钢结构住宅设计的几点总结
[提要] 从设计角度分析钢结构住宅体系的特点，介绍异型钢柱住宅项目的设计思路。帮写工程硕士论文针对框架结构采用不同阻尼比、基础方案等问题进行数据对比分析，总结设计中常见问题和注意事项，对设计标准提出不同意见。
[关键词] 钢结构 住宅结构体系设计 细节设计标准
Summary of the Design of Steel Structure for Residence
Abstract：The characteristic of steel structure building is analyzed in terms of design aspect，and the design method ofstructure building using abnormity steel column is presented．Frame structures with different damp ratios，foundationprojects etc，are compared．Some questions that http://www.51lunwen.org/shuoboll_71.htmlare met frequently in design and different ideas about design criterionare put forward．
Keywords：steel structure building；structure system；design detail；design criterion
一、钢结构住宅体系选择已建成的钢结构住宅主要有薄壁型钢组合墙板形式、纯框架形式、框架支撑形式、型钢混凝土组合形式、钢框架一混凝土抗震墙形式等等。从使用的角度看，除薄壁型钢组合墙板形式外，其余几种形式都存在一个共同问题，即梁柱突出对住宅内部观感的影响。受短肢剪力墙结构的启发，笔者在钢结构住宅设计中将钢柱设计成异型柱，以配合建筑变化的要求，图1(a)，(b)是两种异型钢柱截面，根据建筑墙体厚度减去面层厚度来设定翼缘宽度，框架梁与异型钢柱各个方向的翼缘刚接，图(c)，(d)为相应的节点连接详图。笔者曾将北京某住宅项目3层样板间设计成异型钢柱纯框架结构，建筑采用砌块隔墙，建成后外部及室内观感均令人满意，与该住宅成品(混凝土剪力墙结构)实际效果一致，图2是样板间实景。住宅中应用异型钢柱与厂房设计有很大区别，图3是厂房梁柱连接方式与住宅梁柱连接方式的简单比较。异型钢柱是在一个工字钢截面上增加一个T型截面，相应增加了弱轴方向的截面特性，特别是将钢梁与钢柱弱轴的刚性连接节点转化为与柱翼缘连接，优于常见设计中工字钢柱在弱轴方向设外伸连接板的刚性连接，加强了工字钢柱的弱轴稳定，对结构安全是很有利的。一般认为工字钢柱弱轴刚性连接不可靠，所以在很多构造手册上建议在弱轴采用铰接框架加支撑体系或者采用钢管柱设计方案，现行抗震规范GB50011-2001⋯ 第8．3．4．2条也指出“柱在两个互相垂直的方24(c】‘dJ图1 异型钢柱及梁柱节点详图向都与梁刚接时，宜采用箱形截面。当仅在一个方向刚接时，宜采用工字形截面，并将柱腹板置于刚接框架平面内。”规范中虽然没有明确说不可采用工字钢柱弱轴与钢梁刚接，但根据抗震规范⋯ 第8．2．5条节点抗震承载力验算要求，弱轴连接一般是无法满足相关条款要求的。异型工字钢柱比箱形柱的节点加工容易、施工方便、节约钢材，比框架支撑体系减少了支撑部分的设置，可灵活用于住宅墙体，满足建筑对住宅内无外露构件的要求。维普资讯 http://www.cqvip.com异型钢柱在结构分析中要解决的问题：1)弱轴上增加T型构件后，截面特性的确定；2)异型钢柱局部稳定性计算(可以参考规范中柱板件宽厚比进行控制)；3)梁柱节点与钢柱形心轴偏离时整体受力分析(普通杆系计算软件不能解决)。理想的计算模型应该采用有限元整体建模进行内力分析，可以解决上述问题，但建模工作量太大。图2 采用异型钢柱的样板间笔者在2，3层住宅设计中根据以下原则来确定柱截面：1)按方钢管柱方案进行结构分析，此时所选方钢管不考虑构造要求，如板厚、焊接要求，以计算应力比结果接近0．9的情况，选定框架梁截面尺寸，根据方钢管截面特性初选 ，y向上工字钢截面，计算时不考虑腹板作用，初步确定异型柱截面；2)按工字钢柱方案进行结构分析，根据异型柱T型构件布置方向，设柔性支撑代替异型柱中T型构件在工字钢弱轴上的刚度影响，按有侧移钢框架计算，调整异型钢柱中工字钢截面尺寸，完成后调整工字钢及柔性支撑布置方向，验算T型构件与工字钢腹板组成的工字钢截面尺寸；3)根据上一步建立的模型，选取工字钢强轴所在的单榀框架进行抗震验算，只参考工字柱强轴应力计算结果，检验异型柱单向受力是否满足；4)根据上述计算结果，手工核算梁柱节点处抗震承载能力，基础设计时考虑偏轴引起的附加弯矩；5)以普通工字钢柱和方钢管柱按无支撑框架体系分别进行正常设计(其中钢梁按设计已选截面计算)，根据合适的计算结果，统计钢柱用钢量以控制异型柱用钢量的上下限。这些原则要用于更高的异型钢柱工程仍需作进一步的研究。回 __{亟弱轴形心轴碧 _r厂房连接方式 住宅连接方式图3 异型钢柱在厂房和住宅中连接方式的对比
二、设计细节问题1．整体计算时选取合适的结构阻尼比阻尼比取值见表1。由表可见，不同的钢结构体系有不同的地震影响系数，如果在结构分析时错误选择阻尼比对设计结果会产生较大影响，其中钢管混凝土和钢一混凝土混合结构由于是两种材料共同作用，在选取阻尼比时，应根据两种材料应用比例综合考虑阻尼比，结构整体刚度越柔，阻尼比选值越低。表2是统一按5层钢框架结构建模，框架柱网尺寸7．0m×7．0m各四跨计算，层高均为3．3m，抗震设防烈度8度，设计分类第一组，Ⅲ类场地土，结构计算采用PKPM 系列软件。钢结构阻尼比应用值 表1结构类型 阻尼比 阻尼调整系数 曲线下降段 直线下悻段口2 衰减指数， 调整系致单层钢结构 0．050 1．00 O．900 0．02012层以下钢结构 0．035 1．13 0 922 0．02212层以上钢结构 0．020 1．32 0．950 0．024罕遇地震钢结构 0．050 1 00 O 900 0．020钢管混凝土结构 O．o35一O．O如 1 13～1．0o O．922一O 900 0．022～O．Oz0钢一混凝土混合结构 o．040 1．O8 0．914 0．021从表2的数据可以看出：钢结构计算时选取阻尼比越大，则层间位移角、基底剪力和底部总弯矩越小，设计时会造成钢结构本身构件验算误差，还会造成基础设计失误。特别应注意，钢结构抗震计算以l2层为计算分界点，阻尼比分别为0．020和0．035，笔者认为计算结果跨越太大，建议在8～11层的整体分析时，特别是高烈度地区应适当调整阻尼比数值，可采取插值法选取，或按0．035与0．020值进行对比补充验算。规范⋯ 中第8．1．3条强制性条文就是强调这个问题。钢框架结构计算结果对比 表2周期 楼 最大层 各层地震力统计方钢管框架 ( 层 闻位移 F 』lfs) 号 角 (kN) (kN•m)阻尼比=0．035，正确 Tl=0．947 8 5 1／1 069 866．8 2 860．4荷载总质量=2 946t T，：0．814 0 4 1／625 719．5 7 700．4标准主振型基底剪力 T3：O．299 0 3 1，466 648．5 l4 002．9=2 444kN 2 1，4l4 576．6 21 351．21 1，592 408．7 29 290．2阻尼比=0．050，正确 Tl=0．947 8 5 1／1183 803．5 2 651．7荷载总质量：2 946t T，=0．814 0 4 1，695 657．6 7 o47．0标准主振型基底剪力 T3=O．299 0 3 1，519 604．7 12 699．9=2 203kN 2 1，459 555．1 19 271．41 1，655 403．0 26 399．62．整体计算时应考虑基础的影响钢结构特别是纯钢框架采用独立柱基的计算中，地震作用下层间位移角是一个重要的控制因素。如果不考虑基础的影响而计算结果又刚刚满足规范要求的话，那么考虑基础共同作用时有多半情况不满足规范限值要求，表3是在表2编号l方钢管框架的模型下增加一层2．0m高基础短柱的计算模型。表3显示基25维普资讯 http://www.cqvip.com考虑基础影响的计算结果 表3周期 楼 最大层 各层地震力统计基础类型 ( 层 F ^彳s) 号 闻位移角 (kN) (kN•m)短 T1：0．981 5 5 l／l 097 851．6 2 762．1柱 阻尼比：0．035 T，：0．842 5 4 l／64l 687．3 7 503．4+ 荷载总质量：3 131t T3：0．310 2 3 l／476 629．9 l3 672．3联 钢构底层基底剪力：2 483kN 2 l／4l4 559．1 20 890．3系 l l／5l4 378．2 28 757．2粱 —l l／3 439独 Tl：O．992 O 5 1／1 109 1 141 2 720．5阻尼比：0．035 T，：0．85l 5 4 1／647 755．5 7 4l5．8基 荷载总质量=3 026t T3：0．313 5 3 1／479 591．5 l3 538．1础 钢构底层基底剪力：2 470k
