浅析钢结构住宅节点构造设计的理论与方法

　　【摘要】本文围绕着钢结构的节点构造设计，首先介绍了影响节点构造设计的因素以及节点构造设计应遵循的原则，然后以钢结构住宅围护构件——基础与门窗的构造设计以及构件连接节点的构造设计为例，详细介绍了这些节点构造设计的技术及注意事项等问题。
　　【关键词】钢结构，住宅，节点构造，设计
　　
　　引言
　　在所有的钢结构住宅的建筑设计系统中，节点构造系统的技术含量最大。它包括选择材料和组织材料两个方面，和结构系统、设备系统等有着密切的关系。因此，钢结构住宅的节点构造设计比一般砖混结构住宅和钢筋混凝土结构住宅的节点构造设计更为复杂，主要体现在：它与平面功能设计、立面造型设计、材料和结构设计以及设备设计和工业化生产程度都密切相关。
　　因此钢结构住宅的节点构造设计的研究既要研究内部各节点构造的技术及相互关系，又要注意研究和其他分项设计的关系，并从其他系统中汲取营养。
　　
　　一、影响节点构造设计的因素
　　钢技术在住宅建筑中的应用为住宅的发展注入了新的活力，同时也给建筑师提出了新的要求。我国己进行了“改善住宅功能和质量”的研究，从声、光、热、空气质量、使用功能、环境质量等多方面提出了目标、任务和方法，这就要求建筑师通过对居住环境的全新认识和深刻理解，充分考虑各种因素的影响，在经济的、现实的、可能的情况下，为社会提供高质量、高效益、高情感的居住环境。影响钢结构住宅节点构造设计的因素大致分为以下几个方面：
　　
　　1.1法规、规范及方针政策
　　
　　建筑类法规及规范是我国建筑界常用的标准的表达形式。它是以建筑科学、技术和实践经验的综合成果为基础，经有关方面认定，由国务院有关部委批准、颁发，作为全国建筑界共同遵守的准则和依据，设计人员必须遵守各种规范、标准与方针政策来完成设计工作。目前，我国的钢结构住宅建设还处于试验性阶段，主要规范有《住宅建筑设计规范》、《钢结构设计规范》、《高层民用建筑钢结构技术规程》、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》、《高层民用建筑设计防火规范》、《钢结构住宅建筑产业化技术导则》等。
　　
　　1.2自然条件
　　
　　钢结构住宅的节点构造设计要受到自然条件包括温湿度、日照、雨雪、风力等气候条件及地形、地质条件以及地震烈度等的限制和制约。我国幅员辽阔，南北东西气候差别悬殊，因此建筑构造设计应与各地的气候特点相适应。在做节点构造设计时，必须掌握建筑物所在地区的自然条件，明确影响性质和程度，对建筑物各部位采取相应的措施。如对于寒冷地区，应满足保温、防寒、防冻、防止冷风渗透等要求，且外窗的大小、层数及墙体的材料与厚度受到一定的限制。炎热地区的建筑，则应保证通风、隔热等要求。此外，构造设计还应考虑到自然界的风、地震等自然灾害，必须采取相关措施以防止建筑产生严重破坏，确保建筑的安全和正常使用。
　　
　　1.3外力的影响
　　
　　外力的大小和作用方式决定了结构的型式、构件的用料、形状和尺寸，而构件的选材、形状和尺寸与建筑物节点构造设计有着密切的关系，是节点构造设计的依据。钢结构住宅的承重骨架采用经济型钢材，围护结构采用轻质高强的新型材料，其抵抗外荷载的能力明显增强，因此，结构杆件多采用“壁薄杆细”的截面形式，在做节点构造设计时要予以重视。
　　此外，影响钢结构住宅的节点设计的因素还有对住宅的使用要求、物质技术条件、经济条件等，在这里就不一一详细介绍。
　　
　　二、节点构造设计原则
　　钢结构住宅由于其使用材料的特殊性，在做节点构造设计时，除需满足建筑设计的一般要求外，还要针对住宅建筑的特点，充分发掘钢构件和围护构件的性能，满足以下设计原则：
　　
　　（1）满足功能要求
　　满足住宅建筑设计的各项使用功能要求，如保温、隔热、隔声、防潮、防水、防火、防盗等，在构造设计时，综合有关技术知识，进行合理的设计、计算，并选择经济合理的构造方案。
　　（2）保证结构安全
　　要保证结构的安全，除根据荷载大小、结构的要求确定构件的必须尺度外，在节点构造上需采取措施，以保证构件与构件之间的连接，使之有利于结构的安全和稳定，并针对钢构件的不耐火、易锈蚀的缺点，采取有效防范措施。
　　（3）适应市场需求
　　适应住宅市场多品种、多样化的居住需求，增强构件、部品和连接节点的灵活适应性，使之便于安装和拆卸，从时间和空间两方面考虑住宅的可改性，最大化满足住户对住宅功能和设备的高品位追求，便于住宅的更新改造。
　　（4）适应工业化要求
　　适应工业化建筑的生产、加工、运输和施工要求，在构造设计时，大力推广先进技术，选择各种新型围护材料，采用标准设计和定型构件，为制品生产工厂化、现场施工机械化创造有利条件，发挥钢结构住宅预制装配化的优势，促进住宅产业的现代化。
　　另外，还要满足经济需求，做到精致美观，总之，在节点构造设计中，应全面贯彻“适用、安全、经济、美观”的建筑方针，并考虑住宅的使用功能、所处的自然环境、材料性能以及施工条件等因素，进行分析、比较，确定最佳方案。
　　
　　三、基础构造设计方法
　　
　　基础是实现住宅安全的重要条件。基础设计必须根据对地耐力的勘测结果而精心计算。为了抵抗地震、台风等带来的非常荷载，已及防止家具、积雪等固定荷重所带来的不均匀沉降，一般钢结构住宅采用钢筋(骨)混凝土条形基础、钢筋混凝土独立基础和钢筋混凝土筏板基础。
　　
　　3.1钢筋混凝土条形基础
　　
　　钢筋混凝土条形基础(如图3.1)，为了充分发挥钢筋的抗拉性和混凝上的抗压性的复合效应，基础的设计重点一方面是梁高和钢筋用量，另一方面是防止混凝土里的钢筋生锈。在钢筋的布置上采用主筋、腹筋、勒筋、基础筋和基础辅助筋五种钢筋的组合。条形基础适用于多层钢结构住宅，条形外围外皮距a由承托外墙的需要决定。
　　图3.1钢筋混凝土条形基础
　　
　　3.2钢筋混凝土独立基础
　　
　　在钢筋混凝土独立基础(如图3.2)中留预埋件，再和钢柱用螺栓连接，连系梁底穿越管线。独立基础适用于多层钢结构住宅。
　　
　　图3.2钢筋混凝土独立基础
　　
　　
　　3.3钢筋混凝土筏板基础
　　
　　钢筋混凝土筏板基础按与柱脚的连接方式可分为两种，外包式和埋入式(如图3.3)。采用外包式刚性柱脚的钢筋混凝土筏板基础适用于多层和中高层钢结构住宅；采用埋入式刚性柱脚的钢筋混凝土筏板基础适用于中高层和高层钢结构住宅。
　　当钢结构住宅需要做地下室时，其地下部分应该是劲性混凝土柱，钢柱一般固定在地下室的顶板部位的梁中(如图3.4)。由于钢结构柱基的构造高度，包括地脚螺栓和螺栓孔，一般为100--140mm。因此，柱基的构造高度需要120——160mm。
　　图3.3钢筋混凝土筏板基础
　　
　　
　　图3.4钢柱与劲性混凝土柱关系示意
　　
　　
　　四、门窗构造设计
　　
　　作为外围护体系的重要组成部分，钢结构住宅的门窗除具有采光、通风、室内外交通的功能外，还要满足装配化、隔声、节能、防火等要求，其中节能技术最为关键，其基本要求如下：
　　1．对窗户及阳台门上部的传热系数，要求根据采暖期度日数按JGJ26—95《标准》确定各向门窗的设计参数；
　　2．对窗户(包括阳台门上部)面积要求不宜过大，北向、东西向和南向的窗墙面积比，应分别控制在O.25，O.30和O35左右；
　　3．窗户气密性等级在1—6层建筑中不应低于现行国家标准《建筑外窗空气渗透性能分析及检测方法》(GB7101)规定的3级水平。
　　提高窗户的保温隔热性能，满足各地节能《细则》的要求，对“门窗传热系数”、“窗墙面积比"和“窗的密封性”三项进行控制，是关系节能成败的重要环节。降低窗户能耗的技术措施主要有三个方面：一是增加玻璃层数或使用热反射玻璃；二是阻断窗框热桥；三是加强密闭性。
　　当前市场上常见的塑钢窗、铝合金窗、彩钢板窗、钢窗等大多可以满足以上节能要求，在钢结构住宅设计中都可采用，可根据厂家提供的资料进行选用和安装。建议采用中空玻璃窗，它具有良好的保温隔热性能，可有效节约能源，隔声量一般可达40dB以上，有利于减少噪音污染，为住户提供高质量的居住环境。
　　
　　五、构件连接节点的构造设计
　　
　　5.1承重构件连接节点
　　
　　钢构件的连接方式一般有焊接连接、栓焊连接、高强螺栓连接、中螺栓连接、铆钉连接和自攻螺钉连接等，应遵循钢结构连接的一般规律，在满足结构要求、保证力的有效传递的前提下，综合考虑经济、美观、加工方便、有利于装配式生产等因素。
　　梁、柱与支撑节点主要通过节点板、角钢连接件和高强度的螺栓加以固定或以焊接的方式连接组合，连接时应保证构件的中心线重合。梁柱连接分两种情况：只将梁的腹板连接到柱子，这种连接方式只传递剪力，按铰接考虑；梁的腹板与翼缘同时连接到柱子，这种连接方式既传递剪力又传递弯矩。
　　墙粱与柱通常采用角钢支托进行连接，角钢支托与柱焊接，墙梁与角钢通过螺栓连接。墙梁与柱的连接有三种方式：(1)通过式，将墙梁以螺栓或卡具固定于柱的外侧，这种方法要考虑柱的侧向挠区的增加；(2)半通过式，将墙梁部分置于柱的外侧；(3)齐平式，使墙梁基本上与柱子齐平(如图4.1)。
　　
　　图4.1墙梁与柱子的关系
　　
　　钢结构住宅多采用现浇或预制的钢筋混凝土基础，由于钢柱的抗压强度远远低于混凝土，所以，为保证荷载的均匀分布，防止基础损坏，必须在柱子与基础间添加垫板(如图4.2)。
　　
　　图4.2柱下垫板
　　
　　
　　钢柱脚的连接方式可采用铰接或刚接(如图4.3)，对多层和小高层及地下室层数较多时可采用铰接，但应考虑柱脚在地下部分的防腐，而对高层住宅，柱脚宜采用刚接。
　　
　　图4.3钢柱脚的连接方式
　　
　　
　　5.2墙与钢柱、钢梁连接节点
　　
　　在钢结构住宅设计中，钢构件与外墙的位置关系主要有以下四种情况：(1)在墙体外部，完全暴露于室外环境中，这时钢构件要经受很大的线性变化；(2)置于墙体以内而又与外部气温相接触，这时必须在其内表面加以绝缘，否则它就会成为热桥，并会由于内外温差大引起的不均匀膨胀而导致弯曲；(3)采用由两半组成的部件，并在接缝处加以绝缘隔热层，将会避免上述问题；(4)置于保温层以内，主要受室内稳定温度的影响，只有微小的温度变形。钢构件导热系数大，设计中要尽量避免前两种情况，并采取相应的构造措施防止热桥的产生。
　　
　　5.3．墙与门窗连接节点
　　
　　墙与门窗连接节点着重于接缝处的密封与防水、排水处理，并要满足装配化、安装方便等要求。当前市场上常见的塑钢门窗、铝合金门窗、彩钢板门窗等均可在钢结构住宅设计中采用，可根据厂家提供的资料进行安装，构造节点与传统设计差别不大，这里就不赘述。下面对金属披水板在外墙构造设计中的应用作一探讨。
　　披水板可以防止雨水向室内渗漏，避免雨水污染、损伤墙面。目前国内多采用木条作披水板或用水泥砂浆抹滴水线，费时费事，不做或简做的在工程中普遍存在。采用金属披水板可以在工厂生产，成本合理，质量稳定，现场安装方便，无湿作业，非常适合于装配式钢结构住宅部品的生产方式。因其具有断面精巧、排水顺畅、不易爬水、自重轻、装饰效果好、维修更换简便等特点，在国外建筑中应用较多。外墙金属披水板一般选用材料为镀锌铁皮、锌皮、铜皮、铝皮、不锈钢板、彩色压型钢板等，厚度约0.4—1.5mm，断面形状和尺寸变化很大，因具体设计而宜。
　　
　　参考文献
　　1、张庆风，张小玲等．钢结构住宅设计和施工技术．中国建筑工业出版社，2003．11.
　　2、陈泽建．钢结构住宅建筑将成为我国住宅的重要组成部分．钢结构与建筑业，2002．5.
　　3、周建龙．钢结构住宅发展现状的评述．钢结构与建筑业，2002．5.
　　4、凌光容．钢结构住宅体系现状及对若干技术问题的讨论．天津建设科技，2000．3.
　　5、宗听聪．钢结构构件和结构体系概论．同济大学出版社，1999.

《浅析钢结构住宅节点构造设计的理论与方法》

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