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多层轻型房屋钢结构的设计

 国家经济建设的快速发展,钢产量的提高,给钢结构的发展和应用带来了前所未有的机遇。国内除各种钢结构工业厂房、钢结构体育场馆、钢结构桥梁、大型飞机库建设外,还有已建和在建的一批如深圳帝王大厦、上海金茂大厦、大连远洋大厦等近30幢高层钢结构房屋建筑。在此期间,以轻型钢结构发展最快,普及最广。轻型钢结构应用于各种工业与民用建筑,起结构形式主要有波形拱壳屋面结构和门式刚架结构,它们以美观、新颖的造型、较低以的用钢量和较短的施工周期而倍受业主的欢迎。

  一、多层轻型房屋钢结构建筑的应用

  结构方案轻型钢结构多层房屋中最常用的结构体系为框架结构,根据建筑方案的需要有时也采用悬挂体系。梁柱多为轧制或焊接工形截面,有时柱也可采用箱形截面。由于受到我国型钢品种和供应的限制,目前主要采用焊接构件。框架结构平面布置灵活,柱网尺寸磕打可小(一般6—9米),各部分刚度比较均匀,构造简单,易于施工。其自振周期较长,自重较轻,对地震作用不敏感。但其侧向刚度小,侧向位移难以控制。对于一些设有电梯的多层房屋,为增强侧向刚度,结合其电梯井的布置,还可以采取框架一抗剪桁架体系或框架一剪力墙(通常为钢板剪力墙)结构体系。

  支撑体系为了加强多层房屋钢结构的侧向刚度,抵抗水平风荷载和地震作用,通常用槽钢或角钢在墙体平面内布置垂直支撑体系。根据要求可以沿纵、横单向布置或双向布置。支撑与框架铰接,按拉杆或压杆设计。考虑到门窗的布置,可以采用X型、单斜杆型、人字型、倒人字型、w型、倒W型、门式等形式.为在强震作用下具有良好的吸能耗能性能,则采用偏心支撑。在不影响建筑功能的前提下,在平面上支撑应均匀布置。对后五种支撑应验算梁上支撑轴力引起的附加弯矩。偏心支撑的优点是在较小或中等的水平荷载作用下有足够的刚度,而在严重超载(如大地震)时具有良好的延性,是一种较好的抗剪支撑。

  楼盖体系多层房屋钢结构的楼板必须有足够的承载力、刚度和整体性。当前较常采用的是在钢梁上铺设压型钢板,再浇注100—150mm的钢筋混凝土板,即压型钢板组合楼板,压型钢板与钢梁之问用栓钉连接。另外还可用预应力薄板加混凝土现浇层或一般钢筋混凝土楼板,此时应保证楼板和钢梁之间的可靠连接。设计时如考虑钢梁和楼板的组合作用,可显著提高梁的承载力和整体稳定性,并有效降低梁高。主梁与次梁的连接一般为简支等高连接,有时也做成不等高连接,如采用压型钢板组合楼板时,为便于铺设压型钢板,主次梁顶面相差压型钢板厚度,同时还可以增大建筑净层高。

  围护结构为了减轻多层房屋钢结构 的自重,围护结构多采用轻质材料。外墙墙体多采用轻质填充材料,如空心砌块、加气混凝土等,有时可采用压型钢板加轻质保温层组成的复合墙体,也有很多房屋外墙采用轻质美观的玻璃幕墙结构。内隔墙可采用空心砌块、加气混凝土等轻质填充墙或轻钢龙骨石膏板,目前也有采用铝合金框玻璃隔断的。对轻型钢结构房屋来说,传统的油毡加沥青的屋面防水层很不经济,现大都采用卷材防水。屋顶也掘弃了传统的水泥砂浆找平层和焦渣保温层,而采用轻质保温材料,如JQN板、聚乙烯混凝土板等,可根据要求做成变厚度而取消屋面找平层。

  基础形式多层轻钢房屋基础常用柱 下独立基础、条形基础、十字形基础,有时也可采用片筏基础。采用柱下独立基础时.应注意各基础相对不均匀沉降对上部结构的影响。基础梁常用现浇或预制钢筋混凝土结构,有时根据要求也可采用钢基础梁,但通常将埋置在地面以下的柱脚和钢梁外包混凝土,以解决防腐问题。节点构造多层房屋钢结构柱多采用焊接工形或箱形截面。由于工形截面腹板比较薄,故在此弱轴方向与梁的连接多采用铰接,而强轴方向采用刚接形式。有时还可采用半刚性连接,但其受力特性较复杂,往往通过试验来取得较准确的设计数据。同时多层房屋钢结构的构件相对较薄,应尽量避免工地现场焊缝连接。为了加强结构的整体刚度,可以把次梁做成连续梁的形式。

  防火和防腐措施我国的钢结构防火主要采用防火涂料、发泡防火漆和外包防火层等方法。对于外露的钢结构构件,如楼梯等多用涂料和漆料,采用10~40ram厚的涂料,耐火极限可达1.5—3h,而发泡漆的耐火时间一般为0.5h。对隐藏的构件,珍珠岩和蛭石防火喷涂或防火板是经济有效的方法,30一40mm厚的喷涂可实现1.5h的耐火极限,并兼有一定的防腐能力。暴露钢构件一般采用耐腐蚀涂料或油漆防腐,由底漆和面漆组成。目前防腐涂料的有效期为10~20年,所以要定期重新涂刷。镀锌压型钢板本身具有一定的防腐能力,在用于楼盖时可借助于防火涂料解决防腐问题,但用于屋面和外墙面时还要涂以有机涂料,增加其耐久年限。

  二、应注意的问题

  1、结构计算应充分利用计算机的辅助设计(如3D3S、STS、STAAD、ETABS等),采用三维空问结构分析,计算中应考虑梁、柱的轴向变形、弯曲变形和剪切变形的影响,以及梁柱节点域剪切变形对侧移的影响。

  2、应尽量降低楼盖自重,如采用轻骨料混凝土楼盖结构,自重可进一步减轻。应深入该方向的研究。

  3、轻型钢结构的抗震性能虽然优于其他材料的结构,但实践中,由于设计不当造成的钢结构破坏,以轻型钢结构居多。应开展多层轻型钢结构在地震作用下的工作性能、破坏机理几设计方法(节点、构造、结构体系)的研究。

  轻型房屋钢结构住宅为特点的新型住宅建筑是近年来欧美一些国家住宅结构发展的结构之一。我国正在加速发展住宅产业化进程,随着中国加入WTO后国外钢结构公司(BHP、BUTLER等)的进入,以及国内各设计研究机构的不断努力,相信不远的将来轻型房屋钢结构的发展和应用会有新的飞跃。

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