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淺議住宅鋼結構的特點及其設計思路

2010-01-20 13:27    【  【打印】【我要糾錯】

  摘要:鋼結構應用于建筑已有數十年的歷史。為了凸現(xiàn)鋼結構住宅的優(yōu)點,本文簡單介紹了鋼結構的優(yōu)點及其在住宅上的設計思路。

  關鍵詞:鋼結構;住宅;可行性;設計思路

  1、鋼結構的優(yōu)點

  一般來說,材料的特性是推出新型建筑形式的出發(fā)點。鋼結構是用鋼板、熱軋型鋼或冷加工成型的薄壁型鋼制造而成的。和其它材料的結構相比,鋼結構有如下一些特點。

  1.1 材料的強度高,塑性和韌性好

  鋼材和其它建筑材料諸如混凝土、磚石和木材相比,強度要高得多。因此,特別適用于跨度大或荷載很大的構件和結構。鋼材還具有塑性和韌性好的特點。塑性好,結構在一般條件下不會因超載而突然斷裂;韌性好,結構對動力荷載的適應性強。良好的吸能能力和延性還使鋼結構具有優(yōu)越的抗震性能。另一方面,由于鋼材的強度高,做成的構件截面小而壁薄,受壓時需要滿足穩(wěn)定的要求,強度有時不能充分發(fā)揮。

  1.2 材質均勻,與力學計算的假定比較符合

  鋼材內部組織比較接近于勻質和各向同性,而且在一定的應力幅度內幾乎是完全彈性的。因此,鋼結構的實際受力情況和工程力學計算結果比較符合。鋼材在冶煉和軋制過程中質量可以得到嚴格控制,材質波動的范圍小。

  1.3 鋼結構制造簡便,施工周期短

  鋼結構所用的材料單純而且是成材,加工比較簡便,并能使用機械操作,因此,大量的鋼結構一般在專業(yè)化的金屬結構廠做成構件,精確度較高。構件在工地拼裝,可以采用安設簡便的普通螺栓和高強度螺栓,有時還可以在地面拼裝和焊接成較大的單元再行吊裝,以縮短施工周期。此外,對已建成的鋼結構也比較容易進行改建和加固,用螺栓連接的結構還可以根據需要進行拆遷。

  1.4 鋼結構的重量輕

  鋼材的密度雖比混凝土等建筑材料大,但鋼結構卻比鋼筋混凝土結構輕,原因是鋼材的強度與密度之比要比混凝土大得多。以同樣的跨度承受同樣荷載,鋼屋架的重量最多不超過鋼筋混凝土屋架的1/3至1/4,冷彎薄壁型鋼屋架甚至接近1/10,為吊裝提供了方便條件。對于需要遠距離運輸的結構,如建造在交通不便的山區(qū)和邊遠地區(qū)的工程,重量輕也是一個重要的有利條件。

  當然任何一種材料都不是十全十美的,鋼材的耐腐蝕性和耐火性就較為欠缺,在對結構進行防護時費用比鋼筋混凝土結構高。不過在沒有侵蝕性介質的一般廠房中,構件經過徹底除銹并涂上合格的油漆,銹蝕問題也并不嚴重。近年來出現(xiàn)的耐大氣腐蝕的鋼材具有較好的抗銹性能,已經逐步推廣應用,并取得了良好的效果。鋼材長期經受100℃輻射熱時,強度沒有多大變化,具有一定的耐熱性能,但溫度達150℃以上時,就須用隔熱層加以保護。鋼材不耐火,重要的結構必須注意采取防火措施。例如,利用蛭石板、蛭石噴涂層或石膏板等加以防護。

  2、鋼結構住宅的特點

  鋼結構住宅與傳統(tǒng)結構相比,在使用功能、設計、施工以及綜合經濟方面具有優(yōu)勢,主要體現(xiàn)在以下方面。

  2.1 設計制造周期短,設計生產一體化

  現(xiàn)代結構設計借助于計算機和專業(yè)化結構分析軟件,使得設計周期大大縮短,設計中的修改和調整非常方便。同時,由于鋼結構具有工廠預制、現(xiàn)場安裝的特點,可以將前期設計和現(xiàn)業(yè)的生產手段相結合,通過網絡計算機和數控機床結合,使設計人員在工作室中完成設計后,即由工廠的生產線完成產品制作,具有極高的效率和精確度,可以大大減少項目建設周期。

  2.2 能夠合理布置功能區(qū)間

  在居住建筑中,建筑師和居民一直希望能夠有大跨的無豎向結構的空間,這樣,可以根據需求進行靈活隔斷,使室內布置呈多樣化。傳統(tǒng)住宅由于所用材料的性質,限制了空間布置的自由。

  2.3 承載強度高,抗震性能優(yōu)越

  相同的荷載,鋼結構截面最小,相同的截面,鋼結構承載力最大。在抗震設防區(qū),鋼筋砼結構有許多不足之處,而鋼結構重量輕,六層輕鋼住宅的重量僅相當于四層磚混結構的重量,因此,本身所受的地震作用。欢,鋼材具有高延性,有較好的耗能能力,因此,抗震性能好,結構安全度高。

  2.4 施工方面優(yōu)勢突出

  現(xiàn)澆砼需要連續(xù)施工,在我國北方地區(qū)受到施工季節(jié)的影響。鋼結構的大部分構件在工廠生產,運往現(xiàn)場通過焊接或螺栓進行整體組裝,可全天候作業(yè)。施工現(xiàn)場作業(yè)量小,減少了施工臨時用地,與傳統(tǒng)建筑材料相比,對周圍環(huán)境污染小,提高了施工的機械化水平。

  2.5 綜合造價低

  鋼結構承載力高,可以實現(xiàn)結構的大開間布置,構件截面小,與砼結構和磚混結構相比,自重比較輕,地基的處理比較容易,可以采用天然基礎型式。由于基礎在工程造價中占有比重比較大,上部結構重量輕可以降低基礎的造價,從而減少整個項目的投資。鋼結構施工機械化高的特點,從另一方面減少了人工費用和模板等其它輔助材料費用。

  3、鋼結構住宅的設計思路

  3.1 判斷結構是否適合用鋼結構

  鋼結構通常用于高層、大跨度、體型復雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、高溫車間、密封性要求高、要求能活動或經常裝拆的結構。

  3.2 結構選型與結構布置

  在鋼結構設計的整個過程中都應該被強調的是“概念設計”,它在結構選型與布置階段尤其重要。 對一些難以作出精確理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問題,可依據從整體結構體系與分體系之間的力學關系、破壞機理、震害、試驗現(xiàn)象和工程經驗所獲得的設計思想,從全局的角度來確定控制結構的布置及細部措施。 運用概念設計可以在早期迅速、有效地進行構思、比較與選擇。所得結構方案往往易于手算、概念清晰、定性正確,并可避免結構分析階段不必要的繁瑣運算。

  3.3 預估截面

  結構布置結束后,需對構件截面作初步估算。主要是梁柱和支撐等的斷面形狀與尺寸的假定。

  鋼梁可選擇槽鋼、軋制或焊接H型鋼截面等。根據荷載與支座情況,其截面高度通常在跨度的1/20-1/50之間選擇。翼緣寬度根據梁間側向支撐的間距按l/b限值確定時,可回避鋼梁的整體穩(wěn)定的復雜計算,這種方法很受歡迎。確定了截面高度和翼緣寬度后,其板件厚度可按規(guī)范中局部穩(wěn)定的構造規(guī)定預估。

  柱截面按長細比預估,通常50<λ<150,簡單選擇值在100附近。根據軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同,可選擇鋼管或H型鋼截面等。

  3.4 結構分析

  目前鋼結構實際設計中,結構分析通常為線彈性分析,條件允許時考慮P-Δ,p-δ。

  新近的一些有限元軟件可以部分考慮幾何非線性及鋼材的彈塑性能,這為更精確的分析結構提供了條件。

  3.5 構件設計

  構件的設計首先是材料的選擇。通常主結構使用單一鋼種以便于工程管理。經濟考慮,也可以選擇不同強度鋼材的組合截面。構件設計中,現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈塑性的方法來驗算截面,這和結構內力計算的彈性方法并不匹配,當前的結構軟件,都提供截面驗算的后處理功能。由于程序技術的進步,一些軟件可以將驗算時不通過的構件,從給定的截面庫里選擇加大一級,并自動重新分析驗算,直至通過,如sap2000等。這是常說的截面優(yōu)化設計功能之一。它減少了結構師的很多工作量。

  3.6 節(jié)點設計

  連接節(jié)點的設計是鋼結構設計中重要的內容之一。在結構分析前,就應該對節(jié)點的形式有充分思考與確定,常常出現(xiàn)的一種情況是,最終設計的節(jié)點與結構分析模型中使用的形式不完全一致,這必須避免。按傳力特性不同,節(jié)點分剛接,鉸接和半剛接。

  3.7 圖紙編制

  鋼結構設計出圖分設計圖和施工詳圖兩階段,設計圖為設計單位提供,施工詳圖通常由鋼結構制造公司根據設計圖編制,有時也會由設計單位代為編制。由于近年鋼結構項目增多和設計院鋼結構工程師缺乏的矛盾,有設計能力的鋼結構公司參與設計圖編制的情況也很普遍。

  設計圖及施工詳圖的內容表達方法及出圖深度的控制,目前比較混亂,各個設計單位之間及其與鋼結構公司之間不盡相同。初學者可參考他人的優(yōu)秀設計并參考相關的工具書,并依據規(guī)范規(guī)定編制。

延伸閱讀:設計 鋼結構 特點
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