浅谈高层住宅钢结构设计

来源：职称驿站所属分类：建筑设计论文
发布时间：2012-11-13浏览：25次

　　摘要：随着工业化进程的加快，住宅建筑设计向高层发展，而现阶段，我国经过研究和实践，建立了以钢结构为主体结构的住宅建筑体系，推进了中国住宅建筑产业化的发展进程。本文主要阐述了高层住宅建筑钢结构的优点、钢结构设计主要流程。

　　关键词：高层住宅,钢结构,设计,流程,注意问题及对策

　　前言

　　建筑自人类产生以来都是人们生活的重要组成部分，但在很长时间里运用的都是石材与木材等。随着科技的发展，新型材料广泛运用于房屋建筑中。钢结构由于在高层建筑和大跨度高耸结构方面的优越性，使其在非居住建筑领域得到了广泛的应用。国家经济实力的增强和住宅商品化、产业化的要求，促进了住宅新技术和新材料的研究、应用，钢结构将成为建筑中最适合创新的住宅结构体系，也是住宅建筑行业二十一世纪的主导方向。

　　一、运用钢结构设计的优点

　　一般来说，材料的特性是推出新型建筑形式的出发点。钢结构是用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢制造而成的。和其它材料的结构相比，钢结构有如下一些特点：

　　材料的强度高，塑性和韧性好过钢材和其它建筑材料，诸如与混凝土、砖石和木材相比，强度要高得多。因此，特别适用于跨度大或荷载很大的构件和结构。钢材还具有塑性和韧性好的特点。塑性好，结构在一般条件下不会因超载而突然断裂;韧性好，结构对动力荷载的适应性强。良好的吸能力和延伸性能还使钢结构具有优越的抗震性能。另一方面，由于钢材的强度高，做成的构件截面小而壁薄，受压时需要满足稳定的要求，强度有时不能充分发挥。

　　材质均匀，钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此，钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合。钢材在冶炼和轧制过程中质量可以得到严格控制，材质波动的范围小。

　　钢结构制造简便，施工周期短。钢结构所用的材料单纯而且是成材，加工比较简便，并能使用机械操作，因此，大量的钢结构一般在专业化的金属结构厂做成构件，精确度较高。构件在工地拼装，可以采用安设简便的普通螺栓和高强度螺栓，有时还可以在地面拼装和焊接成较大的单元再行吊装，以缩短施工周期。此外，对已建成的钢结构也比较容易进行改建和加固，用螺栓连接的结构还可以根据需要进行拆迁。

　　钢结构的重量轻。钢材的比重虽比混凝土等建筑材料大，但钢结构却比钢筋混凝土结构轻，原因是钢材的强度与比重之比要比混凝土大得多。以同样的跨度承受同样荷载，钢屋架的重量最多不超过钢筋混凝土屋架的1/3 至1/4，冷弯薄壁型钢屋架甚至接近1/10，为吊装提供了方便条件。对于需要远距离运输的结构，重量轻也是一个重要的有利条件。

　　二、高层住宅钢结构的设计流程

　　1、判断结构是否适合用钢结构

　　钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。

　　2、结构选型与结构布置

　　在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是“概念设计”，它在结构选型与布置阶段尤其重要，对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。

　　3、预估截面

　　结构布置结束后，需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的1/20—1/50之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按1/b限值确定时，可回避钢梁的整体稳定的复杂计算，这种方法很受欢迎。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。

　　柱截面按长细比预估。通常50<λ<150，简单选择值在100附近。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同，可选择钢管或H型钢截面等。

　　4、结构分析

　　目前钢结构实际设计中，结构分析通常为线弹性分析，条件允许时考虑P-Δ，p-δ。新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能.这为更精确的分析结构提供了条件。

　　5、构件设计

　　构件的设计首先是材料的选择。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。构件设计中，现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面，这和结构内力计算的弹性方法并不匹配。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。

　　6、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。

　　7、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和设计院钢结构工程师缺乏的矛盾，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。

　　设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度的控制，目前比较混乱，各个设计单位之间及其与钢结构公司之间不尽相同。初学者可参考他人的优秀设计并参考相关的工具书，并依据规范规定编制。

　　三、实例分析

　　1、工程基本状况

　　北京市某搅拌塔铜结构工程共10层，建筑面积约12500 m2，建筑物短向20米，长向60米，建筑高度42.8m。结构在七层局部有夹层，十层抽掉8根中柱为大空间结构。本工程屈于乙类建筑，结构使用年限为50年，结构安生等级为二级，基本风压0.45kN/m2，基本雪压为0. 40kN/m2，抗震设防烈度为8度.地震加速度为0.20g，三类场地土。除制结构自重外，结构楼层恒载5 0kN/m2.局部成品、原料堆积荷载1 2 0kN/m2，楼面操作荷载2 0kN/m2。散装料斗1 20吨/个，共计3个，支撑在二层楼层顶，穿过3—5个楼层：砂子料斗1 50吨/个，其计39个，支撑在六层楼层顶，穿过7～9层楼层。所有料斗与支承层以上的三层都有水平连接。

　　2、钢结构总体体系设计

　　搅拌塔采用钢框架一支撑体系，主要柱距7.675米，结构长向两边列设两道拄间支撑，结构短向设四道柱间支撑。主截面采用焊接箱形截面，梁为焊接H形截面，支撑采用焊接H形截面，楼板采用压型钢板与现浇混凝土的组合楼板.图1。

　　3、厂房的抗震设计

　　地震作用计算时，根据行业特点，楼面检修荷载、成品、原料堆积荷载、设备和料斗物料等，重力荷载代表值的可变荷载组合值系数采用0.8。

　　由于工艺要求，六层以上楼板都有较大开洞，结构模型按照弹性扳假定进行计算。计算考虑了恒载、活载、风载、x向地震作用、Y向地震作用和竖向地震作用等工况，水平地震作用考虑了耦联振动的影响及双向地震作用的扭转效应。采用钢结构设计软件ss 2000对结构进行了分析。

　　结束语

　　应该看到，我国钢结构住宅正得到大力地发展，但从建筑、结构设计到制作安装，各个环节我们都与国外先进水平有很大的差距。作为设计人员，应在工作中应该脚踏实地的积极创新;专业研究人员则应对钢结构设计理论和设计方法进行深入系统的研究。

　　参考文献

　　[1]蔡玉春;钢结构住宅产业化的现状与进展[J];钢结构，2005，01.

　　[2]姜学诗，钢结构房屋结构设计中常见问题分析 [J];建筑结构，2003，06

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