多層輕鋼住宅的結(jié)構(gòu)體系與設計（二）

3．多層輕鋼住宅的體系與結(jié)構(gòu)特點

　　3.1抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系

　　主要應用于多層輕鋼住宅的體系可分為：純鋼框架體系，框架－支撐體系，鋼框架－混凝土剪力墻體系，周圍抗側(cè)力體系等。

　?。?）純框架體系常用于4～8層住宅。它主要由寬翼緣的H型或箱形柱和工字型梁組成，亦可采用熱軋H型鋼。這種體系具有較為靈活的空間布局，但側(cè)向剛度較弱。相對于框架－支撐體系，用鋼量較大。純框架體系多采用雙向剛接，這樣可以加大結(jié)構(gòu)自身的側(cè)移剛度，減少抗側(cè)移構(gòu)件內(nèi)力，加強耗能機制，提高建筑物的延性。但節(jié)點形式較為復雜。由于建筑美觀的要求，端板連接不宜于多層輕鋼住宅。

　　（2）框架－支撐體系主要由焊接工字型梁柱組成。多數(shù)情況下，這種體系為橫向承重。梁柱節(jié)點在橫向上，為剛接；縱向為鉸接。因此，結(jié)構(gòu)在縱向相當于排架，抗側(cè)移剛度很低，需設置側(cè)向支撐抵抗水平荷載，限制結(jié)構(gòu)的水平變形。支撐可用槽鋼，角鋼或圓鋼桿，具體形式可結(jié)合建筑立面或門窗洞口需要采用單斜桿、X型、K型或偏心支撐。單斜桿簡單明快，但必須設置兩組不同傾斜支撐，以保證結(jié)構(gòu)在兩個方向具有同樣抗側(cè)力能力。X型支撐具有很好的側(cè)向剛度，但是交叉點處的細部構(gòu)造比較復雜。偏心支撐具有非常好的抗震耗能效果。它的工作原理是：在中、小地震作用下，支撐提供主要的抗側(cè)力剛度，與中心支撐相似；在大地震作用下，保證支撐不發(fā)生受壓屈曲，而讓耗能梁段屈服消耗能量。它是專為抗震設計提供的支撐形式。

　?。?）框架－鋼筋混凝土剪力墻（筒）體系。用鋼筋混凝土剪力墻部分或全部代替鋼支撐，就形成了框架－鋼筋混凝土剪力墻（筒）體系。它適用于小高層住宅。一般將樓梯或電梯間設計成鋼筋混凝土墻（筒）。這樣即有效的加強了建筑物的側(cè)向剛度，又解決了樓梯間的防火問題。如果結(jié)構(gòu)剛心偏移過大，出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的問題，可在適當部位設置鋼支撐。

　　（4）周圍抗側(cè)力體系。這種體系在歐美國家的商業(yè)和民用建筑中十分流行。它的特點是剛架柱強軸與其相交的建筑軸線垂直，形成外筒，抵抗水平荷載，將之傳遞到基礎。它適用于建筑外型接近于正方型的結(jié)構(gòu)?？梢詫⑦@種思路應用到框架－支撐體系中。把縱向的支撐去掉，將原有位置的剛架柱扭轉(zhuǎn)90度，梁柱由鉸接變?yōu)閯偨?。這樣，剛架柱同時起到抗風柱與豎向支撐的作用。

　　對于多層輕鋼民用住宅體系的選擇，不必拘泥于某一種特定的體系?？梢愿鶕?jù)建筑平面設計的要求，靈活處理，綜合使用不同的抗側(cè)力體系。

　　3.2 樓面屋蓋結(jié)構(gòu)

　　樓面和屋蓋必須有足夠的強度，剛度和穩(wěn)定性，同時應當盡量減少樓板厚度，增加室內(nèi)凈高。壓型鋼板－混凝土組合樓蓋是目前應用較為廣泛的形式。它具有施工速度快，平面剛度大，增加房屋凈高的優(yōu)點。具體做法是在鋼梁上鋪設壓型鋼板，再現(xiàn)澆100～150mm混凝土。在鋼梁上焊接足夠的剪力連接件，使鋼梁與混凝土協(xié)同工作構(gòu)成組合樓蓋。這種做法耗鋼量較大，且需防火處理。可以用預應力鋼筋混凝土薄板取代壓型鋼板。此外，預應力圓孔板、迭合板、組合扁梁也是常用形式。

　　3.3 墻體結(jié)構(gòu)

　　各種輕質(zhì)墻體材料以其良好的保溫、隔熱、隔聲性能受到開發(fā)商的青睞。目前，墻體主要分為自承重式和非自承重式。自承重墻體主要包括用于外圍護結(jié)構(gòu)的加氣混凝土塊、太空板、輕鋼龍骨加強板等，以及用于內(nèi)墻的輕混凝土板、石膏板、水泥刨花板、稻草板等。外掛的非自承重式墻體材料主要有彩色壓型鋼板、彩色壓型鋼夾芯板、玻璃纖維增強外墻板等。采用非自承重式墻體材料，需設置墻梁用以懸掛外圍護結(jié)構(gòu)。門窗洞口上下要布置。墻梁多采用C或Z型冷彎薄壁型鋼，尺寸取決于跨度（剛架間距）和墻距（板跨）。

　　3.4 多層輕鋼住宅的防火

　　鋼材屬于不耐火材料，溫度為400 °C時，鋼材的屈服強度將降為常溫的一半，溫度達到600 °C時，鋼材基本喪失全部強度和剛度。所以，鋼結(jié)構(gòu)不僅要進行結(jié)構(gòu)的抗火設計，還要采用防火措施保護。目前常用的防火措施有以下四種方法（1）防火涂料法。將具有一定厚度的防火涂料直接噴在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件上。防火涂料主要兩類：涂層8～50mm，粒狀表面，密度較小，耐火極限1～3h的為厚涂型防火隔熱材料；涂層3～7mm，遇火膨脹增厚，耐火極限0.15～2h的為薄涂型防火隔熱材料。噴涂法造價較低，操作簡便，施工速度快，但是構(gòu)件表面不平整，影響美觀。（2）隔離法。將防火材料或防火磚沿構(gòu)件的外圍，將構(gòu)件包裹，與外界隔離。這種方法美觀，無污染，但施工速度較慢，適用于外露的構(gòu)件。（3）實心包裹法。將鋼構(gòu)件澆注到混凝土中。（4）膨脹漆覆蓋法。將具有一定厚度的膨脹漆噴涂、抹、刷在經(jīng)過處理的構(gòu)件表面?？够饦O限最高達2h.覆蓋法施工容易，但不適用于潮濕的環(huán)境，僅適用于干燥的室內(nèi)。

　　4．工程實例

　　4.1 工程背景介紹

　　某示范樓建筑面積4665m²，5層純鋼框架結(jié)構(gòu)，長67m，寬13.5m，層高3m.焊接工字形梁，縱橫雙向剛接H形柱。樓面活荷載為2.0kN/m²，屋面活荷載0.3kN/m²，輕型屋面恒荷載0.3kN/m²；基本風壓0.25 kN/m²；設計地震烈度為7度，Ⅱ類場地。屋面為冷彎薄壁C型檁條鋪雙層鍍鋅壓型鋼板夾100mm厚保溫棉屋面系統(tǒng)，外墻采用200mm厚陶粒混凝土空心砌體墻，分戶墻為180mm厚菱鎂土板，戶內(nèi)隔墻為90mm厚菱鎂土板。條型基礎，柱與基礎為剛接。

　　示范樓共有四個居住單元，兩種建筑平面布置形式，建筑面積分別為143 m²，102 m².一單元為大兩室兩廳，二、三、四單元為小兩室兩廳。一單元的大客廳使用了組合扁梁，從而實現(xiàn)了梁與樓蓋的一體化，減少了結(jié)構(gòu)層高。對于正常極限狀態(tài)下的組合扁梁，將鋼和混凝土兩種材料組成的組合梁截面換算成同一種材料的截面，再按照彈性理論計算。為了樓板的放置，扁梁的下翼緣一般較寬，需驗算施工時產(chǎn)生的偏心荷載。為了減少設計工作量，通常把扭矩簡化為已對大小相等、方向相反的力分別作用于扁梁的上下翼緣。詳細分析方法見文獻。

　　4.2 計算方法與基本要求

　　對于多層輕鋼住宅，盡管采用單向板，但由于縱橫向均有墻體荷載分布，宜采用三維空間計算模型。本工程采用的是普通樓板，不考慮樓蓋對鋼架梁剛度增大的作用，忽略樓板的空間聯(lián)系作用，空間模型為純框架結(jié)構(gòu)。計算分析是采用有限元分析軟件ANSYS完成。在結(jié)構(gòu)計算中采用三維梁單元，質(zhì)量單元計算結(jié)構(gòu)自振周期以及靜力分析。

　　相對于工業(yè)建筑而言，多層民用建筑的荷載工況簡單明了。主要考慮以下三種工況：

　　工況一：1.2×恒載標準值＋1.4×活荷載標準值

　　工況二：1.2×恒載標準值＋0.85×1.4×（風荷載＋活荷載）標準值

　　工況三：1.2×重力代表值＋1.3×水平地震作用標準值

　　對于多層輕鋼住宅地震荷載計算，由于樓層較低，結(jié)構(gòu)布置對稱，采用底部剪力法就可滿足要求。

　　多層輕鋼住宅側(cè)向位移具體要求如下：

　?。?）在風荷載作用下的頂點水平位移與總高度之比不宜大于1/500.

　?。?）層間相對位移與層高之比不宜大于1/400.

　?。?）在常遇地震作用下，層間側(cè)移不超過樓層高度1/250.

　　對于多層輕鋼住宅，還要滿足剛架柱構(gòu)件穩(wěn)定性與鋼框架的整體穩(wěn)定性要求。

　　4.3 計算分析

　　由于活荷載與基本風壓較小，所以工況三為控制工況。計算設計時將兩種方案進行了比較，不改變剛架梁的截面形式，只對剛架柱進行改動。方案一，剛架柱為工字形；方案二，剛架柱為箱形。