【摘要】本文主要圍繞著輕鋼結(jié)構(gòu)住宅框架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)工作展開分析,探討了輕鋼結(jié)構(gòu)住宅框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程和步驟,分析了設(shè)計(jì)的要點(diǎn),以及需要注意的地方,希望能夠?yàn)檩p鋼結(jié)構(gòu)住宅框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作提供參考。 

【關(guān)鍵詞】輕鋼結(jié)構(gòu);住宅;框架結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì) 
  一、前言 
  隨著建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的進(jìn)步,輕鋼結(jié)構(gòu)住宅框架結(jié)構(gòu)越來越流行,成為了當(dāng)前建筑行業(yè)廣泛使用的一種建筑結(jié)構(gòu)體系。為了提高輕鋼結(jié)構(gòu)住宅框架結(jié)構(gòu)使用效果,必須要分析其設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。 
  二、鋼框架結(jié)構(gòu)體系 
  鋼框架體系的主要受力構(gòu)件是框架梁、框架柱,它們通過鋼接共同抵抗豎向荷載和水平荷載。框架節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)整體性的關(guān)鍵部位,許多震害表明節(jié)點(diǎn)往往是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的薄弱環(huán)節(jié),框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度小,屬于柔性結(jié)構(gòu),在強(qiáng)震作用下,由于彈塑性變形所產(chǎn)生的水平位移較大,框架結(jié)構(gòu)的自振周期長,自重小,地震荷載作用小,對抗震有利。但另一方面,高層框架由于側(cè)向剛度小,在強(qiáng)震作用下的頂端水平位移和層間水平位移都過大,導(dǎo)致非結(jié)構(gòu)構(gòu)件如填充墻、建筑裝修和設(shè)備管道等性破壞嚴(yán)重。在地震過程中,這些非結(jié)構(gòu)性的破壞常常危及到生命財(cái)產(chǎn)的安全,而且震后的修復(fù)工作和投資往往也是很大的。 
  鋼框架體系在水平荷載的作用下產(chǎn)生水平位移,要滿足規(guī)范的要求必須增大框架的抗側(cè)力能力,框架體系的抗側(cè)力能力主要取決于梁、柱剛度,要提高框架體系中梁、柱剛度,只有增大梁、柱的截面面積,而梁、柱的截面過大會影響住宅的建筑布局和室內(nèi)空間,因此受水平位移限制的影響鋼框架體系的住宅一般都在10層以下。 
  三、鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的原則 
  針對鋼結(jié)構(gòu)建筑穩(wěn)定問題,在實(shí)際設(shè)計(jì)中,我們必須遵循以下幾個(gè)原則: 
  1、結(jié)構(gòu)整體布局必須考慮整個(gè)體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求。目前結(jié)構(gòu)大多數(shù)是按照平面體系來設(shè)計(jì)的,如桁架和框架都是如此。為保證這些平面結(jié)構(gòu)不致出平面失穩(wěn),需要從結(jié)構(gòu)整體布置來解決,亦即設(shè)計(jì)必要的支撐構(gòu)件。這就是說,平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出平面穩(wěn)定計(jì)算必須和結(jié)構(gòu)布局相一致。 
  2、結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖和計(jì)算方法所依據(jù)的簡圖相一致,這對框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算十分重要。目前在設(shè)計(jì)單層和多層框架結(jié)構(gòu)時(shí),經(jīng)常不作框架穩(wěn)定分析而是代之以框架柱的穩(wěn)定計(jì)算。在采用這種方法時(shí),計(jì)算框架穩(wěn)定時(shí)用到的柱計(jì)算長度系數(shù),自應(yīng)通過框架整體穩(wěn)定分析得出,才能使柱穩(wěn)定計(jì)算等效力框架穩(wěn)定計(jì)算。然而,實(shí)際框架多種多樣,而設(shè)計(jì)中為了簡化計(jì)算工作,需要設(shè)定一些典型條件。 
  四、輕鋼結(jié)構(gòu)體系的主要類型 
  針對低、高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的需求,當(dāng)前主要采用的幾種典型輕鋼結(jié)構(gòu)體系類型包括以下幾類: 
  1、冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系 
  這種結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)件采用薄鋼板冷彎成為C形、Z形、U形等結(jié)構(gòu)件,能夠的按度使用,同時(shí)也可以組合使用由于各個(gè)桿件之間的連接采用自攻螺釘進(jìn)行連接,因此這種鋼結(jié)構(gòu)體系節(jié)點(diǎn)的剛性難以得到保證,其抗側(cè)能力較差,通常只適合于1~2層的低層建筑或者是別墅 
  2、框架結(jié)構(gòu)體系 
  當(dāng)前,框架結(jié)構(gòu)體系廣泛的應(yīng)用在多層鋼結(jié)構(gòu)住宅的建設(shè)當(dāng)中由于其縱向與橫向都設(shè)置有鋼制框架,且門窗的設(shè)置較為靈活,能夠提供空間較大的開間,利于住戶的二次設(shè)計(jì),能夠很好的滿足多種生活需求鋼框架結(jié)構(gòu)體系在設(shè)計(jì)的過程中充分考慮到了樓蓋的組合作用,并將之應(yīng)用到多層建筑當(dāng)中,能夠很好的滿足建筑的抗側(cè)需求但是,由于當(dāng)前框架柱主要以H型鋼為主,其軸向的梁柱連接剛度不足,所以在設(shè)計(jì)施工過程中需要予以謹(jǐn)慎處理 
  五、輕鋼結(jié)構(gòu)住宅框架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)要點(diǎn) 
  1、純框架結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì) 
  純框架結(jié)構(gòu)體系是鋼結(jié)構(gòu)住宅的基本體系,不設(shè)置柱間豎向支撐,可以采用較大的柱距和獲得較大的使用空間,結(jié)構(gòu)自振周期長,對地震作用不敏感,有很好的延性?蚣艿牧褐B接應(yīng)該采用剛接節(jié)點(diǎn),以便形成抵抗風(fēng)荷載以及水平地震作用的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。對于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的一些次要的構(gòu)件,如局部的平臺及樓梯間等的梁柱節(jié)點(diǎn),也可以采用鉸接連接而不形成抗側(cè)力結(jié)構(gòu),這樣既可以簡化連接構(gòu)造和靈活布置,且由于僅承受豎向荷載,使構(gòu)件截面尺寸相應(yīng)減小。鋼框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度較柔,在風(fēng)荷載和水平地震作用下,將產(chǎn)生較大的水平位移。雖然強(qiáng)度也是設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的重要條件,但是,一般情況下,由于鋼材這種材料的高強(qiáng)度和很好的柔韌性,只要滿足了《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對結(jié)構(gòu)層間位移限值的要求,結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度要求一般也可以滿足,結(jié)構(gòu)的剛度會在設(shè)計(jì)中起決定作用。目前,框架體系多用于2~3層的商場、別墅、住宅等建筑。 
  2、框架中心支撐體系的設(shè)計(jì) 
  當(dāng)框架體系層數(shù)較多時(shí),由于側(cè)向作用力的增大,使得梁柱等構(gòu)件尺寸也相對較大,失去其經(jīng)濟(jì)合理性。這時(shí)宜增設(shè)支撐,形成框架支撐體系。中心支撐體系包括十字交叉支撐、單斜桿支撐、人字形或V形支撐。 
  K形支撐的交點(diǎn)位于柱中,地震時(shí),因受壓斜撐屈曲或受拉斜撐屈服引起較大的側(cè)向變形,柱容易首先破壞,因此地震區(qū)很少采用。單斜桿支撐應(yīng)該在結(jié)構(gòu)中相向?qū)ΨQ布置,并且每層中不同方向斜桿的截面面積在水平方向的投影,相差不得超過10%。交叉支撐和人字形支撐在彈性工作階段,具有較大的剛度,層向變形小,能很好地滿足正常使用的功能要求。 
  交叉支撐在往復(fù)荷載作用下,桿件的屈曲變形只在交叉節(jié)點(diǎn)的一側(cè)發(fā)展,其滯回曲線呈反S滑移形。隨著循環(huán)次數(shù)的增加,其承載力下降多次循環(huán)后承載力趨于穩(wěn)定,最后因低周疲勞而破壞。按支撐僅能承受拉力設(shè)計(jì)的中心支撐鋼框架,其受力性能較差,抗震結(jié)構(gòu)不宜采用。同時(shí)承受拉壓的支撐,通過受壓屈曲或者受壓屈曲和受拉屈服來耗散能量,從而構(gòu)成較復(fù)雜的滯回性能。 
  人字形或V形支撐的滯回性能同樣呈反S滑移形。與剛度較大的橫梁相連的人字形支撐體系,在首次達(dá)到水平極限荷載后,有明顯的承載力下降現(xiàn)象,但降幅不大。而與有限剛度橫梁相連的人字形支撐體系,在往復(fù)荷載作用下,承載力下降幅度甚大,只有原來的40%左右,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該特別注意。這種體系在設(shè)計(jì)時(shí),人字形支撐橫梁應(yīng)該有足夠的剛度,使其在受壓支撐屈曲后橫梁不至彎折。 
  3、框架偏心支撐體系的設(shè)計(jì) 
  偏心支撐框架(EBF)是指支撐偏離梁柱節(jié)點(diǎn)的鋼結(jié)構(gòu)框架,是近二十年來發(fā)展起來的抗震結(jié)構(gòu)。這種體系有很好的剛度,有極好的耗能能力以抵抗大的地震作用。它比框架中心支撐體系和純框架體系,有相對較小的側(cè)向位移和更均勻的層間分布。由于偏心支撐具有非常有效的控制變形能力,使得偏心支撐框架比純框架節(jié)省鋼材25%~30%,比中心支撐框架節(jié)省鋼材18%~20%。設(shè)計(jì)EBF有三個(gè)變量:支撐形狀、耗能梁段長度和耗能梁段的截面特性。一般先初選一個(gè)結(jié)構(gòu)外形,根據(jù)抗剪設(shè)計(jì)的近似計(jì)算,選擇耗能梁段的長度和截面,然后用彈性分析程序算出房屋自振周期、底部剪力、剪力沿高度的分布、結(jié)構(gòu)彈性位移和框架構(gòu)件的內(nèi)力分布等,對支撐和柱進(jìn)行合理優(yōu)化。 
  六、結(jié)束語 
  總而言之,輕鋼結(jié)構(gòu)住宅框架結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)一定要更加科學(xué)合理,結(jié)合輕鋼結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn),以及現(xiàn)代住宅的設(shè)計(jì)需要,制定合理的施工方案,提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性。 
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