多层教学楼的钢结构设计与研究.doc

没有百度文库财富值 请到文库帮手网 免费帮下载 百度文库积分 资料 本文由hyxia521贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 西北工业大学本科毕业论文 第一章 绪 论 1.1 选题的背景和意义 1.1.1 选题的背景 改革开放以来，我国综合实力日强，人民生活水平日渐提高。物质上的日渐丰 富使得人们更加重视精神上的需求。作为人们主要活动场所的建筑的功能和质量成 为人们关注的一个焦点。同时，我国也是一个人均资源占有量相对紧缺，能耗总量 相对较大的国家。目前我国的能耗总量己达到世界第一，在提高建筑质量的同时必 须综合考虑资源节约问题，建筑节能与开发清洁能源刻不容缓 。 我国目前建筑的各种成熟结构体系大多为砌体和钢筋混凝结构。此类结构，材 料强度低，对环境污染严重，不能重复回收利用，在适应人们的更高要求上有局限; 同时产业化程度低，不利于工业化、系列化生产。特别是在砖混房屋中使用的粘土 砖的制作要占用大量的可耕地，使我国原本就很缺乏的耕地资源更加短缺。这些都 对结构体系的创新提出了要求2。 2006 年 3 月 14 日， 我国正式提出了第十一个五年计划纲要， 其中明确指出 “把 节约资源作为基木国策，发展循环经济，保护生态环境”“节约发展，清洁发展” ， ， “实现可持续发展”“发展节能型建筑” ， 。根据国外经验，要提高建筑性能实现产业 现代化、标准化、节能化，符合“十一五”发展纲要，目前最适宜的结构首推钢结 构。 本文以广州地区较早兴建的多层民用钢结构建筑广东某学院 1 号教学楼作 为研究对象， 对该类型的多层民用钢结构房屋设计进行结构、 经济分析和优化研究。 1 1.1.2 研究的意义 与传统结构相比，钢结构房屋具有许多优点: 1、强度高，质量轻 钢材与其他建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比，强度要高得多，弹性模量也高， 因此结构构件质量轻且截面小，特别适用于跨度大，荷载大的构件和结构。研究数 据表明，多、高层钢结构的自重一般为馄凝土结构自重点 1/23/5.再以构件为例， 同样荷载和跨度条件下，钢屋架的重量是混凝土屋架的 1/41/3，冷弯薄壁型钢屋 架甚至接近 1/10。结构自重的降低，可以减小地震作用，进而减小结构内力，还可 以使基础的造价降低， 这个优势在软土地区更加明显.此外， 构件轻巧也便于运输和 安装。 2、构件截面小，有效空间大 由于钢材的强度高，构件截面小，所占空间也就小。以相同受力条件的简支梁 为例，混凝土梁的高度通常是跨度的 1/101/8，而钢梁约是 1/161/12，如果钢梁 有足够的侧向支撑，甚至可以达到 1/20，有效增加了房屋的层间净高。在梁高相同 1 西北工业大学本科毕业论文 的条件下，钢结构的开间可以比混凝土结构的开间大 50%，能更好地满足建筑上大 开间，灵活分割的要求。 另外，多层民用建筑中的管道很多，如果采用钢结构，可以在梁腹板上开洞以穿 越管道，如果采用混凝土结构，则不宜开洞，管道一般从梁下通过，从而要占用一 定的空间。因此在楼层净高相同的条件下，钢结构楼层高度要比混凝土的小，可以 减小墙体高度，并节约室内空调所需的能源，减小房屋维护和使用费用。 柱的截面尺寸也类似， 在多、 高层建筑中， 钢柱的截面面积占建筑面积的 3%5%， 而混凝土柱的截面面积占建筑面积的 6%9%。两者相比，钢结构可以增加室内有效 使用面积 2%一 6%。由于梁柱截面较小，避免了“粗柱笨梁”现象，室内视觉开阔， 美观方便。 3、材料均匀，塑性、韧性好，抗震性能优越 由于钢材内部原子排列均匀接近各向同性，钢结构的实际工作性能比较符合目 前采用的理论计算模型，因此可靠性高。同时，因钢材塑性、韧性好，耗能能力强， 一般不会因超载而发生突然断裂，适于承受动力荷载和冲击荷载，抗震性能非常优 越。 1-1 所列为 1985 年墨西哥 8.1 级大地震中， 表 钢框架与混凝土框架的破坏对比 情况，即能说明这一点。 表 1-1 1985 年墨西哥地震震害统计 结构类型 钢框架 混凝土框架 建造年代 破坏程度 倒塌 严重破坏 倒塌 严重破坏 1957 年以前 7 1 27 16 1957-1976 年 3 1 51 23 1976 年以后 0 0 4 6 合计 10 2 82 45 3 4、制造简单，施工周期短 钢结构所用的材料多是成品或半成品材料，加工比较简单，并能够使用机械操 作，易于定型化、标准化，工业化生产程度高，因此，钢构件一般在专业化的金属 结构加工厂制作而成，精度高，质量稳定，劳动强度低。 构件在工地拼装时，多采用简单方便的焊接和螺栓连接，钢构件与其他材料构 件的连接也比较方便。有时钢构件还可以在地面拼装成较大的单元后再进行吊装， 以降低高空作业量，缩短施工工期。一般情况下，多、高层钢结构平均 4 天一层， 而混凝土结构平均 6 天一层，即钢结构的施工速度约是混凝土结构的 1.5 倍。结构 施工周期短，使整个建筑更早投入使用，不但可以缩短贷款建设的还贷时间，减少 贷款利息， 而且提前收到投资回报。 如前几年高档办公楼的投资回收期为 3 年左右， 3 如果采用钢结构代替混凝土结构，可提前半年投入使用，相当于节省投资 18% 。 2 西北工业大学本科毕业论文 5、节能，环保 与传统的砌体结构和混凝土结构相比， 钢结构属于绿色建筑结构体系。 钢结构 房屋的墙体多采用新型轻质复合墙板或轻质砌块，如高性能 NAIC 板(配筋加气混凝 土板)、复合夹心墙板、幕墙等;楼(屋)面多采用复合楼板，如压型钢板一混凝土组 合板、轻钢龙骨楼盖等，符合建筑节能和环保要求，可以达到节能 50%的目标，节 约了我国相对人均短缺点能源。 钢结构的施工方式为干式施工，可避免混凝土湿式施工所造成的环境污染。钢 结构材料还可利用夜间交通流畅期间运送，不影响城市闹市区建筑物周围的日间交 通，噪声也小。另外，对于己建成的刚架构也比较容易进行改建和加固，用螺栓连 接到钢结构还可以根据需要进行拆迁，有利于环境保护3。 近年来我国钢与钢材的产量、品种、规格增长迅速，价格下降，原来钢产量和 价格对建筑钢结构使用造成的阻力己不复存在;同时，自 19% 年以来我国每年城市 住宅竣工面积约 911 亿立方米， 乡镇住宅几十亿立方米。 建筑钢结构技术的应用正 成为解决钢销路的重要途径。 正是着眼于钢结构优秀的结构性能、钢材的环保性质以及发展钢结构对相关产 业的带动，国家主管部门也积极推广钢结构和支持钢结构相关技术的研究。各种专 业规范、 规程相继出台或修订， 高层民用建筑钢结构技术规程 如 (JGJ99 一 98) 、 钢结构设计规范 (GB50017 一 2003)、 建筑抗震设计规范 (GB50011 一 2001) 等 等，标志着我国钢结构技术的进一步成熟。另一方面，建设部等相关部委相继发布 了一系列指导性政策和意见，把钢结构技术列为“十五”期间十大重点推广技术， 对我国钢结构建筑业的持续健康发展起到了积极推动作用。 目前，我国多层民用钢结构房屋技术还处于起步阶段，需要解决的问题很多， 如建筑配套技术、结构体系等还很不完善，以至于在一些工程设计中出现了严重的 技术经济不合理现象，有的甚至造成工程质量事故。研制和开发适合于工业化和标 准化的各类钢结构体系己成为目前国内钢结构研究人员面对的共同课题.结构体系 的可靠性、计算方法的合理性、施工作业的可操作性、墙体材料、防火防腐等制约 钢结构发展的问题都亟待解决。为了我国钢结构产业的自主开发和国产化道路，有 必要对钢结构体系的这些关键技术进行研究。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外钢结构的发展历史及现状 现代轻钢房屋建筑体系诞生于 20 世纪初，于“二战”期间得到快速发展。当 时钢结构多应用于工厂、桥梁和大型公共建筑;20 世纪 40 年代后期出现了门式刚 架;20 世纪 60 年代开始大量应用由彩色压型板及冷弯薄壁型钢凛条组成的轻质围 护体系;目前钢结构体系开始逐步渗入到对跨度和荷载并无特殊要求的居住建筑领 3 西北工业大学本科毕业论文 域。 近两年来，世界钢铁产量的增加和国际军需用钢量的下降，促使各国拓展了钢 结构使用范围，各国建筑用钢量在钢材总耗用中的比例明显提高，一般在 30%左右， 日本在 50%左右。 美国、 瑞典、 日本等国家， 钢结构用钢量已占钢材产量的 30%以上， 钢结构面积占到总建筑面积的 40%以上 。 轻钢结构已成为发达国家的主要建筑结构 形式。 在欧洲， “二战”过后，欧洲一些国家为解决房荒问题，掀起住宅建筑工业化高 潮，形成了一批完整的标准化系列的建筑住宅体系并应用至今。英国新建的非居住 类房屋建筑中，90%的单层和 60%的多层建筑都采用轻钢结构.而瑞典己是当今世界 上最大的轻钢结构住宅制造国，他们的轻钢结构住宅预制构件达 95%，欧洲各国都 到瑞典去订制住宅，通过集装箱发运。 在美国，轻钢结构体系的分析、设计理论和方法及制造工艺上已经非常完善， 开发了多种专利产品，其专用设计软件可在短时间内完成设计、绘图、工程量统计 及工程报价，在制作上也实现了高度的标准化及工厂化5。 在日本，日本新建的 1 一 4 层建筑大都采用了钢结构.1999 年统计资料表明， 其钢结构低层住宅已占工业住宅的 71%。 在澳洲，澳洲钢结构住宅的市场占有率约 15%。 在以色列，以色列居民定居点的住宅以钢结构为主。 同时，由于钢结构本身具备自重轻、强度高、施工快等独特优点，因此对高层、 大跨度，采用钢结构更是非常理想，目前世界上最高、最大的结构都是采用钢结构， 而历届奥运会的场馆也多采用钢结构。目前，世界上已建有几个纯钢结构建筑为世 界上最高的超高层建筑。 4 1.2.2 我国钢结构的发展历史及现状 一个国家采用钢结构的历史， 往往与这个国家的钢铁产量和钢铁冶炼技术有关。 我国古代钢铁冶炼技术在世界上处于前列。我国是最早用钢铁建造桥梁和寺塔等承 重结构的少数几个国家之一如建于 1705 年(清康熙 44 年)的四川沪定大渡河桥，桥 宽 2.8m，全长 100m，比欧洲和美国建造的第一座铁桥早 100 年左右。塔刹类建筑则 有建于 1061 年，目前仍保存完好的湖北荆洲 13 层玉泉寺铁塔，以及山东济南铁塔 寺铁塔和江苏镇江的甘露寺铁塔6。 18 世纪欧洲工业革命以后，由于钢铁工业的发展，钢结构在欧洲各国的应用逐 渐增多，范围也不断扩大，而我国在 1840 年鸦片战争以后，沦为半封建半殖民地国 家，经济停滞不前，钢结构发展非常缓慢，与欧美各国差距拉大。 20 世纪 5060 年代，在前苏联的经济技术援助下，我国钢结构迎来了第一个 初盛期，在工业厂房、桥梁、大型公共建筑和高耸构筑物等方面都取得了卓越的成 4 西北工业大学本科毕业论文 就，至今仍发挥着巨大的作用，如鞍钢、包钢、武钢、沈阳飞机制造厂、大连造船 厂、北京体育馆(跨度 57m 的两铰拱)、人民大会堂(跨度 60.9m 的钢屋架) 、武汉 长江大桥(全长 1670m)等等， 并且编制了我国第一部钢结构行业规范(规结 4 一 54) ， 缩小了与发达国家间的差距，但多、高层民用钢结构建筑仍然空白。 20 世纪 60 年代中后期至 70 年代，尽管我国冶金工业有了较大的发展，但各部 门需要钢材量也越来越多，国家提出在建筑业节约钢材的政策，并且在执行过程中 出现了一定的失误，限制了钢结构的合理使用与发展，钢结构发展进入低潮。但这 一时期的行业规范有了实质性的进展，独立编制了弯曲薄壁型钢结构技术规范草 案(1969)、 钢结构工程施工及验收规范(GBJ18 一 66) 和钢结构设计规范 (TJ17 一 74)，标志着我国的钢结构设计技术己走上了独立发展的道路. 20 世纪 80 年代，我国东部沿海地区引进国外现代钢结构建筑技术，如上海宝 山钢铁厂(105 万 m2)、山东石横火力发电厂等，促进了各种钢结构厂房的建成，深 圳、北京、上海各地也兴建了一些高层钢结构建筑，如深圳发展中心大厦(高 165m， 是我国第一栋超过 100m 的钢结构高层建筑)、北京京广大厦(高 208m)，迎来了钢结 构发展的又一次高峰.但是多层钢结构只见于个别工业厂房的一部分， 在民用建筑中 仍然为空白。 自 20 世纪 90 年代至今， 我国钢结构行业发展步入快速发展期， 钢结构的发展日 新月异，规模更大、技术更新，呈现出数百年来未有过的兴旺景象，被成为建筑行 业的“朝阳产业” 。代表建筑有深圳帝王大厦(高 325m)、上海金贸大厦(高 460m)、 上海东方明珠电视塔(高 468m). 我国多层钢结构比国外起步晚了接近一个世纪，因此，总体水平与西方发达国 家相比，仍有较大的差距。我国钢结构主要集中应用于工业厂房、大跨度或高层民 用建筑中，钢结构建筑在全部建筑中的应用比例非常低，还不到 1%，而美国、日本、 瑞典等国的钢结构房屋面积己达到总建筑面积的 40%以上。同时，我国建筑用钢在 钢材总产量中的比例也很低，为 20%30%，低于发达国家的 45%55%，而且我国绝大 多数建筑用钢是用于钢筋混凝土结构和砌体结构中的钢筋， 钢结构用钢(板材、 型材 等)还不到建筑用钢的 2%。要缩小差距，必须在量大面广的多层民用建筑中推广应 用钢结构。因此，我国钢结构还是一个很年轻的行业，特别是多层民用钢结构建筑， 应用前景十分广阔，有待于大力发展和支持。 7 1.3 本文研究的内容 本文的工作是研究多层教学楼的钢结构的设计方法和构造措施，并进行技术经 济分析比较，为我国多层民用钢结构建筑的发展提供参考。 本文在研究中选取了广东某学院 1 号教学楼 1 区作为案例， 通过结构体系选型、 楼板体系选型、钢结构防火处理、结构布置等方面进行钢结构设计和技术分析，并 5 西北工业大学本科毕业论文 与混凝土结构体系分别在技术和综合经济效果方面进行比较分析。 钢结构计算分析采用了 STS 钢结构 CAD 软件，SATWE 有限元分析软件。 6 西北工业大学本科毕业论文 第二章 2.1 工程概况 钢结构设计及技术性分析 广东某学院位于广州市白云区江高镇，己建成多栋钢结构的多层建筑，如图书 馆、1 号教学楼、2 号教学楼等。其中 1 号教学楼为 6 层钢结构，建筑面积 11650m2。 由于 1 号教学楼平面较大，根据所设伸缩缝分为 1、区。为使所研究的 对象具有普遍性、实用性和可比性，本文具体选取了其中的 1 区建筑(V 轴至 X 轴) 进行分析。 本工程的场区地形平坦，地表由素填土堆填而成，地貌单元属冲积平原类型， 根据广州市基岩地质图，没有区域性断裂从场地通过。工程抗震设防分类为丙类， 建筑场稳定性良好，地震设防烈度为 7 度，设计基本地震加速度值为 0.10g。建筑 场地属于中软场地土，场地土类别为类，中砂层属可液化砂土层。基本风压按 50 年一遇的风压采用，取为 0.5kN/ m 。 根据钻探揭露， 场地地基土自上而下分为:人工填土、 第四系冲积层、 残积土层、 石炭系下统基岩等四大类。基础选用静压混凝土预应力管桩，以砾砂残积土或微风 化灰岩作为持力层，桩长 2535m，桩径 400mm，单桩承载力标准值为 1200kN 。 2 2.2 结构体系选型 小震不坏 、大震不倒、中震可修是建筑结构抗震设计的基本原则.为了达到上 述目的，结构体系应具有足够的强度和刚度，以满足建筑物在正常使用条件下的相 关要求。同时，结构体系还应具有较高的延性和较大的耗能能力，以使建筑结构在 遭受高于本地区设防烈度的预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严 重破坏。强度、刚度和延性是结构抗震设计永恒的主题。由于钢结构本身所具有的 不同于钢筋混凝土结构的材料性能，该主题在建筑钢结构设计中体现得更为明显。 而设计技术的现代化更能使结构工程师对建筑钢结构实现优化设计，将材料性能与 结构体系中力的分布和构件的变形有机地结合起来，真正实现基于性能的结构设计 8 。对建筑师来说，充分认识建筑钢结构的抗侧力体系也是必需的。建筑师可结合 结构布置的需要，将钢结构构件充分外露来展现钢结构建筑的剔透玲珑之美，以科 学的诚实风格营造艺术的灵秀气韵。在这方面，香港汇丰银行大厦、中国银行大厦 和上海证券大厦堪称典范。 对于钢结构而言，结构抗侧力性能是结构整体性能的重要因素，决定着结构的 选型和用钢量。适用于多层民用房屋的钢结构体系根据层数、抗震等要求可分为薄 壁钢骨体系、纯钢框架结构体系、钢混结构体系和交错析架体系。 2.2.1 薄壁钢骨体系 冷弯薄壁型钢结构体系被用于 12 层的低层住宅或别墅， 使用寿命一般只有 20 年，这种墙板式承重结构被美国所广泛采用，构件主要是 C 或 Z 型冷弯薄壁型钢， 7 西北工业大学本科毕业论文 厚度一般是 0.53.5mm.北美钢结构协会(NASFA)专门针对此类型住宅制订了描述性 规范 薄壁钢骨体系外墙和楼板均采用由超级防腐的高强冷轧或冷弯镀锌钢板制作的 轻钢龙骨为结构承重体系， 轻钢龙骨用钢的强度指标是 3350KSl(换算成公制是 230 一 340N/mm ） 。其中采用最多的是 33KSI，与我国 3 号钢的强度类似。墙体和楼板密 集的薄壁钢骨(通常龙骨间距 400mm)形成整体受力的基本框架体系，墙体龙骨厚度 10015Omm， 楼面龙骨的高度一般为 300mm 高， 这样墙体和楼面的中空空间可为住宅 中布置管网提供方便。轻钢龙骨的截面形状可分为 C 型槽钢和 C 型立龙骨，槽钢和 立龙骨的宽度可以从 60 一 360mm 不等，满足不同结构部位、不同荷载、不同构件的 要求。一般作为承重构件的镀锌钢板厚度为 1.0 一 1.2mm。内隔墙不承重，可根据 需要调整室内空间格局9。 目前，在北美和日本，针对该体系的一系列配套措施、设备产品已非常完备， 除结构体系的各种原材料、加工机械设备和连接配件外，从墙体围护板材、饰面材 料、保温防水材料到配套厨卫设备、固定家具等一应俱全，有上千种部件可供挑选。 在空间设计上由于采用模数化设计，设计师可根据业主要求灵活调整空间格局，满 足不同生活方式的需要。 总体来看，薄壁钢骨体系住宅是一种工厂化制造、能快速组装、完全干作业的 装配式轻钢结构住宅体系，具有用钢量少、抗震、节能和建造省时、省工等特点。 目前，我国也有合作引进的该体系小住宅，据测算，此种住宅每平方米用钢量不超 过 40Kg/m2， 造价 12003000 元/m2。 (根据饰面材料和门窗材料的不同而有所区别)8。 2 2.2.2 纯钢框架体系 多层建筑一般适宜采用空间(梁、柱)结构体系。纯钢结构框架体系具体分为框 架结构体系和框架一支撑体系。 框架结构体系 1、结构简介 框架体系是指沿房屋的纵向和横向均采用框架作为承重和抵抗侧力的主要构件 所形成的结构体系。地震区的建筑采用框架体系时，纵、横向框架梁与柱的连接一 般采用刚性连接，某些情况下，为加大结构的延性，或防止梁与柱连接焊缝的脆断， 也有采取半刚性连接构造。 对于层数不太多的楼房， 框架体系是一种应用较多的结构体系， 需作抗震设防的 楼房，采用钢框架结构体系，房屋的最大高度不应超过表 2 一 1 的规定10。 表 2- 1 钢结构民用建筑的最大高度 (m) 结构体系 抗震设防烈度 6 度、7 度 8度 9度 8 西北工业大学本科毕业论文 框架 框架支撑、框架墙板 简体和巨型框架 110 220 300 90 200 260 50 140 180 该结构设计理论成熟，设计施工简单，节点构造简单。但是其抗侧力刚度较小， 水平位移较大.为满足水平位移的要求，会导致梁、柱截面急剧增大，从而导致经济 指标无法满足市场推广的要求。但对于多层民用建筑，钢框架体系仍然是不可或缺 的基本体系之一。 2、变形性质 水平荷载下框架的侧移之中，由梁、柱轴向变形引起的侧移分量所占比例较 小，由梁、柱弯曲和剪切变形引起的侧移分量、所占比例较大，所以框架仍属于弯 曲杆系。但是，就框架在水平荷载作用下总体变形产生的侧移曲线形状而言，框架 仍属于剪切型抗侧力构件。 弯曲杆系并不是很有效的抗侧力构件，当房屋层数较多、水平荷载较大时，梁、 柱截面尺寸将大大超出经济、合理范围.因此，钢框架体系一般只适用于 30 层以下 的建筑。 3、主要分析计算方法 (1) 竖向荷载作用下的近似计算方法一分层计算法11 多层多跨框架在一般竖向荷载作用下，侧移是比较小的，可以作为无侧移框架 按力矩分配法进行内力分析。由精确分析可知，各层荷载对其它层杆件内力影响不 大，因此，在近似方法中，可将多层框架简化成单层框架，即分层作力矩分配计算。 上述两点即为分层计算法的基本简化假定。 分层计算所得梁弯矩即为最后弯矩， 但是必须将上、下两层所得同一柱子的内力叠加才能得到柱的内力。分层计算结果 在结点上的弯矩可能不平衡，但误差不会很大，如果需要较为精确的结果，可将结 点不平衡弯矩再进行一次分配。 此外，还有力矩分配法、迭代法等。 (2)水平荷载作用下的计算方法一 D 值法 D 值法是反弯点法的改进.反弯点法是梁柱线刚度比大于 3 时，假定结点转角 为零的一种近似计算方法。当柱子截面较大时，梁柱线刚度比常常较小，结点转角 较大，用反弯点法计算的内力误差较大。日本武藤清教授在分析多层框架的受力特 点和变形特点的基础上作了一些假定，经过力学分析，提出了修正柱的抗侧移刚度 和调整反弯点高度的方法计算水平荷载下框架的内力，修正后的柱侧移刚度用 D 表 示，故称为 D 值法。该方法的计算步骤与反弯点法相同，因而计算简单、实用，精 度比反弯点法高。因此该方法在多高层的计算中得到了广泛的应用。 此外，还有反弯点法、迭代法、门架法以及无剪力分配法等。 9 西北工业大学本科毕业论文 (3)框架在地震作用下的内力计算10 地震作用又分为水平地震作用和竖向地震作用， 对于多层住宅一般只考虑水平 地震的作用。一般说来，水平地震作用的计算都采用振型分解反应谱法，而对于高 度不超过 40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近 似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法等简化算法。 框架一支撑体系 1、结构简介 以楼房的框架体系为基础，沿房屋的纵、横两个方向均布置一定数量的竖向支 撑所形成的结构体系称为框架一支撑体系，简称框一撑体系。水平剪力主要由腹杆 而不是由柱承受，腹杆轴力的水平分量承担侧向剪力，可接近于一个真正悬臂梁的 性能。梁柱框架可以是铰接或半刚接，其侧向刚度可以忽略不计.柱仅承受墙、梁、 楼板传来的竖向荷载。一般来说，此体系较纯框架结构用钢量少，节点构造较其他 体系相对简单。 从经济角度看，把支撑设计为仅仅受拉的构件是很诱人的，因为钢在抗拉时是 十分有效的，但是这会导致在强震作用下低劣的弹塑性性能。但从另外一方面看， 支撑受拉屈服能比受压屈服耗散更多的能量。 支撑框架中的框架梁与框架柱大多仍为刚性连接。支撑斜杆两端与框架梁、柱 的连接尽管在结构计算简图中假定为铰接，但实际构造仍多采用刚性连接，少数工 程(上海金茂大厦等)也有采用钢销连接的铰接构造。 该体系改进了框架体系抗侧力能力较弱的缺点，但是支撑体系尤其是偏心支撑 体系在施工当中难度较大，而且由于支撑截面宽度较大，墙板与 其不易配套，从而给室内装修带来一定的问题，这些都需要着重解决。 2、变形性质 (1) 支撑的侧移曲线 支撑在水平荷载作用下所产生的位移主要是由于其中各杆件的轴向拉伸或压缩 变形引起的，与框架侧移是由于杆件弯、剪变形所引起的情况相比较，其量值要小 的多，表明竖向支撑的抗推刚度要比框架大的多。支撑侧移主要是由水平荷载倾覆 力矩时支撑整体弯曲产生的，支撑的一侧拉伸、一侧压缩，导致楼面倾斜转动，由 下层到上层逐层积累，使支撑侧移曲线的层间侧移角(= /h)由下而上逐层增 大。 (2)框 一 撑体系的侧移 采用框 一 撑体系的建筑，框架和支撑由于水平(侧向)刚度很大的各层楼盖的 联系和协调不再能自由的单独变形，两者的侧向变形趋于一致。各层刚性楼盖协调 的结果使框一撑体系具有一条共同的侧移曲线，从而使框架下部和支撑上部的较大 10 西北工业大学本科毕业论文 层间侧移角均得以较大幅度的减小。 3、支撑形式 就钢支撑布置而言，可分中心支撑和偏心支撑两类。 (1)中心支撑 中心支撑 (轴交支撑)的特征是:支撑的每个节点处， 各杆的轴心线交汇于一点。 中心支撑抗弯框架在相同的用钢量下，比抗弯框架能更经济地提供较大的强度 和刚度。不同的支撑的形式可能导致结构表现由很大不同。图 2 一 1 显示了一些常 用的形式，这些能大大提高结构刚度的中心支撑在地震中受到很大的压力和拉力的 作用，因此支撑的受压屈曲支配了这些支撑的性能，还往往会产生捏拢的力一变形 滞回性能，产生显著的支撑破坏。所以，中心支撑框架被认为具有较大刚度、较高 强度但较之钢结构抗弯框架延性较小。 图 2 一 1 所示不同的支撑形式有不同的特点。 图 2 一 1 中心支撑框架的典型形式 X 型支撑通常十分细软，有很大的抗拉承载力但抗压屈曲承载力很小。它对于 抵抗侧向荷载可能是十分经济的，但是它可能会引起弹塑性变形的集中，而且在强 震作用下的能量耗散性能很差，所以美国规范规定只用于在地震较少发生的地区或 地震较活跃地区中的低层建筑。 K 形支撑会引起柱在大震作用下的屈服，当一根受压时，其中另外一根正在受 拉，而且在受拉支撑屈服前，受压支撑早就屈曲。支撑的屈曲会引起柱中很大的剪 力和弯距。所以这种支撑在地震较多发生地区被禁止使用。 V 形支撑(V 形或倒 V 形)在强震的激励下会引起梁的屈服， K 形支撑引起柱的 而 屈服。带有 V 形支撑的梁在大震下会引起楼板的变形，但是同时也提供了额外的能 量耗散，能改善大震作用下的地震反应。 对角支撑在侧向荷载向一个方向作用时受压，而当侧向荷载向另一个方向作用 时受拉，UBC(美国统一建筑规范) 规定，由于支撑的受拉承载力比受压承载力大许 多，不同方向倾斜的支撑数目应均衡12。 (2)偏心支撑 偏心支撑(偏交支撑)的特征是:支撑斜杆与梁、 柱的轴线不是交汇于一点而是偏 离一段距离，形成一个先于支撑斜杆屈服的“消能梁段” ，偏心支撑框架的每根杆件 11 西北工业大学本科毕业论文 应至少有一段与框架梁连接，并在斜杆与梁交点至柱之间或至同一跨内另一斜杆与 梁交点之间形成消能梁段。这种设计是为了使其产生剪切和弯曲屈服而避免支撑的 屈曲。 偏心支撑有以下几种类型:单斜杆的一端或两端形成消能梁段(图 2 一 2a) ;八 字形支撑上端形成消能梁段(图 2 一 2b);人字形上端形成竖向消能梁段(图 2 一 2c) ;X 形支撑中心节点形成一个消能板域(图 2 一 2d) 或水平消能杆段(图 2 一 2e) ;X 型支撑中心节点采用弯曲型消能内框(图 2 一 2f)。 图 2-2 4、计算方法 几种偏心支撑一个节间的构造示意13 框架一支撑结构体系的计算方法同框架体系的计算方法基本相同，只是其计算 简化有所不同。在进行结构分析时，可采用平面抗侧力结构的空间协同计算模型。 当结构布置规则、质量与高度沿高度分布均匀、且无扭转效应时，可采用平面结构 计算模型;当结构的平面或立面不规则、体形复杂、无法划分成平面抗侧力单元、或 为筒体结构时，应采用三维空间结构计算模型。 2.2.3 钢混组合结构体系 钢混组合结构是指钢框架和钢筋混凝土结构混合使用的钢结构类型. 钢管混凝土结构 1、结构简介 钢管混凝土结构指结构梁柱及支撑采用圆型或方型的钢管，钢管内现场灌注混 凝土的框架体系.通常是在螺旋焊接钢管内灌注高强度等级混凝土。 它是从密排螺旋 箍等套箍混凝土演变而成的， 其基本原理是:借助内填混凝土来增强钢管壁的稳定性; 借助钢管对核心混凝土的约束作用，使其处于三向受压状态，从而提高其抗压强度 和变形能力。 2、结构的性能 (1)承载力高， 钢管混凝土受压(或受弯)杆件， 由于钢管对内填混凝土的约束作 12 西北工业大学本科毕业论文 用，使混凝土处于三向受压状态，抗压强度提高一倍以上。同时，内填混凝土反过 来又阻止薄壁钢管受压时的局部屈曲， 使钢管的受压强度得以充分发挥.试验结果指 出，与钢筋混凝土杆件相比较，圆钢管混凝土杆件的抗剪强度和抗扭承载力也几乎 提高一倍。 (2)截面尺寸小。与钢筋混凝土柱相比较，由于钢管混凝土柱的受压承载力高， 且可以不限制轴压比，柱的截面尺寸可减小 50%以上。与钢骨混凝土柱相比，截面 面积也可减小很多，因为钢骨柱的承压力大致等于柱内型钢承载力与外包钢筋混凝 土承载力之和，而钢管柱的受压承载力几乎是钢管及内填混凝土单独承载力之和的 二倍。 (3)延性好。 钢管内的混凝土由于钢管的套箍作用， 受压时的脆性破坏转变成为 延性破坏:而套箍指标0.9 的钢管混凝土受压构件在往复水平荷载作用下， 具有 极好的延性。 (4) 耐火性好。由于内填满混凝士，能吸收大量热能，遭受火灾时，能延长柱 的耐火时间14。 钢骨混凝土结构 1、结构简介 钢骨混凝土结构是在钢梁、钢柱周围配置钢筋，浇注混凝土后使钢骨与混凝土 成为共同作用的组合结构构件。 2、结构的性能 (1)与钢筋混凝土构件相比，具有以下特点: 整体工作:钢骨架与混凝土形成整体，共同受力。 截面尺寸小:钢筋混凝土柱受到配筋率限值的制约， 提高承载力的唯一途径是加 大截面尺寸；而钢骨混凝土柱可以利用设置较大截面的型钢芯柱参与承压，承载力 相同，截面面积可以减小一半。 构件延性好:由于钢骨的存在使得构件延性得到很大改善， 变形能力强、 抗震性 能好、承载能力高。1995 年日本阪神地震，钢筋混凝土高楼破坏率高、破坏程度严 重;形成鲜明对比的是，采用型钢混凝土结构的高楼，破坏轻微。 (2)与钢结构相比，具有以下特点: 节约钢材 :采用钢骨混凝土结构的高楼，约比全钢结构节约钢材 1/3 左右，造 价降低较多。 耐火度高:包裹在钢骨架外面的钢筋混凝土， 不仅在刚度和强度上发挥作用， 还 作为型钢的保护层，可以取代型钢外涂的防锈漆和防火涂料，不仅节省经常性维护 费用，而且由于混凝上蓄热量较大，从而提高了构件的耐火度。 兼作模板支架:型钢在混凝土尚未浇灌之前即己形成钢构架，有相当大的承载 13 西北工业大学本科毕业论文 力，可用作其上若干楼层平行施工的模板支架和操作平台，因而其施工速度仅稍慢 于钢结构。 钢管混凝土结构和钢骨混凝土结构都是结构框架体系采用钢与混凝土组合作 用，两种材料相辅相成共同工作，都具有承载力高、抗震性能好、变形能力强的特 点。其中，钢骨混凝土更接近于混凝土框架结构的受力、变形状态.由于整体受力性 能优于纯钢框架结构，这两种体系多用于高层及中高层住宅建筑，结构优势发挥得 更加充分。 钢框架一混凝土核心筒体系 1、结构简介 (1)竖向构件 混凝土核心筒一钢框架体系是指由钢筋混凝土核心筒与外圈的刚接或铰接钢框 架共同组成的混合结构体系。当建筑的楼层平面采用核心式建筑布置方案，沿楼面 中心部位的服务型面积周边设置钢筋混凝土墙体所形成的核心筒， 是一个立体构件， 在各个方向都具有较大的抗推刚度。 混凝土核心筒是结构体系中的主要或唯一的抗侧力竖向构件。当楼面外圈为刚 接框架时，核心筒承担着绝大部分作用于整个建筑的水平荷载，一小部分由钢框架 承担。当楼面外圈为铰接框架时，核心筒则承担楼房的全部水平荷载. (2)水平构件 进行楼面构件布置时，应恰当安排各层楼盖的梁、板走向，以便让更多的楼面 重力荷载直接传到核心筒，加大其筒壁的竖向压应力，以提高核心筒的受剪承载力 和抵抗倾覆力矩的能力。 当核心筒的高宽比值较大时，宜在顶层及每隔若千楼层的设备层或避难层，沿 核心筒的纵、横墙体所在平面，设置整层楼高的外伸刚性析架(刚臂)，加强核心筒 与外圈钢柱的连接，让外圈钢柱与核心筒连成一个整体抗弯构件，以加大整个结构 体系的抗推刚度和抵抗倾覆力矩的能力， 减小结构的顶点侧移值和最大层间侧移值。 2、结构优缺点 该体系在我国应用极为广泛，目前新建的高层、超高层建筑几乎都采用了这种 结构体系，混凝土筒体抗侧力的效果较好，具有节约钢材、降低造价，施工方便等 优点。 但由于核心筒与钢外框架的延性、 刚度严重不匹配.据研究分析结果表明， 钢筋 混凝土核心筒约承担 90%的水平力.在强震作用下， 作为第一道防线的核心筒很容易 遭到破坏，而恰恰第二道防线的钢框架非常薄弱，这就是说钢框架一混凝土核心筒 结构基本上没有进一步抵抗地震重用的能力。这种结构体系在历史上曾有过震害破 坏记录。且混凝土筒体与钢框架的连接较为复杂，施工进度不匹配，施工精度要求 14 西北工业大学本科毕业论文 较高15。在美国，根据阿拉斯加地震经验，认为不宜用于地震区;日本于 1992 年建 成高度分别为 78m 和 1O7m 的两栋该类型楼房，然而，以后再建此类结构，需经建设 大臣批准。 主要问题是，国内外对该类型结构的抗震性能缺少全面、系统的研究，对其延 性、耗能以及地震作用下两类构件同步工作程度、破坏机制和倒塌过程，尚未完全 了解，需要做进一步的研究。 2.2.4 交错桁架体系 1、结构简介 交错桁架结构体系 16， 17 是麻省理工学院于 20 世纪 60 年代中期开发的一种新型 结构体系主要适用于中、高层住宅、旅馆、办公楼等平面为矩形或由矩形组成的钢 结构房屋，在美国、澳大利亚等国家己有不少应用，但在我国基本还是空白。 在人们致力于为多层住宅建筑提供最小楼层高度的钢结构体系时，交错桁架体 系发展起来了。这种体系由跨越整个建筑宽度且高度为一层的桁架组成。桁架在相 邻楼层被交替布置在柱轴线上，因而产生了桁架的交错排列形式(图 2 一 3)。桁架 在外柱之间跨越大约 60ft(18.30m)的跨度，从而可得到很大的无柱内部空间。 此时，楼板跨越于一福析架的上弦与相邻析架的下弦之间。由于交错析架典型 的中心间距为 20 一 30ft（6.109.15m） ，因此需要一种大跨度的楼板体系。通常使 用带敷层的预制混凝土板，因为除了满足跨度要求外，预制混凝土板的板底也可施 工成直接用作天花板。另一种是带有填充混凝土的大跨度组合压型金属板。桁架的 上弦和下弦通常采用宽翼缘型钢来有效地抵抗由楼板荷载产生的弯曲应力。 图 2 一 3 交错桁架体系 桁架的斜腹杆在走廊开口处被略去了，这将导致桁架弦杆中产生由空腹桁架效 应引起的弯曲应力。相应的，走廊通常布置在接近建筑物中线的位置，也即接近桁 架跨中处（桁架的最小剪力点)，这样可以减小弦杆中的弯曲应力。 横向的水平力经由楼板的蒙皮板作用(详见 2.3.2 节)传递到桁架上弦。这些荷 15 西北工业大学本科毕业论文 载由桁架的垂直方向传到下弦，然后通过同一水平高度的楼板传到相邻桁架的上弦 上。 从上弦到下弦的侧向荷载传递所产生的倾覆力偶由桁架端部的竖向力偶来抵抗。 外围柱中只产生轴向力，因此，除了在桁架开口处，横向的水平荷载通过结构往下 传而不会产生弯曲应力。 纵向的水平荷载经由楼板蒙皮板作用传到外围柱上，结构用一般的方式的抵抗 了荷载，如刚性框架或支撑排架等。为了提供额外的强度和刚度，通常对外围柱子 加以调整以使强轴协助抵抗延纵向的侧向荷载。 为了在桁架和楼板之间取得必要的结构上的相互作用，以及提供楼板蒙皮作用 所必需的连续性，在各种结构构件之间必须提供足够的连接，形式可采用焊接板、 抗剪连接件等。带有大开口及其他剪力不连续处的楼板一般需要进行额外的加强。 虽然交错桁架体系主要由桁架杆件的轴向力抵抗重力及水平力，但必须对外围 柱子中由于重力荷载作用下桁架变形而产生的弯曲应力加以考虑。可以通过对桁架 起拱的方式来显著减小这种弯曲应力， 相当于对柱子预施荷载:另一种可采用的方法 是提供一种槽型下弦连接件，在施加恒载后拧紧或者焊接此连接件12。 2、结构优缺点 其主要优点:室内无柱，开间大，建筑平面布置灵活;楼板直接支承在相邻柱列 的上下弦上，不需设楼面梁格，降低层高，节约造价;柱、桁架预先在工厂制作，现 场安装方便，施工周期短。 其主要缺点在于: 桁架不利于门窗布置及人流安排;抗震性能待进一步研究。 2.2.5 结构体系的选择 1、选用原则 钢结构设计的基本原则是:结构必须有足够的强度、 刚度和稳定性， 整个结构安 全可靠;结构应符合建筑物的使用要求， 有良好的耐久性;结构方案尽可能节约钢材， 减轻钢结构重量;尽可能缩短制造、 安装时间， 节约劳动工日;结构构件应便于运输、 便于维护;在可能条件下，尽量注意美观，特别是外露结构，有一定建筑美学要求。 以上所列钢结构体系的几种类型，各有优缺点，具体应用要根据实际情况，综 合比较，主要应考虑以下几个方面的因素，并做到技术先进、经济合理、安全适用 和确保质量。 (1)房屋荷载 ，特别是风荷载和地震作用。随着房屋高度的增加和抗震设等级 的提高，需要的抗侧刚度也随之增大。对于层数不多、设防等级不高的房屋，应优 先采用框架体系。设防等级较高时，宜优先考虑框架一支撑体系，抗侧效果明显且 构造简单;如有电梯、管道井，也可结合选用框架一核心筒体系。采用有混凝土抗侧 力体系(如剪力墙、混凝土筒体)时，结构自重也大幅度增加，对抗震和基础设计也 有不利的一面。 16 西北工业大学本科毕业论文 (2) 房屋的尺寸和体形，包括平面形状、立面要求、房屋高度及高宽比等。建 筑平面简单时，风荷载体形系数小，水平荷载作用下也不易发生扭转振动，需要的 抗侧刚度就低。如果立面不规则，如立面有突变或结构存在薄弱层，结构刚度存在 突变，不利于抗震，需要调整对应层的抗侧刚度，往往采用混合结构体系。当房屋 高宽比增大时，倾覆力矩作用下结构侧移增大，也需要较大的抗侧刚度。 某些建筑要求，对结构体系的选择也有影响。例如，门窗或开间的设置与支撑 体系发生冲突时，可能转为采用其他结构体系。如果房屋内部设有较大空间，采用 框架一剪力墙体系或框架一筒体体系则能很好地解决这一问题，因为剪力墙和筒体 几乎承担了全部水平荷载，框架体系基本上仅承担竖向荷载，同样截面条件下所提 供的空间比纯框架体系大。 (3)房屋材料，包括结构体系和围护体系材料。采用轻质材料时，房屋质量轻， 承重结构的用钢量低，同时，由于地震作用小，需要的抗侧刚度也就小。 (4)工程造价，也是影响结构体系选用的一个重要因素。一般来说，结构体系的 抗侧刚度越大， 工程造价也越高;在地质条件较差的地区， 应优先选用纯钢结构体系， 如框架体系、框架一支撑体系，以降低基础造价。 (5)施工条件。钢结构一般在工厂制造，现场安装，施工工期短，而混凝土抗侧 结构需要现场浇筑，施工周期长。当施工工期要求较短时，宜采用纯钢结构体系。 (6) 规范要求。 建筑抗震设计规范9规定，对于地震区的结构体系尚应符合 以下要求:应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径;应避免因部分结构或 构件破坏而导致整体结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力;应具备必要的抗 震承载能力， 良好的变形能力和消耗地震能量的能力;对可能出现的薄弱部位， 应采 取措施提高抗震能力;对于钢结构民用房屋， 其最大高宽比不宜超过表 2 一 2 的规定。 表 2-2 钢结构房屋适用的最大高宽比 (m) 抗震设防烈度 最大高宽比 6、7 度 6.5 8度 6.0 10 9度 5.5 2、本案例的结构体系选用 首先，在外部投资因素方面，由于甲方广东某学院为民办学院，教学楼需在开 学前交付使用，要求有效地控制工程造价、施工工期，并且要求建筑物立面美观、 内部使用空间充分。在这方面，跟其他结构相比，纯钢结构是一个很好的选择:施工 速度快，可以大大提高资金的投资效益;各部分刚度比较均匀，构造简单，更易于施 工;比框筒结构在建筑设计和平面布置上具有更大的灵活性。 其次，在内部设计因素方面，本案例为 6 层建筑，层数不高，体形规整，平面 不复杂，立面不存在结构突变，适宜采用框架体系。只是由于是民用建筑，门窗位 置不能设支撑，并且外墙部分设支撑也会影响美观，所以如果可以不设支撑就不设 17 西北工业大学本科毕业论文 支撑。 所以综合以上的设计原则和设计因素，本案例采用钢框架结构体系。 2.3 楼板体系选型 楼盖是水平承重结构，是多层建筑的重要组成部分，楼盖不但将其自身荷载传 递给竖向承重结构，而且与竖向承重结构一起形成建筑空间承重骨架，共同抵抗荷 载等各种作用。楼盖的选型是否得当，布置是否合理，不但关系到结构受力的好坏， 而且对结构是否正常使用、造价高低、室内景观效果以及施工是否方便有着十分重 要的影响。 楼盖的做法有很多种，目前在多层钢结构中，最常用的楼盖有以下几种: 2.3.1 现浇整体混凝土楼盖 现浇整体混凝土楼盖是结构设计中最常用的一种楼板，也是设计及施工人员最 为熟悉的一种结构形式。它的一些主要优势是: (1) 施工工艺简单，取材方便，造价低廉，适用范围广。 (2)平面整体刚度大，抗震性能好。 (3)和钢梁共同工作，形成组合梁，可减小梁截面的高度。 (4)不受房间形状的限制，开洞方便，便于设备和管道的垂直铺设. (5)取消了压型钢板，减少了用钢量。 尽管它有以上许多优点，但在多高层结构的楼板设计中并不常用，主要是由于 以下几点不利因素: (1)自重较大，现场湿作业多，现场凌乱。 (2)它需要传统的模板支撑系统，阻碍下部交通，支模拆模比较繁琐。 (3)混凝土浇筑完成后，不能及时为后续工作提供条件。 (4)楼板混凝土的硬化需要较长的时间，对工期的影响较大。 另外，混凝土楼板和钢框架组合还有一个缺点，就是可能会产生裂缝。混凝土 和钢材的极限拉应变相差很大，混凝土的极限拉应变仅为 0.0001-0.00015，而钢材 达到屈服强度时的应变就要大得多了，约为 0.0005-0.0015。在气温高的