钢结构住宅设计中应注意的问题.

钢结构住宅设计中应注意的问题发表日期:2010-12-30兰格钢铁我要评论一般规定1.钢结构,有低层和多层之分。低层一般不超过3层,用于别墅;多层用于公寓。本文介绍多层公寓住宅钢结构设计中一些问题。2.超过9层为高层。10-12层又称小高层。抗震规范GB50011对12层以下和12层以上的房屋提出不同要求。住宅钢结构一般不宜超过12层。3.结构抗震性能与结构布置规则性有很大关系。结构布置不规则,地震时易损坏,而且除弹性设计外还要作弹塑性层间位移验算。因此应尽量使结构布置符合规则性要求。4.住宅钢结构的平面布置应力求规则、对称。住宅钢结构常见的布置不规则,主要是平面不规则。如平面形状不规则,L形等,特别是支撑剪力墙偏置,明显不对称等。若楼层的最大弹性水平位移超过质心水平位移的1.2倍就属于平面不规则此时需对支撑剪力墙的配置进行调整。结构体系选择1.5-6层以下的,可采用框架体系或框架-支撑体系,6层以上的可采用框架支撑体系或框架-混凝土剪力墙(核心筒体系。多层房屋大多采用双重体系。2.框架柱有H型钢柱,钢管砼柱和钢骨砼柱,后两种为组合柱。在小高层中,组合柱比H型钢柱省钢。3.剪力墙比钢支撑的延性低,在大震时延性低的地震力大,延性好的地震力小,从抗大震的性能来说,钢支撑比砼剪力墙好。4.钢框架-砼剪力墙体系属混合结构,对它的抗震性能目前研究还不够,未列入抗震规范,虽然现在应用较多,选用时应慎重。核心筒宜用小钢柱加强,也有利于安装。楼板要求1.楼板除了承受竖向荷载并将它传给框架外,还将水平力传到各个柱上,因此楼板平面内的刚度、整体性和承载力也很重要。作为建筑要求,住宅楼板还应能隔音。2.现在用得较多的是压型钢板组合楼板,叠合板加现浇层,现浇楼板等。这几种楼板的整体性都很好。钢梁宜形成组合梁,梁上要设置栓钉。3.预制板中应设预埋件,与钢梁焊接。4.在强震区或重要建筑,柱周边宜设置钢筋和箍筋,以免楼板在水平力下被柱子压坏。抗震计算的基本要求1.对双重体系,框架部分独立承担的水平力不应少于结构底部剪力的25%。其目的是检验框架作为抗震二道防线是否满足要求。检验方法是忽略支撑或剪力墙进行,仅对框架部分进行验算。有的单元式住宅柱子很少,用隔墙支撑钢梁,往往不满足此项要求。2.验算是否符合强柱弱梁,这关系到结构倒塌机制,很重要。3.框架柱长细比应符合规定。4.验算节点域的稳定性、强度和屈服条件。节点和支撑构造要求1.节点设计应符合抗震规范和《高钢规程》的要求。2.柱通过小悬臂与梁拼接,可以绕过梁柱直接连接的构造困难,这是一个好办法。此时梁拼接大多采用翼缘焊接腹板拼接,也可采用全截面螺栓连接。在以上拼接中,腹板拼接要考虑弯矩。3.翼缘的坡口全熔透焊缝,要求用一级焊缝以确保焊接质量。有的标准规定压力容器才用一级焊缝。这是一种误解。压力容器很重要,梁翼缘与柱连接同样很重要,不能用二级。4.梁与钢管砼柱的刚性连接,现在用外加劲肋和内隔板的都有,都是可以的。但要注意钢管壁板与隔板或环板的厚度匹配。5.7层以上时,框架-支撑体系中的框架梁柱应刚性连接。6.支撑与钢管砼连接时,不应将节点板焊在钢管管壁上,以防管壁拉开。7.不应在钢管支撑内灌砼,对抗震不利。8.12层以下可以不设地下室,但此时柱脚的计算反力要加大,严格说来要做到承受大震时的反力而不破坏。6、7度区允许采用外包式柱脚,但8度及以上时应采用埋入式柱脚。不允许用铰接柱脚。附:对框架结构的一般说明1.房屋既要承受竖向荷载,又要承受水平力。承受竖向荷载靠梁、柱,承受水平靠抗侧力构件。2.高层建筑结构的特点是,结构受水平位移控制,结构设计主要使水平位移不超过控制值。3.在住宅钢结构中,抗侧力结构主要有三种:钢架、支撑框架、剪力墙。4.住宅钢结构常用的结构体系是:钢架(纯框架、框架-支撑,框架-剪力墙。5.这里的″框架″都是指节点钢接的框架。严格说来,框架包含钢接和铰接框架,习惯叫法框架是指钢接的,铰接时则称为铰接框架。6.纯框架体系最简单,它的延性好,抗震性能也是最好的(26层的北京长富宫饭店就采用纯框架。它的缺点是用钢较多。但对多层建筑特别是两个方向开间较多的,纯框架用钢并不多。在日本60米以下的钢结构大部分采用这种体系。7.框架-支撑和框架-剪力墙是最常用的。它们都是双重抗侧力体系。在地震区,要求用双重抗侧力体系。不宜采用铰接框架加支撑(或剪力墙。在非抗震区,可以用铰接框架加支撑或剪力墙。在强震区结延性很重要。混凝土剪力墙的性能不如支撑框架。ALC板的主要性能:1、轻质:比重为0.5,为混凝土的1/5,空心砖的1/3。减轻建筑的自重,减少了经济投入,提高了施工质量。2、隔热性:导热系数为:0.11W/mk。3、耐火性:耐火极限达到4小时。4、隔音性:有隔音与吸音双重性能。5、承载能力和抗震性能优越。6、绿色环保,无放射性。ALC板的施工安装便捷,板材完全机械化生产,精度高,可按现场需要切割成任何形状,施工工艺简单,劳动强度低,解决了传统的砌块施工中的一系列施工质量问题,施工工期可可缩短三分之一,大大提高了施工效率。6、高层住宅钢结构体系节能采暖方式的研究;(四结构分析目前钢结构实际设计中,结构分析通常为线弹性分析,条件允许时考虑p-Δ,p-δ。新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能。这为更精确的分析结构提供了条件。并不是所有的结构都需要使用软件:典型结构可查力学手册之类的工具书直接获得内力和变形。简单结构通过手算进行分析。复杂结构才需要建模运行程序并做详细的结构分析。(五工程判定要正确使用结构软件,还应对其输出结果的做“工程判定”。比如,评估各向周期、总剪力、变形特征等。根据“工程判定”选择修改模型重新分析,还是修正计算结果。不同的软件会有不同的适用条件。初学者应充分明了。此外,工程设计中的计算和精确的力学计算本身常有一定距离,为了获得实用的设计方法,有时会用误差较大的假定,但对这种误差,会通过适用条件、概念及构造的方式来保证结构的安全。钢结构设计中,“适用条件、概念及构造”是比定量计算更重要的内容。工程师们不应该过分信任与依赖结构软件。美国一位学者曾警告说:“误用计算机造成结构破坏而引起灾难只是一个时间的问题。”注重概念设计和工程判定是避免这种工程灾难的方法。(六构件设计构件的设计首先是材料的选择。比较常用的是q235(类似a3和q345(类似16mn。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。经济考虑,也可以选择不同强度钢材的组合截面。当强度起控制作用时,可选择q345;稳定控制时,宜使用q235。构件设计中,现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面。这和结构内力计算的弹性方法并不匹配。当前的结构软件,都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步,一些软件可以将验算时不通过的构件,从给定的截面库里选择加大一级。并自动重新分析验算,直至通过,如sap2000等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了结构师的很多工作量。但是,初学钢至少应注意两点:1、软件在做构件(主要是柱的截面验算时,计算长度系数的取定有时会不符合规范的规定。目前所有的程序都不能完全解决这个问题。所以,尤其对于节点连接情况复杂或变截面的构件,结构师应该逐个检查。2、当上面第(三条中预估的截面不满足时,加大截面应该分两种情况区别对待。(1强度不满足,通常加大组成截面的板件厚度,其中,抗弯不满足加大翼缘厚度,抗剪不满足加大腹板厚度。(2变形超限,通常不应加大板件厚度,而应考虑加大截面的高度,否则,会很不经济。使用软件的前述自动加大截面的优化设计功能,很难考虑上述强度与刚度的区分,实际上,常常并不合适。(七节点设计连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一。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。常用的参考书[2]有丰富的推荐的节点做法及计算公式。连接的不同对结构影响甚大。比如,有的刚接节点虽然承受弯矩没有问题,但会产生较大转动,不符合结构分析中的假定。会导致实际工程变形大于计算数据等的不利结果。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[2]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: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。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。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、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。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。6、节点设计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。(八图纸编制钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段,设计图为设计单位提供,施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制,有时也会由设计单位代为编制。由于近年钢结构项目增多和设计院钢结构工程师缺乏的矛盾,有设计能力的钢结构公司参与设计图编制的情况也很普遍。1、设计图:是提供制造厂编制施工详图的依据。深度及内容应完整但不冗余。在设计图中,对于设计依据、荷载资料(包括地震作用、技术数据、材料选用及材质要求、设计要求(包括制造和安装、焊缝质量检验的等级、涂装及运输等、结构布置、构件截面选用以及结构的主要节点构造等均应表示清楚,以利于施工详图的顺利编制,并能正确体现设计的意图。主要材料应列表表示。2、施工详图:又称加工图或放样图等。深度须能满足车间直接制造加工。不完全相同的另构件单元须单独绘制表达,并应附有详尽的材料表。设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度的控制,目前比较混乱,各个设计单位之间及其与钢结构公司之间不尽相同。初学者可参考他人的优秀设计并参考相关的工具书[3],并依据规范规定编制。我们在以往的工程检查中,所发现钢结构制作、安装存在一些常见多发性通病,其主要表现在以下几个方面:一、对设计图纸的会审不到位施工单位的职责是按图施工,但施工单位也有责任在施工前应对施工图进行工艺性会审,对出现在设计图纸中不完善、不明确或不适合施工、不符合规范的方面提出来(特别是对强制性条文以期与设计单位商讨修改。如果不将发现的问题提出来,那么工程在施工过程和验收方面就带来困难,施工质量也难以得到保证,造成隐患。我们检查工程质量中,发现设计图纸中经常出现以下一些问题:第一、设计图纸应用规范不齐全、不正确。如有的设计说明使用了过时的、已经废止的标准;有的材料牌号、等级不全、高强螺栓、普通螺栓和焊接连接点的标记不明确或未显示。对各类高强螺栓、普通螺栓、栓钉、拉铆钉及其垫圈的规格、型号、性能没有具体标明,而这些均已列入了钢结构施工质量验收规范,并作为强制性条文要求,如果设计图纸未加说明,施工和验收就缺乏依据,造成盲目施工和无法验收后果。第二、设计总说明未写明工程的安全等级和使用年限。工程的安全等级不同,对焊接等施工检查要求也不同。安全等级为一级的,一、