对多层民用住宅轻钢结构设计分析

对多层民用住宅轻钢结构设计分析
发表时间：2019-10-09T15:06:56.893Z 来源：《建筑学研究前沿》2019年12期作者：王亚兰
[导读] 有效的提高了抗压能力，也在一定程度上增强了轻钢结构的抗震能力。

这样就使得钢结构的质量有了十分显著的增加，并增加了其使用效率。

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摘要：随着住宅业成为我国经济发展新的增长点,住宅产业化发展将是住宅业发展的必由之路.而住宅产业化的前提是具备与产业化相配套的新技术、新材料和新体系.由于钢结构体系住宅易于实现工业化生产、标准化制作,且与之相配套的墙体材料可以采用节能、环保的新型材料,因此,研究钢结构体系住宅成套技术,将大大促进住宅产业化的快速发展,直接影响着我国住宅产业的发展水平和发展前途.在此背景下,本文在此仅就我国高层轻型住宅钢结构的设计展开分析与探讨.
关键词：多层建筑；结构体系；结构设计
1 多层轻钢住宅的优点
1.1轻钢结构的质量较好
轻钢结构中的钢管混凝土柱子，主要是应用钢筋与混凝土之间的特性来进行混合的，这样做能够有效的提高钢结构的质量与强度，并缩小结构截面，有效的提高了抗压能力，也在一定程度上增强了轻钢结构的抗震能力。

这样就使得钢结构的质量有了十分显著的增加，并增加了其使用效率。

1.2轻钢结构的造价相对较低
在建筑工程中，钢筋混凝土能够做到相互之间的优势互补。

因此，在轻型房屋钢结构的设计过程中，采用的合金钢的价格普遍较高，建筑住宅中的复合墙体的价格也相对比较高，钢结构的整体投资与费用要比传统的钢筋混凝土低。

1.3轻钢结构的自重较轻
轻型的钢结构，是采用轻质的材料，进而组成一种防水、防火和节能隔热的复合墙体，这种新型的结构能够代替传统的笨重材料。

因此，轻型的钢结构体系的混凝土的使用量能够降低50%左右。

使得钢结构的自身重量有了显著的降低，这样其自重较轻。

1.4轻型钢结构体系的施工周期短
在多高层住宅建筑工程的设计过程中，采用轻型的钢结构体系，是不需要现场将钢筋进行绑扎的，应该制作相应的模板，制作建筑工程楼板的过程中，不需要进行临时性的支撑，这样就能够使建筑施工现场的拼装进度有一个显著的增加，有效的缩短施工周期，建筑工程施工周期的缩短，也能够有效控制建筑工程的施工成本，增加了建筑企业的经济效益。

2 结构体系的选择
建筑层数越多，高度越高，则由于风力或地震力引起的侧向力就越大，建筑物必须有相应的刚度来抵抗侧向力。

因此，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）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、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。

（2）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。

3 主要构件设计
3.1柱
前已述及，钢结构住宅一般为大开间，框架柱在两个方向都承受较大的弯矩，同时应该考虑强柱弱梁的要求。

而目前广泛使用的焊接H型钢或I字热轧钢截面，强弱轴惯性矩之比3～10，势必造成材料浪费。

因此对于轴压比较大，双向弯矩接近，梁截面较高的框架柱采用双轴等强的钢管柱或方钢管混凝土柱是适宜的。

对于方钢管混凝土柱，不仅截面受力合理，同时可以提高框架的侧向刚度，防火性能好，而且结构破坏时柱体不会迅速屈曲破坏。

因此，尽管平面受力结构中，选用H型钢或I字钢在受力上还是合理的但总体上，箱形钢管柱尤其是方钢管混凝土柱应得到广泛应用。

方钢管混凝土柱将是钢结构住宅发展的主要方向，但由于缺乏相应的规范、规程，目前在住宅中应用还很少。

尤其钢管砼梁、柱的连接较为复杂，不利于工厂制作和现场施工，应加大力度开发研究。

3.2楼面屋盖结构
楼面和屋盖必须有足够的强度，刚度和稳定性，同时应当尽量减少楼板厚度，增加室内净高。

压型钢板-混凝土组合楼盖是目前应用较为广泛的形式。

它具有施工速度快，平面刚度大，增加房屋净高的优点。

具体做法是在钢梁上铺设压型钢板，再现浇100～150mm混凝土。

在钢梁上焊接足够的剪力连接件，使钢梁与混凝土协同工作构成组合楼盖。

这种做法耗钢量较大，且需防火处理。

可以用预应力钢筋混凝土薄板取代压型钢板。

此外，预应力圆孔板、迭合板、组合扁梁也是常用形式。

3.3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。

4节点设计
在结构分析前，就应该对节点的形式有充分思考与确定。

常常出现的一种情况是，最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致，这必须避免。

按传力特性不同，节点分刚接，铰接和半刚接。

初学者宜选择可以简单定量分析的前两者。

连接节点有等强设计和实际受力设计两种常用的方法，初学者可偏安全选用前者。

设计手册中通常有焊缝及螺栓连接的表格等供设计者查用，比较方便。

也可以使用结构软件的后处理部分来自动完成。

具体设计主要包括以下内容：
4.1焊接
对焊接焊缝的尺寸及形式等，规范有强制规定，应严格遵守。

焊条的选用应和被连接金属材质适应。

E43对应Q235，E50对应Q345. Q235与Q345连接时，应该选择低强度的E43，而不是E50.焊接设计中不得任意加大焊缝。

焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近。

其他详细内容可查规范关于焊缝构造方面的规定。

4.2栓接
铆接形式，在建筑工程中，现已很少采用普通螺栓抗剪性能差，可在次要结构部位使用。

高强螺栓，使用日益广泛。

常用8.8s和10.9s 两个强度等级。

根据受力特点分承压型和摩擦型。

两者计算方法不同。

高强螺栓最小规格M12.常用M16～M30.超大规格的螺栓性能不稳定，设计中应慎重使用。

自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接。

国外在低层墙板式住宅中，也常用于主结构的连接。

4.3连接板
可简单取其厚度为梁腹板厚度加4mm.然后验算净截面抗剪等。

4.4梁腹板
应验算栓孔处腹板的净截面抗剪。

承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压。

4.5节点设计
必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。

构件运到现场无法安装是初学者长犯的错误。

此外，还应尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定。

还应考虑制造厂的工艺水平。

比如钢管连接节点的相贯线的切口需要数控机床等设备才能完成。

结束语
总而言之，随着建筑工程的不断发展，关于多层民用住宅设计将会变得更加的广泛与成熟，我国的建筑行业将会得到更加显著的发展。

参考文献
[1]林施颖.轻钢结构活动房屋的现状及发展趋势[J].钢结构，2017（10）.
[2]程火焰，朱荡荡.轻钢结构单层厂房整体稳定性的影响因素分析[J].湖南工程学院学报，2018（04）.。