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多层钢结构建筑的结构设计要点分析
新闻来源:富煌集团  新闻记者:陈超  发布时间:2015/10/9 11:07:00

众所周知,钢结构具有强度高、自重轻、施工快、成本低、抗震好、污染小等一系列优势,因此其有着一般建筑结构不可比拟的优越性,这也是其得以在多层建筑工程中立足的关键所在。因此为充分发挥钢结构的功能效用,提高多层建筑整体效益,我们可对其结构设计要点进行分析,以其推动多层钢结构建筑逐步走向产业化。
一、多层钢结构建筑结构设计的重要性
近年来,多层钢结构建筑在建筑体系中的影响越来越大,这显然离不开其应用优势。如钢结构往往可在工厂预制并在现场安装,其极高的精确度和效率利于缩短施工周期;钢材的高强度特点可灵活分隔建筑平面,连接简单的优势又可发挥跃层结构、错层结构的优势,显然有助于功能区间的合理布置;而高承载、高延性以及良好的耗能能力,可使多层建筑结构的安全性和抗震性增强;此外钢结构的应用还可加快施工进度、节约钢筋用量、减少工程造价,可见推广多层钢结构建筑是必然趋势。但上述优势效用的发挥必须以合理的结构设计为基础和前提,否则其应用优势便无从谈起,因此重视并优化多层钢结构建筑结构设计现实意义重大。
二、多层钢结构建筑的结构设计要点分析
1、注重结构选型
多层钢结构建筑的结构选型,不仅要求满足建筑功能,也要兼顾安全性和经济性,虽然目前有多种结构形式可供选择,如框架-剪力墙、大型框撑-轻钢填充、钢框架、交错桁架、框架-核心筒、框架-支撑等结构体系,但像前两类结构在我国正处于研究阶段,尚未实践应用,但无论选择何种结构,都应将建筑高度、柱网尺寸、受力特点、施工难度、进度、用钢量等因素考虑在内。在此就常见的结构形式进行分析。
如由基础、梁、柱、板等构件组成的框架体系,虽然可灵活布置平面,创造较大的室内空间,且结构刚度均匀,延性良好,但侧向刚度不够,易受水平荷载影响发生较大位移,导致部分构件破坏;若建筑层数较多,并增强横向抗侧移强度、缩短柱长、改善稳定性,可选用框架-支撑结构;同时采用焊接或轧制的方钢管、H截面,角钢、T型截面的支撑构件,以及5-8m的大开间、大柱网布置形式等;而交错桁架结构主要由桁架、柱子、梁、板构成,且无中间柱,具有杆件受力合理、用钢量少、抗侧移能力强等特点,但在设计时要求确保一层桁架连接基础梁或经底层斜撑连接基础,以免发生过大的水平位移,并尽量确保竖向和水平结构布置规则对称等。由上可知,多层钢结构建筑结构体系虽形式丰富,但各有利弊,故需要立足实际予以科学权衡、合理选择。
2、规范结构布置
多层钢结构建筑结构设计中的结构布置也是不容忽视的,一般情况下,设计钢结构布置时需要确保柱网梁系统科学合理,横向纵向受力均匀、刚度可靠,构件类型统一、传力明确,节点简单、易于施工;楼层选用刚性平面楼面,并尽量结合平接构造连接楼盖中的主梁和次梁;若横向结构体系设有支撑构件,应将柱间支撑控制在4L以内(L为柱间距),必要时还需将抗震要求纳入考虑范围;允许在竖向结构上设置分段变截面,但必须有效控制楼层之间的刚度变化;考虑到支撑结构刚度大、用钢量少,且构造简单、抗侧移性能好,所以适宜优先选用,但值得一提的是,必须在结构布置过程中确保受力合理均匀,以免刚度中心发生偏移。
3、优化构件节点设计
由于多层钢结构建筑体系设计有结构和非结构构件之分,无论哪个环节设计不周,都可能对整个结构性能构成威胁,所以柱底通常为外包式或埋入式刚性柱脚,若基础地质较差,可选用桩基础、条形或筏形基础;梁柱通常为强柱弱梁设计,其中梁一般选用热轧或高频焊接H型钢,柱一般选用钢管混凝土或H型钢柱;而楼盖结构多会设计为压型钢板、现浇钢筋混凝土、叠合现浇等楼板,并配以轻质复合材料的围护体系设计等。
而针对节点这一结构设计重点,既要确保其传力可靠、便于连接,也要使其受力特点匹配计算模型,唯有如此,方可确保结构安全可靠。在多层钢结构建筑中,横向梁柱和纵向腹板往往分别选用刚接节点和铆接节点,框架-支撑结构的梁柱节点可为半刚接或铆接,构件与支撑、桁架杆件等的连接多为铆接节点,而交错桁架中的纵向梁与柱则为刚接节点。但在设计刚性连接时,可结合使用楔形盖板、焊补强板等方式满足节点域要求,以免影响节点刚度、强度、变形、抗震等性能;若抗震要求较高,则可参考侧向隅撑设置以及梁端加腋、加强、削弱等梁柱刚性连接方式增强结构的抗震性能。
针对多层钢结构建筑楼盖设计,可选用劲扣式压型钢板,并确保内扣封闭,借助栓钉连接紧固压型钢板与钢梁,以此使其刚度、承载力和整体性能够满足相关要求;针对围护墙体,可选用ALC板、复合墙体等应用广泛的墙体材料,以及纤维石、纸面石膏等内墙板材,以此彰显钢结构布置灵活、自重较轻、可改性好等优势。此外,为防止钢材发生锈蚀,以及因高温而弱化刚度、强度等性能,还应做好防火防腐设计。
总之,较之一般建筑,多层钢结构建筑有着明显的应用优势,但这必须以合理而完善的结构设计为重要前提和基础保障。这就要求我们从其结构选型和细节设计出发,掌握其中的设计要点、难点和薄弱环节,然后予以改进和优化,进而减少设计缺陷,提高设计质量。相信在不久的将来,多层钢结构建筑会拥有更为完善的结构设计和广阔的发展前景。

 
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