多层钢结构设计研究

　　【摘 要】：本文首先通过从理论和现实意义上分析得出，多层钢结构具有的优势和广阔的市场前景，能够成为设计院新的经济增长点;其次通过市场调研等提出多层钢结构项目设计及实施过程中的一些技术关键点;然后结合具体的工程实例，说明在工程实践中上述技术关键点是如何实现的。

　　【关键词】：多层钢结构,钢框架结构 ,支撑,SP板

　　一、多层钢结构建筑的优势和发展前景

　　多层钢结构建筑作为一种较为新颖的结构形式，近几十年来在世界范围内的应用越来越普遍，广泛地应用于公共建筑、商业、住宅、办公楼等类型的建筑中。但由于以往在国内相对缺乏对多层钢结构领域的研究，以及经济造价方面的考虑，多层钢结构在我国的应用主要是近十年的事，并且项目的总体规模不大，主要集中在超市、住宅等方面。

　　但是多层钢结构作为一种先进的建筑技术，是社会经济发展和科技进步在建筑业的产物，符合建筑产业化以及建筑资源可持续发展的要求。并且，钢结构具有如下优点：1.材质均匀，可靠性高;2.强度高，自重轻;3.抗震性能好;4.精度高，质量好，施工速度快;5.便于管道穿越，减少楼层高度;6.施工时有利于环境保护，构件可循环利用;7.综合经济效益较好。以上优点结合保温隔热、废旧利用的新型墙体建材的开发，能够做到“节能省地”和环保建筑的要求。近年来，我国的钢铁产量稳步提高，为钢结构建筑的发展提供了充足的外部条件;而对钢结构的科学研究也在不断深入进行，这为钢结构建筑的发展提供了技术条件。

　　综上所述，随着我国国民经济的进一步发展和钢结构方面科研的更加深入，多层钢结构建筑在我国的应用将会越来越普及，而钢结构建筑设计市场对我们来说，是一次大的机遇，也是一次大的挑战。正是在这样的环境下，我们对多层钢结构进行专门的课题研究，希望通过此课题的研究，提高我公司在多层钢结构方面的设计实力，使我公司的多层钢结构设计内容更完善、充实，为以后承接更多更复杂的多层钢结构项目打下坚实的技术基础。

　　二、多层钢结构建筑的技术关键点

　　通过上述分析，多层钢结构确实具有一定的优势和很好的发展前景，但是一个具体的多层钢结构建项目的实施，还存在着一些技术关键点需要解决：

　　1.多层钢结构的结构类型。《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)第8.1.1条对钢结构民用房屋的结构类型和最大高度进行了规定，第8.1.5条规定：一、二级的钢结构房屋，宜设置偏心支撑、带竖缝钢筋混凝土抗震墙板、内藏钢支撑钢筋混凝土墙板、屈曲约束支撑等消能支撑或筒体。由此可知，多层钢结构可采用框架结构、框架-支撑结构或其他结构类型，但是具体采用何种结构类型需根据实际情况(主要是抗震设防烈度、设计基本地震加速度和建筑物高度)和结构模型分析计算情况确定。

　　2.钢框架柱的截面选择。钢框架柱的截面类型主要有： H形截面;箱形截面;圆形截面;十字形截面。

　　3.钢框架刚接柱脚的实现。多层钢结构与基础刚接的柱脚依据连接方式的不同，分为埋入式柱脚、外包式柱脚和外露式柱脚。建筑物高度超过50米的高层钢结构宜采用埋入式柱脚，6、7度时也可采用外包式柱脚。具体采用何种柱脚型式，需根据抗震设防烈度、建筑物高度等具体情况确定。

　　4.钢框架中楼板、屋面板的选型。多高层建筑钢结构中的楼板，普遍采用在压型钢板上浇筑混凝土形成的组合楼板和非组合楼板。组合楼板中的压型钢板不仅用作永久性模板，而且代替混凝土板的下部受拉钢筋与混凝土一起共同工作;非组合楼板中的压型钢板仅用作永久性模板，不考虑与混凝土共同工作。对6、7度时不超过50米的钢结构还可采用装配式、装配整体式楼盖(如楼板采用SP预应力空心板)，但应将楼板预埋件与钢梁焊接，或采取其他保证楼盖整体性的措施。此外，还有现支模板现浇钢筋混凝土板，这是传统的现浇钢筋混凝土板和比较现代的钢结构结合的一种方式，需要分层支模，分层绑扎钢筋，分层浇筑混凝土。

　　三、工程实例

　　某城市一用于家具展销的物流中心，占地面积约19000平米，地下1层，地上5层，总建筑面积约11万平米。该物流中心东西向长度为109.2米，南北向长度为176.4米，柱距均为8.4米。地下1层层高3.9米，地上1层层高5.1米，地上2层层高4.8米，地上3、4、5层层高均为4.5米。该建筑物总高度为23.85米。

　　该地区基本风压0.45kN/㎡，基本雪压0.40kN/㎡。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类。根据建设方的要求，该建筑地下室采用普通现浇钢筋混凝土框架结构，地上采用钢框架结构。地上钢结构部分的具体结构类型、钢柱钢梁的截面类型、楼屋盖和外墙材料的选型由设计院根据该项目的特点和以往的设计经验确定，但务必做到最大限度地节省材料，降低造价，尽可能考虑建成后的运行成本达到最低，并且施工周期尽可能地短，以便该建筑尽早投入使用。

　　根据该建筑本身的特点、所在地区的基本情况和建设方的具体要求，我们对该项目的技术关键点进行了分析：

　　1.抗震设防类别的确定。该物流中心为大型的多层商场，根据《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50223-2008)中6.0.5条的规定，该建筑物的抗震设防类别为重点设防类(乙类)。其地下室钢筋混凝土框架的抗震等级为三级，抗震构造措施按二级采取;地上钢结构部分的抗震等级为三级，抗震构造措施按二级采取，抗震构造措施具体内容详见《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)第8.3节内容。

　　2.结构类型的确定。根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)中第5.5.1条，多、高层钢结构在多遇地震作用下的弹性层间位移角限制为1/250;根据《2009全国民用建筑工程设计技术措施 结构(结构体系)》中第3.1.4条，多、高层钢结构房屋，在风荷载作用下质心顶点位移不宜超过建筑高度的1/500，质心层间位移不宜超过楼层高度的1/400。本建筑物高度小于50米，钢结构部分的抗震等级为三级，根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)第8.1.1条、第8.1.3条和第8.1.5条，可以采用框架结构。但计算结果中的层间位移角需满足上述要求。

　　采用PKPM计算软件首次建模计算时，结构体系采用框架结构。其层间位移角的计算结果为：X方向多遇地震作用下的楼层最大层间位移角为1/ 236;Y方向多遇地震作用下的楼层最大层间位移角为1/ 232;X方向风荷载作用下的楼层最大层间位移角为1/ 925;Y方向风荷载作用下的楼层最大层间位移角为1/ 1620。可以看出，在多遇地震作用下的两个方向的弹性层间位移角均大于规范要求的限值，不满足规范要求。

　　解决的方法有两种：方法一：加大框架梁柱的截面;方法二：沿框架的两个方向增加支撑。对于方法一，因为框架结构不是很有效的抗侧力体系，当房屋层数较多、水平荷载较大时，为满足层间位移的要求，梁柱截面尺寸将加大较多，以致大到超出经济合理的范围。而对于方法二，即当为避免梁柱截面过大及用钢量增加，在部分框架柱之间设置竖向支撑，形成竖向桁架，来提高结构的抗侧刚度，减小结构的层间位移角。根据以上的分析，决定采取方法二来解决层间位移角偏大的问题。具体做法是在Y方向上建筑的两侧各设置两道支撑(Y方向上两端跨处)，在X方向上建筑的两侧各设置四道支撑(X方向上两端跨处加两中间跨处)。

　　增加上述位置的支撑后，PKPM软件的计算结果：X方向地震力作用下的楼层最大层间位移角为1/ 334;Y方向地震力作用下的楼层最大层间位移角为1/ 303;X方向风荷载作用下的楼层最大层间位移角为1/ 1509;Y方向风荷载作用下的楼层最大层间位移角为1/ 2209。以上结果均满足规范要求，并且用钢量增加不大，较为经济合理。

　　3.钢框架柱的截面类型的确定。以下是对各类型钢框架柱截面类型的分析：1)H形截面。a.轧制宽翼缘H型钢是多高层建筑框架柱最常用的截面形式，

　　其优点是：轧制成形，加工量少;翼缘宽而等厚，截面经济合理;截面是开口的，杆件连接较容易;规格尺寸多，可直接用于柱。缺点是：截面性能(抗弯刚度和受弯承载力)分强轴和弱轴。b.焊接H形钢柱是按照受力要求采用厚钢板焊接而成的拼合截面，用于承受很大荷载的柱。

　　2)箱形截面。箱形截面的受弯承载力较强，而且截面性能无强轴、弱轴之分。截面尺寸可以按照两个方向的刚度、强度要求而定，经济合理。其缺点是：需要拼装焊接，焊接工艺要求高，加工量大。

　　3)圆形截面。圆形钢管多采用钢板卷制焊接而成，轧制圆钢管，尺寸较小，价格较高。圆形钢管多用于轴心或偏心受压的钢管混凝土柱。

　　4)十字形截面。a.由4个角钢拼焊而成的十字形截面，多用于仅承受较小重力荷载的次框架中的轴向受压柱，特别适用于隔墙交叉点处的柱，与隔墙连接方便，而且不外露。b.由钢板焊接而成或由一个窄翼缘H型钢和两个部分T型钢拼焊而成的带翼缘十字形截面，多用于型钢混凝土结构，以及由底部钢筋混凝土结构向上部钢柱转换时的过渡层柱。

　　对于本工程，从理论上说，最合适的柱截面形式是箱形截面。但是，如果采用箱形截面，如前分析所述，需要大量的拼装焊接，并且对焊接的工艺要求比较高。并且，对焊缝质量的检测工作会大大增加。这样，工程的造价会提高，工期会延长。这些都无法满足建设方造价经济、工期较短的要求。

　　这样，轧制宽翼缘H型钢就成为了我们的首选：a. 轧制H型钢在工厂直接轧制而成，不需要再进行拼装焊接。造价经济，工期较短;b. 轧制H型钢与焊接的钢柱比较，质量更加安全可靠;c. 轧制H型钢的板件宽厚比均能满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)第8.3节中对框架梁柱板件宽厚比限值的要求;d. 轧制H型钢虽有截面性能分强弱轴的缺点，但是本工程层数不高，只有5层，影响不是很大。并且布置框架柱的时候，将轧制H型钢柱的腹板沿建筑的短边方向布置，充分发挥其强轴方向的抗弯刚度和受弯承载力。e.由于建筑外围两个方向均布置有交叉支撑，整个结构的抗侧刚度有所提高，在多遇地震和风荷载作用下的两个方向的弹性层间位移角均满足规范的限值要求。

　　综上所述，本工程钢框架柱采用轧制宽翼缘H型钢是比较合理的选择。

　　4.钢框架刚接柱脚的型式确定。本工程地下一层为钢筋混凝土框架结构，地上部分的钢框架柱实际是需要和地下的钢筋混凝土框架柱柱顶实现刚接。这样，不同于一般的钢框架柱与基础刚接，无法采用比较常规的埋入式柱脚，只能采用外包式的柱脚。即将钢柱直接置于地下室钢筋混凝土框架柱柱顶，和由钢筋混凝土框架柱扩大柱头上伸出的钢筋在钢柱四周外包一段混凝土形成的柱脚。

　　外包式柱脚的钢筋混凝土包脚高度、截面尺寸和箍筋配置(特别是顶部加强箍筋)对柱脚的内力传递和恢复受力特性有重要作用，因此应该使得包脚高度足够，混凝土的保护层也要足够。为了可靠锚固纵筋，在顶部，纵筋要做成弯钩状，下弯不得小于150mm。

　　外包式柱脚的具体设计方法：

　　1)包脚高度：H形截面柱，以2.5倍柱高为宜，上下允许浮动10%。箱形截面柱和矩形钢管混凝土截面柱，以3倍柱高为宜，上下允许浮动10%。向下浮动时，构造措施要加强。

　　2)外包混凝土的厚度：H形截面柱≥180mm，箱形柱≥200mm。

　　3)外包混凝土最低强度等级C30。

　　4)在包脚高度范围内应按照构造要求，尽量多地布置栓钉。栓钉直径为19或22。构造要求为：栓钉竖向间距≥6ds，横向间距≥4ds，栓钉中心到钢柱边的距离是50mm，另外还要考虑栓钉的施焊空间。

　　5)计算外包混凝土中的配筋：外包式柱脚钢柱与基础可视为铰接，弯矩全部由外包的钢筋混凝土承担。由于采用对称配筋，可按照下式计算配筋：

　　M=0.9Asfyh0

　　式中，As为一边的配筋面积，h0为受拉钢筋的中心到混凝土受压边缘距离。上式假设受压区钢筋和受拉区钢筋的间距为0.9h0。

　　5.钢框架中楼盖类型的确定。前期我们和建设方就楼盖类型进行过讨论，并且进行过实地调研。所讨论的楼盖类型主要是四种：1)南京旭建轻质加气配筋混凝土(ALC)板;2)楼承板非组合楼盖;3)现支模板现浇钢筋混凝土板;4)SP预应力空心板。下面逐项分析各种楼盖的优劣性：

　　1)ALC板。建设方与我们已于2010年5月专程赴南京旭建厂家进行了有针对性的考察。对于ALC板用于外墙板和不上人屋面板，我们比较看好，因为早在2003年就已经有了针对ALC板用于外墙板和不上人屋面板的国家标准图集《蒸压轻质加气混凝土板(NALC)构造详图》(03SG715-1)。而且在这么长的使用时间里，其应用情况也比较正常，尤其其用于外墙板时，可以直接生产带花纹的板，减少了再装修的层次。但对于ALC板用于楼面板，我们不看好，除了其应用情况少，暴露不了什么问题外，我们一直比较担心其受力状况，其轻质加气混凝土抗压强度才4Mpa，不符合我们的选材标准。

　　2)非组合楼盖。楼面、屋面(除地下室顶板外)为非组合楼盖，在钢梁上铺楼承板，楼承板采用镀锌板，规格为YXB60-200-600，波高60，楼承板上现浇钢筋混凝土板，钢筋砼楼板最薄为60。

　　楼承板非组合楼盖的优点有：

　　a.由于压型钢板作为浇灌混凝土的模板，节省了大量临时性模板，省去了全部或部分模板支撑;

　　b.由于压型钢板非常轻便，因此堆放、运输及安装都非常方便。省去了大量支模工作，不仅节省大量劳力，还减少了现场工作量，改善了工人施工条件;

　　c.用圆柱头焊钉穿透压型钢板焊接在钢梁上翼缘后，压型钢板在施工阶段可对钢梁起侧向支承作用;

　　d.便于敷设通信、电力、采暖等管线，并且可敷设保温、隔音、隔热、隔震等材料，改善楼(屋)面的工作性能;

　　e.由于压型钢板作为浇筑混凝土的模板直接支承于钢梁上，为各工种作业提供了宽敞的工作平台，因此浇筑混凝土及其他工种均可多层立体作业，大大加快了施工进度，缩短了工期;

　　f.压型板可直接作顶棚。采用彩色钢板，不做吊顶也十分美观;

　　g.与使用木模板相比，压型钢板组合楼板施工时，减小了发生火灾的可能性;

　　h.由于压型钢板不起混凝土板内的受拉钢筋作用，可不采用防火涂料，但宜采用具有防锈功能的镀锌板;

　　i.仍需采用圆头焊钉将压型钢板与钢梁焊接固定，保证施工人员在压型钢板上行走及操作安全。

　　其缺点是：采用压型钢板后，将增加材料费用。

　　3)现支模板现浇钢筋混凝土板。这是传统的现浇钢筋混凝土板和比较现代的钢结构结合的一种方式，需要分层支模，分层绑扎钢筋，分层浇筑混凝土。这种方式完全损失了钢结构的优势，不值得推荐。

　　4)SP预应力空心板。SP板是美国SPANCRETE公司的生产设备工艺流程、专利技术和SP商标使用权在我国生产的预应力混凝土空心板。其在工厂制造，现场直接吊装，非常简便，施工速度比非组合楼盖更快，工期更短。SP板的跨度可以直接做到8.4m，而板厚只有180mm厚，与非组合楼盖相比，每跨省去两道钢次梁，节省钢框架用钢量约30%。

　　通过上述分析，可以看出楼承板非组合楼盖和SP预应力空心板是比较可行的两种方案。比较而言，楼承板非组合楼盖整体性好，但是造价略高;SP预应力空心板整体性稍差，但是施工速度更快，造价也较为经济。根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)中第8.1.8条规定：“对6、7度时不超过50m的钢结构，尚可采用装配整体式钢筋混凝土楼板，也可采用装配式楼板或其他轻型楼盖;但应将楼板预埋件与钢梁焊接，或采取其他保证楼盖整体性的措施。”由此条可知，本工程楼板采用SP预应力空心板规范是允许的，但是应将SP板预埋件与钢梁焊接，或采取其他保证楼盖整体性的措施。

　　因此，我们最后选择了SP预应力空心板。实际做法是：a.将SP板板底端部预埋件与钢梁牢固焊接;b.在SP板板顶端部加设预埋件，再用8个厚的钢板与相邻四块SP板的办顶端部预埋件焊接连接，加强楼板之间的地震水平剪力传递;c.在SP板间板缝采用水泥砂浆灌缝，来保证楼盖的整体性。这样结构计算的时候可以认为基本符合平面内楼板无限刚的假定。

　　四、结语

　　随着我国经济的飞速发展，多层钢结构越来越多地应用于工程实践中。在设计过程中，只要能够充分理解规范，做好结构模型的计算与分析，掌握多层钢结构设计的技术关键点，注意多种实施方案的对比与选择，就能够在工程实践中取得较好的经济效益和社会评价。

《多层钢结构设计研究》

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