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【摘要】:开发轻钢结构体系已成为当前住宅结构研究中的热点。不过,多层轻钢结构的研究还处于起动阶段,研究力度还不够,实际设计和施工还存在不少争议和问题。这些都急需解决,以利于轻钢住宅在我国健康快速发展。
【关键词】:钢结构 构件 设计
1 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,而设计院结构工程师缺乏相应钢结构设计的经验,所以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、材料选用及材质要求、设计要求、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。
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。不完全相同的构件单元须单独绘制表达,并应附有详尽的材料表。
2 结构体系的选择
2．1 纯框架結构体系
纯框架结构体系在地震区一般不超过15层。框架结构的平面布置灵活,可为建筑提供较大的室内空间,且结构各部分刚度比较均匀。框架结构有较大的延性,自振周期较长,因而对地震作用不敏感,抗震性能好。但框架结构的侧向刚度小,由于侧向位移大,易引起非结构构件的破坏,因此不宜建的太高。
2．2 框支结构体系
纯框架在风、地震荷载作用下,侧移不符合要求时,可以采用带支撑的框架,即在框架体系中,沿结构的纵、横两个方向布置一定数量的支撑。在这种体系中,框架的布置原则和柱网尺寸,基本上与框架体系相同,支撑大多沿楼面中心部位服务面积的周围布置,沿纵向布置的支撑和沿横向布置的支撑相连接,形成一个支撑芯筒。采用由轴向受力杆件形成的竖向支撑来取代由抗弯杆件形成的框架结构,能获得比纯框架结构大的多的抗侧力刚度,可以明显减小建筑物的层间位移。
2．3 框架剪力墙结构体系
在框架结构中布置一定数量的剪力墙可以组成框架剪力墙结构体系,这种结构以剪力墙作为抗侧力结构,既具有框架结构平面布置灵活、使用方便的特点,又有较大的刚度,可用于40至60层的高层钢结构。当钢筋混凝土墙沿服务性面积周围设置,就形成框架多筒体结构体系。这种结构体系在各个方向都具有较大的抗侧力刚度,成为主要的抗侧力构件,承担大部分水平荷载,钢框架主要承受竖向荷载。
3 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。
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、3D3S、PKPM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:软件在做构件的截面验算时,两个轴的计算长度系数的内定值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。粗学者常使用软件的内定值,这会导致计算的误差甚至错误。
当上面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,所以需要设计师结合经验取值。
4 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。常用的参考书有丰富的推荐的节点做法及计算公式。
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,主受力构件现已很少采用。普通螺栓抗剪性能差,可在次要结构部位使用,如檩条、屋面板等。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常犯的错误。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。
5 钢结构建筑的防火设计
设计时要选用恰当的钢结构防火保护方法。目前我国钢结构主要采用三种保护方法:喷涂法、包敷法、水淋冷却法,它们都是通过一定的技术手段来提高钢结构的耐火极限。具体而言,喷涂法就是在钢结构表面涂上一层防火涂料,形成一个保护膜,从而提高建筑构件的耐火极限,它有厚型和薄型之分,不同厚度的涂层其耐火极限不同;包敷法是采用砖、混凝土、硅钙板等材料将钢结构包裹,从而形成保护层,提高构件耐火极限;水淋冷却法是在钢结构上部布置自动喷淋系统,发生火灾时,启动喷淋在钢结构表面形成一层连续的水膜,达到保护作用。我们在设计时,要根据不同建筑对构件耐火极限的要求,通过科学比较,选出最恰当的防火保护方法,达到经济和安全要求。
【关键词】:钢结构 构件 设计
1 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,而设计院结构工程师缺乏相应钢结构设计的经验,所以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、材料选用及材质要求、设计要求、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。
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。不完全相同的构件单元须单独绘制表达,并应附有详尽的材料表。
2 结构体系的选择
2．1 纯框架結构体系
纯框架结构体系在地震区一般不超过15层。框架结构的平面布置灵活,可为建筑提供较大的室内空间,且结构各部分刚度比较均匀。框架结构有较大的延性,自振周期较长,因而对地震作用不敏感,抗震性能好。但框架结构的侧向刚度小,由于侧向位移大,易引起非结构构件的破坏,因此不宜建的太高。
2．2 框支结构体系
纯框架在风、地震荷载作用下,侧移不符合要求时,可以采用带支撑的框架,即在框架体系中,沿结构的纵、横两个方向布置一定数量的支撑。在这种体系中,框架的布置原则和柱网尺寸,基本上与框架体系相同,支撑大多沿楼面中心部位服务面积的周围布置,沿纵向布置的支撑和沿横向布置的支撑相连接,形成一个支撑芯筒。采用由轴向受力杆件形成的竖向支撑来取代由抗弯杆件形成的框架结构,能获得比纯框架结构大的多的抗侧力刚度,可以明显减小建筑物的层间位移。
2．3 框架剪力墙结构体系
在框架结构中布置一定数量的剪力墙可以组成框架剪力墙结构体系,这种结构以剪力墙作为抗侧力结构,既具有框架结构平面布置灵活、使用方便的特点,又有较大的刚度,可用于40至60层的高层钢结构。当钢筋混凝土墙沿服务性面积周围设置,就形成框架多筒体结构体系。这种结构体系在各个方向都具有较大的抗侧力刚度,成为主要的抗侧力构件,承担大部分水平荷载,钢框架主要承受竖向荷载。
3 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。
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、3D3S、PKPM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:软件在做构件的截面验算时,两个轴的计算长度系数的内定值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。粗学者常使用软件的内定值,这会导致计算的误差甚至错误。
当上面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,所以需要设计师结合经验取值。
4 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。常用的参考书有丰富的推荐的节点做法及计算公式。
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,主受力构件现已很少采用。普通螺栓抗剪性能差,可在次要结构部位使用,如檩条、屋面板等。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常犯的错误。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。
5 钢结构建筑的防火设计
设计时要选用恰当的钢结构防火保护方法。目前我国钢结构主要采用三种保护方法:喷涂法、包敷法、水淋冷却法,它们都是通过一定的技术手段来提高钢结构的耐火极限。具体而言,喷涂法就是在钢结构表面涂上一层防火涂料,形成一个保护膜,从而提高建筑构件的耐火极限,它有厚型和薄型之分,不同厚度的涂层其耐火极限不同;包敷法是采用砖、混凝土、硅钙板等材料将钢结构包裹,从而形成保护层,提高构件耐火极限;水淋冷却法是在钢结构上部布置自动喷淋系统,发生火灾时,启动喷淋在钢结构表面形成一层连续的水膜,达到保护作用。我们在设计时,要根据不同建筑对构件耐火极限的要求,通过科学比较,选出最恰当的防火保护方法,达到经济和安全要求。