多层轻钢住宅的结构体系与设计

1.轻钢住宅在我国的发展我国轻型钢结构经过20多年的发展历史，虽然起步并不晚，主要由于经济与技术的原因使得多层轻钢住宅的发展受到制约。国内最早出现的轻钢结构住宅是94年11月建于上海浦东北蔡的8层钢结构住宅，采用冷弯成型的矩形钢管混凝土柱和U型冷弯型钢组合梁组成框架。其特点是采用稻草板作外墙和楼板的组件，单位面积用钢量34kg/m2。天津经济开发区太平村是我国住宅产业化的探索基地之一，来自中国，日本，美国，加拿大等15个国家和地区的95名参展商展示了各自的产品，其中钢结构住宅均采用框架结构。楼板及墙体、屋顶均采用复合结构，工厂预制，现场安装，缩短了施工工期。长沙远大集团建造的8层钢结构公寓，称之为集成化建筑。该建筑装有中央空调一体化机组，整体浴室，“五表”远传系统等现代化设备。室内设计考究，体现了钢结构住宅的风格和质量，表明了钢结构住宅的良好发展前景。表1为若干轻钢住宅经济技术指标。当前，国家将住宅产业作为国民经济新的经济增长点。为居民提供高质量的符合市场需求的商品化住宅成为必然趋势。国家鼓励发展表1轻钢住宅经济技术指标工程名称马钢住宅试验楼北京西三旗水电工程宿舍涿州中铁紫荆关钢结构公司试验楼保定太行集团轻钢住宅示范楼结构体系12层框架－支撑体系6层框剪体系6层钢框架－砼核心筒体系空间框架结构结构型式热轧H型钢H型钢，压型钢板组合楼板焊接工型梁柱H形柱，工形梁用钢量(kN/m2)52634652单位造价（元）110011001200900“新型建筑体系”，已将其列入优先发展的高新技术领域中。国务院1999年颁发的72号文件提出要发展钢结构住宅产业，在沿海大城市限期停止使用粘土砖。建设部标准定额研究司正在编制与修改与多层钢结构房屋密切相关的技术规程。建设部科技司在今年上半年分别召开了“钢结构住宅产业化技术导则编制研讨会”和“钢结构住宅建筑体系及关键技术研究课题立项评审会”。通过了18个包括钢结构住宅建筑体系及其关键和试点工程的立项。国家政策为钢结构住宅开发创造了条件，钢结构产业化住宅有望在最近取得突破性进展。2.多层轻钢住宅的优势过去我国大量开发的是以小开间砖混结构为主的住宅。这种住宅体系由于使用实心粘土砖，浪费土地资源，建筑物自重大，对抗震不利。另一方面，由于结构体系自身的限制，住宅平面布局多为封闭式的小开间，不能适应不断变化的居住模式的要求。与传统住宅相比，多层轻钢住宅具有明显的特点与优势，日益受到重视。(1)自重轻，抗震性能好。采用高效轻型薄壁型材，构件截面特性优良，相对承载力高，受力性能良好，整体刚度大，抗震性能好，可以大量节约材料，减轻结构重量，降低基础，运输和安装费用。因此，对地震区，地质条件差和运输不便的地区，其优越性更为明显。(2)外形美观，建筑造型简洁，丰富，构件截面尺寸小，净使用面积增加。钢材强度高，可以提供较大的柱网布置；当考虑楼板的组合作用，使用组合梁或扁梁时，可以增加净高。这种开放式住宅既为建筑师提供设计的回旋余地，又为住户提供了灵活分隔室内空间的可能。(3)供货迅速，安装方便，可以比混凝土结构至少缩短一半工期。在当前贷款利率高的金融形式下，早投产，早回收投资，这对于降低工程总造价，增加投资效益幅度是十分重要的。便预迈(4芒)饿干法施工贪，装备化匪程度高，迈建设快速宅，高效，萝质量有保字证愈。健志否较(5遥)侮轻钢结构能在生产和冬使用的过揭程中能源巩与原材料沟消耗低，泼建筑垃圾摔少，粉尘涉少，噪音懒低，具有招很高的可熟重复使用烫性和可循状环性，因蒜此是一种锤绿色环保渡结构柏。壤钟然烂3抗.婆多层轻钢湿住宅的体木系与结构扯特点颜筑也3.茫1零抗侧力结扛构体呜系味溜主要逼应用于多资层轻钢住草宅的体系派可分为：称纯钢框架拾体系，框摄架－支撑葬体系，钢惹框架－混津凝土剪力嫌墙体系，评周围抗侧误力体系等峰。晃遭筛搏(1泉)清纯框架体兽系常用串于献4搂～驻8贱层住宅。边它主要由步宽翼缘泼的掌H尼型或箱形兆柱和工字术型梁组成翠，亦可采踢用热夜轧扮H出型钢。这抢种体系具砍有较为灵梨活的空间水布局，但宋侧向刚度蔑较弱。相联对于框架韵－支撑体计系，用钢困量较大。难纯框架体表系多采用凳双向刚接仓，这样可灿以加大结煌构自身的蛇侧移刚度汪，减少抗寇侧移构件剥内力，加视强耗能机牢制，提高宰建筑物的诊延性。但复节点形式皇较为复杂帮。由于建珍筑美观的烂要求，端云板连接不塘宜于多层健轻钢住宅求。随巩魂位(2热)睬框架－支寨撑体系主沙要由焊接皱工字型梁挪柱组成。热多数情况户下，这种拣体系为横老向承重。垦梁柱节点捷在横向上杯，为刚接休；纵向为抢铰接。因董此，结构樱在纵向相班当于排架轰，抗侧移钻刚度很低狐，需设置悲侧向支撑澡抵抗水平障荷载，限年制结构的勺水平变形略。支撑可两用槽钢，造角钢或圆自钢杆，具杀体形式可殃结合建筑烫立面或门旨窗洞口需废要采用单映斜杆勉、门X朗型榴、肤K暮型或偏心默支撑。单磁斜杆简单很明快，但拖必须设置耳两组不同泽倾斜支撑暮，以保证涌结构在两醉个方向具桐有同样抗辱侧力能力胞。帮X蹄型支撑具顷有很好的荐侧向刚度层，但是交词叉点处的败细部构造箭比较复杂薪。偏心支启撑具有非仇常好的抗火震耗能效才果。它的歪工作原理赶是：在中存、小地震春作用下，谨支撑提供帆主要的抗熔侧力刚度台，与中心蛮支撑相似搭；其在大地震畅作用下，荒保证支撑劲不发生受石压屈曲，防而让耗能桂梁段屈服柱消耗能量运。它是专姿为宽抗震设计浆提供的支遵撑形式铅。撕而米横(3饶)孝框架－钢荣筋混凝土恼剪力墙（馆筒）体系仿。用钢筋岁混凝土剪扭力墙部分逮或全部代朽替钢支撑走，就形成讯了框架－熟钢筋混凝碎土剪力墙依（筒）体伸系。它适害用于小高姨层住宅。粥一般将楼从梯或电梯歌间设计成赠钢筋混凝惰土墙（筒连）。这样秃即有效的馆加强了建双筑物的侧外向刚度，捕又解决了葛楼梯间的养防火问题关。如果结漂构刚心偏紧移过大，杀出现扭转台的问题，晨可在适当继部位设置凶钢支撑确。宗蚁勺疤(4来)坟周围抗侧落力体系。刃这种体系罪在欧美国常家的商业遣和民用建秒筑中十分屠流行。它竞的特点是窗刚架柱强所轴与其相蒸交的建筑天轴线垂直崇，形成外蒸筒，抵抗毅水平荷载威，将之传倘递到基础惠。它适用符于建筑外露型接近于漠正方型的撤结构。可奋以将这种夫思路应用庙到框架－懂支撑体系阔中。把纵逢向的支撑局去掉，将粘原有位置拴的刚架柱叉扭选转嫩9季0纪度，梁柱跳由铰接变孟为刚接。板这样，刚债架柱同时远起到抗风块柱与竖向洽支撑的作置用跌。浇临对于苏多层轻钢胖民用住宅励体系的选怪择，不必销拘泥于某昼一种特定滤的体系。远可以根据垃建筑平面根设计的要活求，灵活散处理，综灰合使用不血同的抗侧昆力体系拔。拒析照悄3.2煌刊楼面屋盖伍结构职楼面慈和屋盖必祝须有足够桑的强度，喷刚度和稳琴定性，同添时应当尽披量减少楼卧板厚度，旅增加室内折净高。压布型钢板－档混凝土组掀合楼盖是下目前应用逗较为广泛后的形式。扇它具有施握工速度快常，平面刚甚度大，增粉加房屋净视高的优点弄。具体做桨法是在钢挺梁上铺设石压型钢板马，再现挡浇姥10荷0趣～岩150m喜m糟混凝土。肠在钢梁上朝焊接足够耐的剪力连塑接件，使坡钢梁与混逐凝土协同诱工作构成拔组合楼盖告。这种做粥法耗钢量央较大，且简需防火处祝理。可以须用预应力烛钢筋混凝串土薄板取毕代压型钢联板。此外孙，预应力颈圆孔板、验迭合板、杀组合扁梁招也是常用尘形式萍。白贱寿梦3.3绕普墙体结温构糠缺各种乡轻质墙体效材料以其甜良好的保武温、隔热雕、隔声性秒能受到开量发商的青伪睐。目前远，墙体主仔要分为自咽承重式和躬非自承重主式。自承袄重墙体主帽要包括用采于外围护脏结构果的加气混征凝土块、耗太空板、抚轻钢龙骨搏加强板等严，以及用冤于内墙的锋轻混凝土挨板、石膏息板、水泥毕刨花板、抚稻草板等迹。外挂的命非自承重尝式墙体材穴料主要有骡彩色压型雾钢板、彩柱色压型钢蝶夹芯板、音玻璃纤维家增强外墙踩板等。采兼用非自承纳重式墙体言材料，需发设置墙梁批用以悬挂熄外围护结猜构。门窗沈洞口上下江要布置。妖墙梁多采希用许C灵或杠Z院型冷弯薄愈壁型钢，处尺寸取决展于跨度（游刚架间距疲）和墙距荐（板跨）挺。哄刚读凶3.4甩惜多层轻钢毯住宅的防就火耳蹈钢材朵属于不耐阁火材料，栗温度疑为轨400僵°辞C疫时，钢材膝的屈服强浪度将降为广常温的一茂半，温度班达泽到拉600负°啦C机时，钢材段基本丧失匆全部强度裤和刚度。公所以，钢捞结构不仅康要进行结环构的抗火缘设计，还宴要采用防荒火措施保萝护。目前煮常用的防班火措施有航以下四种抹方去法功(1歌)帮防火涂料森法。将具浪有一定厚睡度的防火帐涂料直接叫喷在钢结肆构构件上怕。防火涂摘料主要两简类：涂扑层栽8阵～璃50m顷m蓝，粒状表郊面，密度垄较小，耐订火极歼限政1木～甜3暑h渡的为厚涂列型防火隔峰热材料；牌涂古层稳3赤～留7m糕m施，遇火膨史胀增厚，火耐火极穗限痰0.1括5满～沃2个h颈的为薄涂区型防火隔羞热材料。俩喷涂法造配价较低，识操作简便栗，施工速高度快，但孩是构件表活面不平整辆，影响美月观。垮（疫2溉）隔离法旅。将防火搭材料或防梳火砖沿构缴件的外围轨，将构件刷包裹，与陵外界隔离聚。这种方圈法美观，打无污染，惑但施工速巡度较慢，歉适用于外科露的构件鞋。错（屠3沟）实心包锣裹法。将袄钢构件浇费注到混凝挂土中。晕（渣4配）膨胀漆瞎覆盖法。香将具有一晒定厚度的协膨胀漆喷奇涂、抹、凶刷在经过纱处理的构忧件表面。燥抗火极限咱最高裙达势2润h哲。覆盖法腥施工容易妙，但不适耽用于潮湿史的环境，处仅适用于居干燥的室签内冠。机嫁渐均4.换灾工程实搜例友依伟时4.1赔强工程背景刘介捎绍攻彼某示堡范楼建筑茂面购积磁4665飞m叠2需，端5疲层纯钢框腥架结构，杏长亿67喂m盐，谦宽评13.5炎m辟，层呢高茶3素m元。焊接工侍字形梁，咐纵横双向加刚奥接炸H包形柱。楼民面活荷载寒为痰2.0k拳N/m务2葡，屋面活芽荷朱载岂0.3k夕N/m驱2趣，轻型屋菌面恒荷涝载丘0.3k肢N/m鼻2喝；基本风切压兴0.25律kN/违m冲2仓；设计地堤震烈度受为伍7斤度，哪Ⅱ奖类场地。裹屋面为冷幸弯薄鼓壁敌C根型檩条铺脱双层镀锌状压型钢板伤夹剩100m渴m婚厚保温棉软屋面系统律，外墙采获用瞒200m再m渡厚陶粒混鸽凝土空心扒砌体墙，摇分户墙跳为反180m虫m受厚菱镁土崇板，户内副隔墙捞为肌90m锄m璃厚菱镁土积板。条型霜基追础润,原柱与基础住为刚接北。迷术示范漠楼共有四墓个居住单餐元，两种捐建筑平面复布置形式治，建筑面牛积分别声为蜻143夸M则2患，设102炒M份2夫。一单元脉为大两室驴两厅，二笋、三、四抵单元为小域两室两厅缓。一单元损的大客厅跳使用了组读合扁梁，拖从而实现速了梁与楼截盖的一体挎化，减少孙了结构层功高。对于寇正常极限还状态下的合组合扁梁江，将钢和巡混凝土两片种材料组蹲成的组合设梁截面换喝算成同一倦种材料的次截面，再色按照弹性她理论计算土。为了楼怖板的放置仙，扁梁的篮下翼缘一流般较宽，纯需验算施摇工时产生钳的偏心荷券载。为了桥减少设计歼工作量，叫通常把扭击矩简化为尸已对大小捞相等、方掘向相反的批力分别作悦用于扁梁炉的上下翼处缘。详细板分析方法丢见文献执。闷耳梁揭4服.淋２雷害计算方法恨与基本要烛求欧秘对于芬多层轻钢盖住宅，尽彩管采用单致向板，但胞由于纵横木向均有墙箱体荷载分刷布，宜采义用三维空视间计算模朱型。本工编程采用的搁是普通楼颜板，不考篮虑楼盖对牺钢架梁刚横度增大的移作用，忽粱略楼板的仪空间联系猴作用，空色间模型为盟纯框架结坝构。计算条分析是采敲用有限元鸭分析软总件器ANSY椒S反完成。在习结构计算峡中采用三罩维梁单元米，质量单译元计算结保构自振周拌期以及静拿力分析。零相对于工浩业建筑而肺言，多层钻民用建筑氏的荷载工集况简单明印了。主要孕考虑以下筒三种工况题：禾航工况一感：衰1.2礼×扮恒载标准拍值傻＋佩1.4截×扭活荷载标涨准骡值找饺工况二渡：滥1.2撞×土恒载标准坛值撤＋页0.85缸×1.4桑×届（风荷载逝＋活荷载素）标准陡值揭惰工况三抗：柴1.2喂×妙重力代表蚂值蜓＋既1.3俘×砌水平地震向作用标准歌值伐伙对于多层略轻钢住宅关地震荷载哑计算，由吧于楼层较冠低，结构奋布置对称宇，采用底付部剪力法荡就可满足食要求个。衫丸多层轻钢饮住宅侧向涂位移具体麻要求如近下廊:涝柄装(1搂)伯在风荷载丙作用下的懂顶点水平北位移与总贩高度之比肌不宜大谱于尾1/50价0版。举板谜糕(2拴)叠层间相对慰位移与层看高之比不崇宜大蓝于既1/40晨0漫。笛奶斜冶(3艳)蛇在常遇地秀震作用下面，层间侧描移不超过桃楼层高叛度涝1/25淡0染。答尾对于房多层轻钢汉住尤宅幸,飞还要满足狠刚架柱构别件稳定性明与钢框架盛的整体稳燥定性要求眨。货佣表历2宗稿两种方案塘（空间模针型）比炒较欠金柱截吃面谱（瑞m梅m碑）唤摄柱用钢才量劝(t)胶灶单位用量议（误kg/m敏2戒）纵向主喇自振周腔期俊(s)徒淹地震作用榨下纵向最顺大层间位皮移晒页横向主自希振周期邪（芦s柿）江欺地震作用呈下横向最困大层间位缺移拉(驼mm)枪方案奴一析300群x300旗x12x辅892冶.91愤51.9遥61.册657绑1/42拦61.趴232孕1/63荒3项方案闸二染300迫x300柄x10x地101吐14.5踪557邪.46双1.14钻01/把700面1.23纤11/誓632盖方案比被较伟梢节档省馋1患9就％出励节促省不9.胞6宏％洋非基本相杂同渗押4恨.第３肢怎计算分霉析返剩由于南活荷载与岸基本风压增较小，所挤以工况三邻为控制工症况。计算殖设计时将潮两种方案荐进行了比侧较，不改纽变刚架梁虎的截面形朝式，只对召刚架柱进芽行改动。悬方案一，签刚架柱为善工字形；艇方案二，蛛刚架柱为娇箱形。绿表醋2裤给出两种珍方案空间具模型的主偷要计算结兰果，可得好到以下结苹论休：纽桐混纱(1夏)廉两种方案糠的刚架柱叫在强轴方号向惯性矩纽相同，即杠在横向结锣构的刚度椒相同，因露此横向主毅自振周期婚以及地震唤作用延下棕(2去)玻本工程长遭宽碑比晃5馒，纵横双脏向刚接，避因此