住建筑：（1）多层住宅的点式、板式、板组合式、齿形等平面。

（2）要求建设速度较高的开发项目（或周转资金较少）。

（3）已禁止或限制使用粘土砖的地区。

（4）场地为不良地基，由于结构自重轻，因此地基处理费用亦降低。

（5）改扩建可能性较大的项目（包括拆改合并相邻户）。

（6）施工场地狭小的城区改造项目。

（7）内部通透性要求较强的户型（内部无承重墙）。

（8）以毛坯房形式出售的商品房（内部无承重墙）。

（9）建材供应困难的边远、海岛、高原地区（以最小运量供应）及境外项目。

3.3 基本计算假定及计算参数的选取：（1）多层规则结构的楼板可假定为理想刚性楼板，即：在平面内刚度无限大，平面外刚度为零，因此地震作用分析方法采用“侧刚分析方法”。

（2）全部钢梁采用焊钉与楼板固定，钢框架与钢筋混凝土筒体通过楼板传递剪力，在水平力作用下可实现协同工作；（3）钢框架节点为刚性节点，框架梁与筒体连接为铰接，柱脚为刚接。

（4）多层结构可将垂直荷载一次作用在框架上，内力分析时不考虑施工模拟。

（5）筒体为主要抗侧力构件并考虑钢框架参与，因此混合结构在多遇地震下的阻尼比采用0.04（《高规》JGJ3-2002第11.2.18条）。

（6）计算地震作用时，活载质量折减系数为0.5；计算柱、基础内力时活载可按规范折减。

（7）由试算结果知，地震作用下的水平位移角均小于1/1000,根据《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99-98)有关规定，柱计算长度系数可按无侧移框架柱考虑。

（8）钢筋混凝土筒体的抗震等级为一级。

（9）当钢梁两侧或一侧有混凝土板时，钢梁的截面惯性矩分别乘以1.5或1.2的增大系数。

（10）在地震作用下，钢结构内力和位移计算所采用的结构自振周期，考虑非结构构件的影响，乘以0.9的调整系数。

（11）钢框架的刚度比钢筋混凝土筒体的刚度小许多，绝大部分水平力由筒体承担，钢框架只承担小部分；计算中按《高规》(JGJ3-2002)规定：各层框架柱所承担的地震剪力为：结构底部总地震剪力的25%和框架部分地震剪力最大值的1.8倍二者的较小值，针对本工程采用的是后者。

（12）当地下室楼层的侧移刚度不小于相邻地上结构楼层侧移刚度的2倍时，地下室顶板可作为上部结构的嵌固端。

3.4 结构整体计算计算模型见图3。

设计计算采用建研院PKPM系列中的墙元模型三维结构分析软件SATWE，并用薄壁柱模型的三维结构分析软件TAT进行复核；前后处理采用钢结构设计软件STS-1进行。

主要计算结果如下：(1).自振周期（秒）：X向Y向T1 0.3845 0.2985T2 0.1118 0.0721T3 0.0572 0.0344T4 0.0403 0.0229T5 0.0309 0.0182T6 0.0281 0.0189(2).地震作用下位移角：X向Y向规范要求允许值层间位移（最大值）1/1967 1/2987 1/800顶点位移1/2365 1/3883 ―可见满足规范要求（风荷载不控制，因此未列出）。

3.5 节点设计（1）框架节点（图4、图5）钢框架节点纵、横向均采用刚性节点，考虑钢柱吊装及运输的便利，横向HM194×150框架梁与柱采用“T型件”连接，此节点因梁截面较小，T型件强度容易满足；其它纵、横向连接节点均采用高强度螺栓夹板连接。

图4 梁与柱强轴连接节点(一) 图4a 梁与柱强轴连接节点(二)图5 梁与柱弱轴连接节点（2）框架梁与筒体连接节点（图6）考虑先安装钢结构后浇筑楼板及筒体混凝土的施工顺序，因此在筒体有关部位设置一些工作件，使钢结构能够先立起来；我们采用的工作件主要为：●H型钢柱，即支撑钢结构自重、混凝土自重及临时施工荷载；●双槽钢梁，即支撑楼板混凝土自重及临时施工荷载；双槽钢梁设置在筒体两侧，目的是钢结构安装完成后仍能浇筑混凝土；●其它梁柱连接板等。

梁与筒体（钢柱工作件）连接设计成铰接。

图6 框架梁与筒体连接节点(一)图6a 框架梁与筒体连接节点(二)（3）柱脚节点（图7）由于这个结构体系的受力特性，筒体承担了绝大多数的地震力，底层框架钢柱受到的力基本上只是轴向力，因此，考虑安装便利、降低用钢量、地下钢柱防腐等因素，柱脚设计成外包式刚性柱脚。

图7 柱脚节点（4）楼板设计由于建筑楼板隔音的需要，设置了一层轻钢龙骨石膏板吊顶，并考虑加快施工进度的要求，本工程采用普通压型钢板上浇混凝土楼板，楼板与钢梁设置抗剪焊钉，使水平力得到有效传递，并加强了钢梁的整体稳定。

压型钢板由1mm厚镀锌卷板压型，波高76mm，波距344mm，作模板使用在连续板条件下跨度可达3.9m无须支撑。

（5）填充墙建筑墙体的选用坚持就地取材、方便施工、降低成本、满足隔热隔声等原则，本工程外墙仍采用目前很成熟的加气混凝土砌块墙体，根据装修需要并防止墙体开裂，墙外满挂钢板网片，并采用专用介面剂；内墙则主要采用两道轻钢龙骨交错排列四层石膏板墙。

4.钢结构防火本工程耐火等级二级，钢框架构件的耐火时间为柱2.5小时，梁1.5小时，我们在设计中采用砌体包覆或涂防火涂料的办法来处理，通过计算及试验可满足要求；楼板压型钢板只做模板使用，不做防火处理。

5.经济性分析通过计算，本学生公寓钢结构用钢量为37kg/㎡,楼板、筒体（不含基础）钢筋用量18kg/㎡，是目前国内钢结构居住建筑用钢量最低的。

钢结构居住建筑在工厂完成的预制量较大，构件及材料总订货价较其它结构高，而现场发生的物料量、运输量和人工量大大减少，其减少又引起实际发生的管理成本降低，但目前习用的造价计算办法不能区分这一情况，按定额取费方法计算钢结构住宅造价会高于其它结构类型。

实际上在同等利润的情况下，以本工程为例，在北京地区其造价可以与多层内浇外砌、异型柱框架填充墙及全砌块结构等体系大体持平。

6.结语在以上论述中可以看出，本多层学生公寓楼钢结构方案是在技术上可行的，同理，可以推广应用于多层钢结构住宅。

本工程中钢柱应力较小，经试算，在钢结构截面不变的情况下，可以做到7层，筒体混凝土强度等级、数量相应增加。

在综合造价上与常规的混凝土结构大体持平，但钢结构特点有着其独特的优越性，本结构体系很有推广价值。

通过我公司几年来不懈努力，前后设计完成了钢结构公寓楼、钢结构住宅、别墅等多项居住建筑工程，取得了一些成果及宝贵的经验，并逐步进入大规模推广阶段。

参考文献：1、高层民用建筑钢结构技术规程(JGJ99-98) 中国建筑工业出版社19982、高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）中国建筑工业出版社20023、建筑抗震设计规范（GB50011-2001）中国建筑工业出版社20014、热轧H型钢设计应用手册柴昶中国计划出版社19985、钢结构住宅建筑设计技术规程-征求意见稿。