某多层钢结构学生公寓结构设计.doc

某多层钢结构学生公寓结构设计王彦兵 卞宗舒（北京赛博思工业化住宅集成系统工程有限公司 100089）摘 要 本文介绍了8度抗震设防下的6层钢结构学生公寓的结构设计，对该工程的结构体系选用、计算假定、节点构造作了一些研究工作。关键词 钢结构公寓 钢框架钢筋混凝土筒体混合结构 结构设计1. 前言随着我国钢结构居住建筑的兴起，我公司针对居住建筑的特点，着重在钢结构居住建筑体系方面进行研究，并在具体工程中实践。几年来我公司前后完成了近20万平方米居住建筑的设计任务，积累了一定的工程实践经验。本工程现已投入使用，情况良好。2. 工程概况该工程为6层钢结构内廊式学生公寓楼，单栋建筑面积17000余平方米；平面布局为“口”字型，分为A,B,C,D座（图1），每座之间用抗震缝分开；结构布置每座大体相同，故取其中一座进行结构计算；每座平面布置为矩形（图2），开间3.9m，进深5.8+2.1+5.8m，悬挑封闭阳台每侧1.27m；层高3.2m，无地下室；基本风压w0=0.45kN/m2；抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度0.2g，建造于类场地上，设计地震分组为第一组。图1 组合平面图2 计算单元平面图3 结构计算模型消隐图3. 结构设计3.1 结构体系的选用通过对国内外钢结构居住建筑体系的调研，多层钢结构居住建筑典型的结构体系如：钢框架、钢框架钢支撑、钢框架钢筋混凝土筒体混合结构、钢框架开缝钢板筒体等结构体系；通过分析结构受力、经济指标、户型适应、工业化生产、现场装配等多方面条件后，我们认为，在多层钢结构住宅中适宜的结构体系为小柱网钢框架钢筋混凝土筒体混合结构体系。混合结构体系有如下特点：（1） 受力明确：混合结构体系中，大部分水平力由筒体承担，钢框架主要承担竖向荷载，二者协调工作，因此钢框架所需截面也较小，同时筒体厚度在本工程中不超过250mm，所以对建筑使用没有太多影响。纯钢框架结构则在满足结构侧移、强度及稳定的条件下需较大的柱、梁断面。（2） 钢框架构件截面小、用钢量低、建筑布置灵活：由于钢框架主要承担竖向荷载，因此钢框架所需截面也较小，在本工程中，框架柱用HW200200（均采用热轧H型钢），框架梁用HN300150、HM194150，钢结构用钢量只有37kg/；框架构件截面的小型化同时给建筑平面设计、空间设计带来很大便利。钢框架钢支撑体系中，纵向钢支撑的设置对建筑布置及立面设计带来更多的问题。纯钢框架结构体系中，柱、梁断面较大，用钢量高，且钢柱不能隐蔽，给居住建筑使用带来不便。（3） 刚度分布均匀：由于建筑平面的对称性，筒体可安排在厕所及盥洗间处，结构的刚度中心和质量中心基本重合，所以结构的扭转耦联作用可不考虑，本结构体系更有利于抗震。（4） 构件类型少，节点简单便于安排工业化生产：在本工程中，钢框架主要梁柱只用了三种截面的H型钢，而且构件类型很少，有互换性，便于热轧H型钢的批量定货和定尺供货。框架横向悬挑部分通过T型钢连接件，梁柱构件上的节点构造简单，这使加工、运输、堆垛和吊装工作简化。（5） 装配化程度高，现场工期短：在梁柱连接中，全部采用高强度螺栓连接，现场工作量小、用工少、工期短，本工程中钢结构现场安装工期实际约20天。3.2 混合结构体系的适用范围通过对工程实践的总结，小柱网混合结构体系可用于以下类型的居住建筑：（1） 多层住宅的点式、板式、板组合式、齿形等平面。（2） 要求建设速度较高的开发项目（或周转资金较少）。（3） 已禁止或限制使用粘土砖的地区。（4） 场地为不良地基，由于结构自重轻，因此地基处理费用亦降低。（5） 改扩建可能性较大的项目（包括拆改合并相邻户）。（6） 施工场地狭小的城区改造项目。（7） 内部通透性要求较强的户型（内部无承重墙）。（8） 以毛坯房形式出售的商品房（内部无承重墙）。（9） 建材供应困难的边远、海岛、高原地区（以最小运量供应）及境外项目。3.3 基本计算假定及计算参数的选取：（1） 多层规则结构的楼板可假定为理想刚性楼板，即：在平面内刚度无限大，平面外刚度为零，因此地震作用分析方法采用“侧刚分析方法”。（2） 全部钢梁采用焊钉与楼板固定，钢框架与钢筋混凝土筒体通过楼板传递剪力，在水平力作用下可实现协同工作； （3） 钢框架节点为刚性节点，框架梁与筒体连接为铰接，柱脚为刚接。（4） 多层结构可将垂直荷载一次作用在框架上，内力分析时不考虑施工模拟。（5） 筒体为主要抗侧力构件并考虑钢框架参与，因此混合结构在多遇地震下的阻尼比采用0.04（高规JGJ3-2002第11.2.18条）。（6） 计算地震作用时，活载质量折减系数为0.5；计算柱、基础内力时活载可按规范折减。（7） 由试算结果知，地震作用下的水平位移角均小于1/1000,根据高层民用建筑钢结构技术规程(JGJ99-98)有关规定，柱计算长度系数可按无侧移框架柱考虑。（8） 钢筋混凝土筒体的抗震等级为一级。（9） 当钢梁两侧或一侧有混凝土板时，钢梁的截面惯性矩分别乘以1.5或1.2的增大系数。（10） 在地震作用下，钢结构内力和位移计算所采用的结构自振周期，考虑非结构构件的影响，乘以0.9的调整系数。（11） 钢框架的刚度比钢筋混凝土筒体的刚度小许多，绝大部分水平力由筒体承担，钢框架只承担小部分；计算中按高规(JGJ3-2002)规定：各层框架柱所承担的地震剪力为：结构底部总地震剪力的25%和框架部分地震剪力最大值的1.8倍二者的较小值，针对本工程采用的是后者。（12） 当地下室楼层的侧移刚度不小于相邻地上结构楼层侧移刚度的2倍时，地下室顶板可作为上部结构的嵌固端。3.4 结构整体计算计算模型见图3。设计计算采用建研院PKPM系列中的墙元模型三维结构分析软件SATWE，并用薄壁柱模型的三维结构分析软件TAT进行复核；前后处理采用钢结构设计软件STS-1进行。主要计算结果如下：(1).自振周期（秒）：X向Y向T10.38450.2985T20.11180.0721T30.05720.0344T40.04030.0229T50.03090.0182T60.02810.0189(2).地震作用下位移角：X向Y向规范要求允许值层间位移（最大值）1/19671/29871/800顶点位移1/23651/3883可见满足规范要求（风荷载不控制，因此未列出）。3.5 节点设计（1） 框架节点（图4、图5）钢框架节点纵、横向均采用刚性节点，考虑钢柱吊装及运输的便利，横向HM194150框架梁与柱采用“T型件”连接，此节点因梁截面较小，T型件强度容易满足；其它纵、横向连接节点均采用高强度螺栓夹板连接。图4 梁与柱强轴连接节点(一)图4a 梁与柱强轴连接节点(二)图5 梁与柱弱轴连接节点（2） 框架梁与筒体连接节点（图6）考虑先安装钢结构后浇筑楼板及筒体混凝土的施工顺序，因此在筒体有关部位设置一些工作件，使钢结构能够先立起来；我们采用的工作件主要为：l H型钢柱，即支撑钢结构自重、混凝土自重及临时施工荷载；l 双槽钢梁，即支撑楼板混凝土自重及临时施工荷载；双槽钢梁设置在筒体两侧，目的是钢结构安装完成后仍能浇筑混凝土；l 其它梁柱连接板等。梁与筒体（钢柱工作件）连接设计成铰接。图6 框架梁与筒体连接节点(一)图6a 框架梁与筒体连接节点(二)（3） 柱脚节点（图7）由于这个结构体系的受力特性，筒体承担了绝大多数的地震力，底层框架钢柱受到的力基本上只是轴向力，因此，考虑安装便利、降低用钢量、地下钢柱防腐等因素，柱脚设计成外包式刚性柱脚。图7 柱脚节点（4） 楼板设计由于建筑楼板隔音的需要，设置了一层轻钢龙骨石膏板吊顶，并考虑加快施工进度的要求，本工程采用普通压型钢板上浇混凝土楼板，楼板与钢梁设置抗剪焊钉，使水平力得到有效传递，并加强了钢梁的整体稳定。压型钢板由1mm厚镀锌卷板压型，波高76mm，波距344mm，作模板使用在连续板条件下跨度可达3.9m无须支撑。（5） 填充墙建筑墙体的选用坚持就地取材、方便施工、降低成本、满足隔热隔声等原则，本工程外墙仍采用目前很成熟的加气混凝土砌块墙体，根据装修需要并防止墙体开裂，墙外满挂钢板网片，并采用专用介面剂；内墙则主要采用两道轻钢龙骨交错排列四层石膏板墙。4. 钢结构防火本工程耐火等级二级，钢框架构件的耐火时间为柱2.5小时，梁1.5小时，我们在设计中采用砌体包覆或涂防火涂料的办法来处理，通过计算及试验可满足要求；楼板压型钢板只做模板使用，不做防火处理。5. 经济性分析通过计算，本学生公寓钢结构用钢量为37kg/,楼板、筒体（不含基础）钢筋用量18kg/，是目前国内钢结构居住建筑用钢量最低的。钢结构居住建筑在工厂完成的预制量较大，构件及材料总订货价较其它结构高，而现场发生的物料量、运输量和人工量大大减少，其减少又引起实际发生的管理成本降低，但目前习用的造价计算办法不能区分这一情况，按定额取费方法计算钢结构住宅造价会高于其它结构类型。实际上在同等利润的情况下，以本工程为例，在北京地区其造价可以与多层内浇外砌、异型柱框架填充墙及全砌块结构等体系大体持平。6. 结语在以上论述中可以看出，本多层学生公寓楼钢结构方案是在技术上可行的，同理，可以推广应用于多层钢结构住宅。本工程中钢柱应力较小，经试算，在钢结构截面不变的情况下，可以做到7层，筒体混凝土强度等级、数量相应增加。在综合造价上与常规的混凝土结构大体持平，但钢结构特点有着其独特的优越性，本结构体系很有推广价值。通过我公司几年来不懈努力，前后设计完成了钢结构公寓楼、钢结构住宅、别墅等多项居