多层钢结构学生公寓结构设计.docx
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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。
图1组合平面
图2计算单元平面
图3结构计算模型消隐图
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):
X向
Y向
T1
0.3845
0.2985
T2
0.1118
0.0721
T3
0.0572
0.0344
T4
0.0403
0.0229
T5
0.0309
0.0182
T6
0.0281
0.0189
(2).地震作用下位移角:
X向
Y向
规范要求允许值
层间位移(最大值)
1/1967
1/2987
1/800
顶点位移
1/2365
1/3883
―
可见满足规范要求(风荷载不控制,因此未列出)。
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。
图4梁与柱强轴连接节点
(一)
图4a梁与柱强轴连接节点
(二)
图5梁与柱弱轴连接节点
(2)框架梁与筒体连接节点(图6)
考虑先安装钢结构后浇筑楼板及筒体混凝土的施工顺序,因此在筒体有关部位设置一些工作件,使钢结构能够先立起来;我们采用的工作件主要为:
●H型钢柱,即支撑钢结构自重、混凝土自重及临时施工荷载;
●双槽钢梁,即支撑楼板混凝土自重及临时施工荷载;双槽钢梁设置在筒体两侧,目的是钢结构安装完成后仍能浇筑混凝土;
●其它梁柱连接板等。
梁与筒体(钢柱工作件)连接设计成铰接。
图6框架梁与筒体连接节点
(一)
图6a框架梁与筒体连接节点
(二)
(3)柱脚节点(图7)
由于这个结构体系的受力特性,筒体承担了绝大多数的地震力,底层框架钢柱受到的力基本上只是轴向力,因此,考虑安装便利、降低用钢量、地下钢柱防腐等因素,柱脚设计成外包式刚性柱脚。
图7柱脚节点
(4)楼板设计
由于建筑楼板隔音的需要,设置了一层轻钢龙骨石膏板吊顶,并考虑加快施工进度的要求,本工程采用普通压型钢板上浇混凝土楼板,楼板与钢梁设置抗剪焊钉,使水平力得到有效传递,并加强了钢梁的整体稳定。
压型钢板由1mm厚镀锌卷板压型,波高76mm,波距344mm,作模板使用在连续板条件下跨度可达3.9m无须支撑。
(5)填充墙
建筑墙体的选用坚持就地取材、方便施工、降低成本、满足隔热隔声等原则,本工程外墙仍采用目前很成熟的加气混凝土砌块墙体,根据装修需要并防止墙体开裂,墙外满挂钢板网片,并采用专用介面剂;内墙则主要采用两道轻钢龙骨交错排列四层石膏板墙。
4.钢结构防火
本工程耐火等级二级,钢框架构件的耐火时间为柱2.5小时,梁1.5小时,我们在设计中采用砌体包覆或涂防火涂料的办法来处理,通过计算及试验可满足要求;楼板压型钢板只做模板使用,不做防火处理。
5.经济性分析
通过计算,本学生公寓钢结构用钢量为37kg/㎡,楼板、筒体(不含基础)钢筋用量18kg/㎡,是目前国内钢结构居住建筑用钢量最低的。
钢结构居住建筑在工厂完成的预制量较大,构件及材料总订货价较其它结构高,而现场发生的物料量、运输量和人工量大大减少,其减少又引起实际发生的管理成本降低,但目前习用的造价计算办法不能区分这一情况,按定额取费方法计算钢结构住宅造价会高于其它结构类型。
实际上在同等利润的情况下,以本工程为例,在北京地区其造价可以与多层内浇外砌、异型柱框架填充墙及全砌块结构等体系大体持平。
6.结语
在以上论述中可以看出,本多层学生公寓楼钢结构方案是在技术上可行的,同理,可以推广应用于多层钢结构住宅。
本工程中钢柱应力较小,经试算,在钢结构截面不变的情况下,可以做到7层,筒体混凝土强度等级、数量相应增加。
在综合造价上与常规的混凝土结构大体持平,但钢结构特点有着其独特的优越性,本结构体系很有推广价值。
通过我公司几年来不懈努力,前后设计完成了钢结构公寓楼、钢结构住宅、别墅等多项居住建筑工程,取得了一些成果及宝贵的经验,并逐步进入大规模推广阶段。
参考文献:
1、高层民用建筑钢结构技术规程(JGJ99-98)中国建筑工业出版社1998
2、高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2002)中国建筑工业出版社2002
3、建筑抗震设计规范(GB50011-2001)中国建筑工业出版社2001
4、热轧H型钢设计应用手册柴昶中国计划出版社1998
5、钢结构住宅建筑设计技术规程-征求意见稿
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