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

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。

口

图2 计算单元平面

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）：

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。