徐珂:建筑结构设计 建筑结构 一个普通结构工程师的建筑结构设计博客

早年写的一篇唐山钢结构试验住宅设计总结

                                    多层钢结构住宅设计

摘要:    本文着重介绍了********设计的唐山钢结构试验住宅小区工程概况、结构体系、节点设计及其他技术指标。
关键词:H形钢 钢框架-支撑体系
一、 工程概况
唐山钢结构试验住宅小区位于唐山市裕华道,占地17599m2,总建筑面积约为12480m2。住宅分别有D1、SD1、T3F、T5F等四种类型15栋,每栋住宅均设一2.2米层高半地下室;小区内设一栋会所,经营超市、餐饮、娱乐。
该小区由新加坡****特许建筑师主持设计,*******负责结构部分设计。在承担此项任务前,结构人员被要求1、主体结构需采用钢结构;2、在已有的建筑布局下布置结构体系。设计工作开始于2001年8月,每种住宅设计周期10天,会所设计周期20天;工程于2001年9月开工,至2001年底,除会所因冬施影响,住宅主体结构均已完成。
小区所在位置基本风压值为0.35kN/m2,抗震设防烈度为八度,结构抗震等级为二级;基础落在粉土层,Ⅱ类场地,无液化趋势。
小区建筑属丙类建筑,防火等级二级,设计采用厚质防火涂料,耐火时间2.0小时以上。
二、地下结构设计
 本小区建筑物均设半地下室,柱下基础采用独立柱基,基础底标高在同一标高上;基础间设200厚抗水板,板底与独立柱基底相同,这样利于建筑防水施工。因地下室的影响,不能在所有独立柱基间设基础联系梁,结构计算中,将可布置的基础联系梁作为一层框架梁参加整体计算;对地下室内没有联系梁的基础根据其受力、覆土情况单独计算。
根据建筑立面要求,柱下独立基础不能露出半地下室外墙,钢柱需深入地下室1.2m与基础短柱相连,设计中要求钢柱预先焊好φ10-200拉接筋,现场施工时与墙体分布筋绑扎,浇筑砼时,外墙包住钢柱,这样保证了外墙整体性,对钢柱受力有一定好处。
      钢柱与基础短柱连接分两种,住宅部分采用短柱上预埋螺栓连接,会所采用短柱预留杯口连接。前者施工相对简便,但需对柱脚进行安装后处理;后者结构传力明确,短柱顶面如无特殊要求可直接位于地平处。
三、结构设计
住宅部分采用钢框架-支撑体系,梁柱均采用H形钢,支撑采用角钢,计算中仅考虑其受拉作用,支撑一般布置在建筑分户隔墙内,不影响住户使用,支撑布置上下贯通,并至柱脚处;会所采用钢框架结构,因建筑布局较为新颖,钢柱采用圆钢管与H型钢结合布置,以方便钢梁多角度布局。下面以其中T5F型住宅作介绍:
       T5F型住宅地上共7层,H型钢柱弱轴位于建筑物横向,从首层至六层在建筑分户墙处设弱轴角钢支撑,钢柱强轴位于建筑物纵向;在受力分析中,横向上支撑为主要抗侧力体系,纵向上钢框架柱为主要抗侧力体系,这样也解决了纵向不能设支撑的问题;框架梁柱采用Q235-BF钢,底层钢柱断面主要采用H300X250X10X14和H350X300X10X16,其中后一种用于建筑南侧悬挑阳台处,该阳台悬挑2.6m,在结构整体分析时,发现其应力过大,通过断面受力分析及手工计算发现,该柱节点应力超标,特将此排钢柱放大。框架梁柱采用栓焊刚接;支撑与主体连接采用预先焊好连接板,现场普通螺栓安装定位,工地焊缝连接。各层楼板为现浇混凝土楼板,楼板与钢梁间设抗剪栓钉,使水平力得以有效传递,这里未采用常见的压型钢板现浇楼板,主要考虑:一是压型钢板楼面为单向受力,板厚较大,在局部悬挑时有方向限制;二是从经济造价上考虑;三是压型钢板楼面需做建筑吊顶装饰,对层高有较大影响;屋面采用泰柏板,因屋面坡度较大,檩条一般为顺坡布置。建筑墙体为成型板材,现场切割,在楼板处采用膨胀螺栓连接。
             T5F型住宅设计用钢指标(不包括楼板配筋)为67.5kg/m2
 本工程结构计算采用中国建筑科学研究院PKPM系列软件以及美国REI(STAAD-CHINA)软件,REI软件可进行美国AISC规范中构件检验,计算结果如下:
1、自振周期
PKPM(TAT-8)                       1.2065秒
2、结构位移


         项次
工况
PKPM软件
层间位移
PKPM软件
顶部位移
STAAD-CHINA软件
顶部位移
地震
X向
1/419
1/731
1/606
Y向
1/771
1/867
1/630
风荷载
X向
1/3194
1/5143
1/5533
Y向
1/826
1/1322
1/5930


四、节点设计
  本工程的节点、构件设计尽量做到简单统一,使加工厂细化工作量减少且保证施工质量。
1、梁柱栓焊节点(见图-1)
在钢柱强轴梁下设一角钢L63X6代替一般t=6焊缝垫板,此角钢被要求在加工厂内预先U型角焊缝焊好,在现场安装时做为钢梁的支承点,可防止钢梁将焊缝垫板撞坏;现场安装焊接完毕后,要求钢梁下翼缘与角钢用6mm角焊缝焊接,防止地震作用时钢梁下翼缘与钢柱焊缝出现裂纹。钢柱栓剪连接板与梁的连接设置两列高强螺栓,增加节点的抗弯承载力。
2、梁托柱节点(见图-2)
本次设计中,因建筑上部平面与下部平面不对应,结构上不得不设计梁托柱方案,设计时主要遵循下面几个原则,首先上层钢柱强轴与下层贯通钢梁方向一致,弱轴方向设下层铰接次梁,梁上设抗剪栓钉,现浇混凝土楼板,从整体上保证柱脚强度及稳定性;其次计算中尽量减小该钢柱断面尺寸,使其在该楼层中分担较小水平力;另外柱下钢梁在设计中,弯矩剪力设计值按放大1.5倍考虑。
3、结构降板
根据建筑专业要求,局部需结构降板,我们采用两种方法:一种是在钢梁腹板相应高度设焊接角钢作为降板的支承点,此方法用于降板高差较大时,计算中需考虑钢梁偏心受力影响,设计上通过加设次梁或根据计算设加劲肋来保证钢梁稳定性;二是降板高差不大时,如卫生间楼板面积较小采用h=80mm厚薄板,周边楼板采用正常板厚如h=120mm,二者相差40mm可满足建筑要求;两种方法均可保证每层钢梁均在同一标高上,对梁柱节点没有影响。
               
                                           
五、 建筑设计
结构设计中将外柱比楼板内退5cm,这样外墙装饰板在钢柱处通过不中断,外墙装饰板选用蒸压轻质加气混凝土条板,内墙装饰板选用轻钢龙骨石膏板,内填聚苯保温层;内隔墙全部为轻钢龙骨双面双层石膏板墙;所有结构用柱间支撑均包在两层板间。
六、设计后思考
  现在全国各地都在积极开展钢结构住宅试验工程,以期获得更好的社会经济效益。我中心在近几年也设计了一批钢结构住宅项目,有经验也有教训,我们认为推广钢结构住宅:
1、对钢结构应有正确的认识,钢结构住宅不是新发明、新创造,它同砌体、混凝土一样仅仅是一种结构支撑体系,做实验工程应该探索钢结构住宅合理使用范围;
2、应根据钢结构的特点来设计住宅,在进行建筑方案设计时就应考虑结构布置,使结构体系安全合理。
3、建筑物在平立面布置上部已有过大凹进和挑出。本设计阳台挑处宽度2.6米,对柱受力不利。
4、在结构体系方面,刚接体系不利于控制现场施工进度及质量;支撑-铰接体系中过多布置支撑会影响建筑使用功能;框架-剪力墙虽有利于钢材经济指标,但竖向湿作业过多;这些缺点对钢结构住宅是不利的。
5、钢结构优势在于适宜采用大柱网布局、施工进度快、钢材可回收利于环保、采用轻型建材减轻结构总体质量、地震破坏后加固工作容易实现等等。

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发布: 徐珂建筑结构设计 分类: 发表结构论文 评论: 0 浏览: 480
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