輕鋼結(jié)構(gòu)住宅框架結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)

【關(guān)鍵詞】輕鋼結(jié)構(gòu)；住宅；框架結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì) 

　　一、前言 

　　隨著建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的進(jìn)步，輕鋼結(jié)構(gòu)住宅框架結(jié)構(gòu)越來越流行，成為了當(dāng)前建筑行業(yè)廣泛使用的一種建筑結(jié)構(gòu)體系。為了提高輕鋼結(jié)構(gòu)住宅框架結(jié)構(gòu)使用效果，必須要分析其設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。 

　　二、鋼框架結(jié)構(gòu)體系 

　　鋼框架體系的主要受力構(gòu)件是框架梁、框架柱，它們通過鋼接共同抵抗豎向荷載和水平荷載�？蚣芄�(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)整體性的關(guān)鍵部位，許多震害表明節(jié)點(diǎn)往往是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的薄弱環(huán)節(jié)，框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度小，屬于柔性結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)震作用下，由于彈塑性變形所產(chǎn)生的水平位移較大，框架結(jié)構(gòu)的自振周期長，自重小，地震荷載作用小，對抗震有利。但另一方面，高層框架由于側(cè)向剛度小，在強(qiáng)震作用下的頂端水平位移和層間水平位移都過大，導(dǎo)致非結(jié)構(gòu)構(gòu)件如填充墻、建筑裝修和設(shè)備管道等性破壞嚴(yán)重。在地震過程中，這些非結(jié)構(gòu)性的破壞常常危及到生命財(cái)產(chǎn)的安全，而且震后的修復(fù)工作和投資往往也是很大的。 

　　鋼框架體系在水平荷載的作用下產(chǎn)生水平位移，要滿足規(guī)范的要求必須增大框架的抗側(cè)力能力，框架體系的抗側(cè)力能力主要取決于梁、柱剛度，要提高框架體系中梁、柱剛度，只有增大梁、柱的截面面積，而梁、柱的截面過大會影響住宅的建筑布局和室內(nèi)空間，因此受水平位移限制的影響鋼框架體系的住宅一般都在10層以下。 

　　三、鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的原則 

　　針對鋼結(jié)構(gòu)建筑穩(wěn)定問題，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們必須遵循以下幾個原則： 

　　1、結(jié)構(gòu)整體布局必須考慮整個體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求。目前結(jié)構(gòu)大多數(shù)是按照平面體系來設(shè)計(jì)的，如桁架和框架都是如此。為保證這些平面結(jié)構(gòu)不致出平面失穩(wěn)，需要從結(jié)構(gòu)整體布置來解決，亦即設(shè)計(jì)必要的支撐構(gòu)件。這就是說，平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出平面穩(wěn)定計(jì)算必須和結(jié)構(gòu)布局相一致。 

　　2、結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖和計(jì)算方法所依據(jù)的簡圖相一致，這對框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算十分重要。目前在設(shè)計(jì)單層和多層框架結(jié)構(gòu)時(shí)，經(jīng)常不作框架穩(wěn)定分析而是代之以框架柱的穩(wěn)定計(jì)算。在采用這種方法時(shí)，計(jì)算框架穩(wěn)定時(shí)用到的柱計(jì)算長度系數(shù)，自應(yīng)通過框架整體穩(wěn)定分析得出，才能使柱穩(wěn)定計(jì)算等效力框架穩(wěn)定計(jì)算。然而，實(shí)際框架多種多樣，而設(shè)計(jì)中為了簡化計(jì)算工作，需要設(shè)定一些典型條件。 

　　四、輕鋼結(jié)構(gòu)體系的主要類型 

　　針對低、高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的需求，當(dāng)前主要采用的幾種典型輕鋼結(jié)構(gòu)體系類型包括以下幾類： 

　　1、冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系 

　　這種結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)件采用薄鋼板冷彎成為C形、Z形、U形等結(jié)構(gòu)件，能夠的按度使用，同時(shí)也可以組合使用由于各個桿件之間的連接采用自攻螺釘進(jìn)行連接，因此這種鋼結(jié)構(gòu)體系節(jié)點(diǎn)的剛性難以得到保證，其抗側(cè)能力較差，通常只適合于1～2層的低層建筑或者是別墅 

　　2、框架結(jié)構(gòu)體系 

　　當(dāng)前，框架結(jié)構(gòu)體系廣泛的應(yīng)用在多層鋼結(jié)構(gòu)住宅的建設(shè)當(dāng)中由于其縱向與橫向都設(shè)置有鋼制框架，且門窗的設(shè)置較為靈活，能夠提供空間較大的開間，利于住戶的二次設(shè)計(jì)，能夠很好的滿足多種生活需求鋼框架結(jié)構(gòu)體系在設(shè)計(jì)的過程中充分考慮到了樓蓋的組合作用，并將之應(yīng)用到多層建筑當(dāng)中，能夠很好的滿足建筑的抗側(cè)需求但是，由于當(dāng)前框架柱主要以H型鋼為主，其軸向的梁柱連接剛度不足，所以在設(shè)計(jì)施工過程中需要予以謹(jǐn)慎處理 

　　五、輕鋼結(jié)構(gòu)住宅框架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)要點(diǎn) 

　　1、純框架結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì) 

　　純框架結(jié)構(gòu)體系是鋼結(jié)構(gòu)住宅的基本體系，不設(shè)置柱間豎向支撐，可以采用較大的柱距和獲得較大的使用空間，結(jié)構(gòu)自振周期長，對地震作用不敏感，有很好的延性。框架的梁柱連接應(yīng)該采用剛接節(jié)點(diǎn)，以便形成抵抗風(fēng)荷載以及水平地震作用的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。對于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一些次要的構(gòu)件，如局部的平臺及樓梯間等的梁柱節(jié)點(diǎn)，也可以采用鉸接連接而不形成抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，這樣既可以簡化連接構(gòu)造和靈活布置，且由于僅承受豎向荷載，使構(gòu)件截面尺寸相應(yīng)減小。鋼框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度較柔，在風(fēng)荷載和水平地震作用下，將產(chǎn)生較大的水平位移。雖然強(qiáng)度也是設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的重要條件，但是，一般情況下，由于鋼材這種材料的高強(qiáng)度和很好的柔韌性，只要滿足了《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對結(jié)構(gòu)層間位移限值的要求，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度要求一般也可以滿足，結(jié)構(gòu)的剛度會在設(shè)計(jì)中起決定作用。目前，框架體系多用于2～3層的商場、別墅、住宅等建筑。 

　　2、框架中心支撐體系的設(shè)計(jì) 

　　當(dāng)框架體系層數(shù)較多時(shí)，由于側(cè)向作用力的增大，使得梁柱等構(gòu)件尺寸也相對較大，失去其經(jīng)濟(jì)合理性。這時(shí)宜增設(shè)支撐，形成框架支撐體系。中心支撐體系包括十字交叉支撐、單斜桿支撐、人字形或V形支撐。 

　　K形支撐的交點(diǎn)位于柱中，地震時(shí)，因受壓斜撐屈曲或受拉斜撐屈服引起較大的側(cè)向變形，柱容易首先破壞，因此地震區(qū)很少采用。單斜桿支撐應(yīng)該在結(jié)構(gòu)中相向?qū)ΨQ布置，并且每層中不同方向斜桿的截面面積在水平方向的投影，相差不得超過10%。交叉支撐和人字形支撐在彈性工作階段，具有較大的剛度，層向變形小，能很好地滿足正常使用的功能要求。 

　　交叉支撐在往復(fù)荷載作用下，桿件的屈曲變形只在交叉節(jié)點(diǎn)的一側(cè)發(fā)展，其滯回曲線呈反S滑移形。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，其承載力下降多次循環(huán)后承載力趨于穩(wěn)定，最后因低周疲勞而破壞。按支撐僅能承受拉力設(shè)計(jì)的中心支撐鋼框架，其受力性能較差，抗震結(jié)構(gòu)不宜采用。同時(shí)承受拉壓的支撐，通過受壓屈曲或者受壓屈曲和受拉屈服來耗散能量，從而構(gòu)成較復(fù)雜的滯回性能。 

　　人字形或V形支撐的滯回性能同樣呈反S滑移形。與剛度較大的橫梁相連的人字形支撐體系，在首次達(dá)到水平極限荷載后，有明顯的承載力下降現(xiàn)象，但降幅不大。而與有限剛度橫梁相連的人字形支撐體系，在往復(fù)荷載作用下，承載力下降幅度甚大，只有原來的40%左右，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該特別注意。這種體系在設(shè)計(jì)時(shí)，人字形支撐橫梁應(yīng)該有足夠的剛度，使其在受壓支撐屈曲后橫梁不至彎折。 

　　3、框架偏心支撐體系的設(shè)計(jì) 

　　偏心支撐框架（EBF）是指支撐偏離梁柱節(jié)點(diǎn)的鋼結(jié)構(gòu)框架，是近二十年來發(fā)展起來的抗震結(jié)構(gòu)。這種體系有很好的剛度，有極好的耗能能力以抵抗大的地震作用。它比框架中心支撐體系和純框架體系，有相對較小的側(cè)向位移和更均勻的層間分布。由于偏心支撐具有非常有效的控制變形能力，使得偏心支撐框架比純框架節(jié)省鋼材25%～30%，比中心支撐框架節(jié)省鋼材18%～20%。設(shè)計(jì)EBF有三個變量：支撐形狀、耗能梁段長度和耗能梁段的截面特性。一般先初選一個結(jié)構(gòu)外形，根據(jù)抗剪設(shè)計(jì)的近似計(jì)算，選擇耗能梁段的長度和截面，然后用彈性分析程序算出房屋自振周期、底部剪力、剪力沿高度的分布、結(jié)構(gòu)彈性位移和框架構(gòu)件的內(nèi)力分布等，對支撐和柱進(jìn)行合理優(yōu)化。 

　　六、結(jié)束語 

　　總而言之，輕鋼結(jié)構(gòu)住宅框架結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)一定要更加科學(xué)合理，結(jié)合輕鋼結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，以及現(xiàn)代住宅的設(shè)計(jì)需要，制定合理的施工方案，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性。 

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