高層鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)方法

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【摘要】隨著建筑技術(shù)水平不斷提高，鋼結(jié)構(gòu)體系由于其強(qiáng)度高、抗震性能好、環(huán)保等方面的優(yōu)點(diǎn)，在高層住宅中得到快速發(fā)展。論文結(jié)合某工程實(shí)例，介紹了鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，主要圍繞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法展開分析，提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，并將其與混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，以期給類似工程提供參考。

【關(guān)鍵詞】高層住宅；鋼結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1引言

由于高層建筑的總體規(guī)模較大，因此，確保其整體穩(wěn)定性、提高抗震性成為設(shè)計(jì)工作中的重點(diǎn)目標(biāo)。相比于傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，現(xiàn)階段新型的鋼結(jié)構(gòu)是較好的取代形式，其穩(wěn)定性表現(xiàn)更為優(yōu)良，抗震性能好，且解決了傳統(tǒng)技術(shù)工期長(zhǎng)的問題[1]。

2工程概況

某高層住宅項(xiàng)目工程，總建筑面積約為12×104m2，主體部分共設(shè)計(jì)16層，總高48m，為單元式一梯兩戶布局形式。在本工程中，主體部分采用鋼管混凝土柱-鋼框梁體系，以滿足高層住宅建設(shè)需求。

3鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1建筑設(shè)計(jì)分類

本工程建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50a，建筑抗震設(shè)防類別為丙類。3.2樓面荷載標(biāo)準(zhǔn)值根據(jù)規(guī)劃要求主體結(jié)構(gòu)選擇“鋼管混凝土柱-鋼框梁”形式。在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)注重如下幾項(xiàng)指標(biāo)。1）樓面荷載：（1）標(biāo)準(zhǔn)層活荷載2.0kN/m2，電梯機(jī)房為7.0kN/m2；（2）消防樓梯3.5kN/m2；標(biāo)準(zhǔn)層恒載4.50kN/m2。2）風(fēng)荷載和雪荷載：（1）考慮到建筑高度較高的特點(diǎn)，為確保在風(fēng)荷載作用下整體結(jié)構(gòu)具有足夠的穩(wěn)定性，要注重對(duì)基本風(fēng)壓的控制，若重現(xiàn)期為50a時(shí)，要求風(fēng)荷載=0.30kN/m2；（2）考慮重現(xiàn)期為10a的使用條件，此時(shí)風(fēng)荷載=0.20kN/m2；（3）地面粗糙度B類，建筑體形系數(shù)=1.3；（4）該工程中雪荷載的基本雪壓按50a重現(xiàn)期考慮，取0.3kN/m2。3）地震荷載：（1）考慮到地震災(zāi)害易對(duì)建筑穩(wěn)定性造成影響，應(yīng)確保建筑在地震環(huán)境中維持穩(wěn)定性；（2）具體要求即抗震設(shè)防等級(jí)為Ⅲ級(jí)、地震加速度0.20g、特征周期Tg=0.40s、阻尼比為0.04。

3.2結(jié)構(gòu)計(jì)算

本工程采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院編制的STS-SETWE計(jì)算軟件（高層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算-高層建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析軟件），結(jié)構(gòu)分析采用三維空間建模體系，水平地震力采用振型分解反應(yīng)譜法，并考慮扭轉(zhuǎn)、耦聯(lián)等因素的影響。其軟件計(jì)算結(jié)果見表1。在設(shè)計(jì)中，由于假定側(cè)向力由鋼管混凝土柱-鋼框梁自身承擔(dān)，所以，其結(jié)構(gòu)的層間位移、頂點(diǎn)位移參照J(rèn)GJ3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中“框架-剪力墻”結(jié)構(gòu)的位移為標(biāo)準(zhǔn)，將其控制在Δu/H=1/650、u/H=1/700，其中，Δu為結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)屈服位移；u為結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)延性系數(shù)；H為樓體高度，m[2]。通過結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定驗(yàn)算得知，本工程中鋼結(jié)構(gòu)剛重比明顯大于10，滿足整體穩(wěn)定驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)。但如果該結(jié)構(gòu)中剛重比正好小于20，則在計(jì)算時(shí)應(yīng)將重力二階效應(yīng)的方法考慮在內(nèi)。因此，本工程在通過特定的方法對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算之后，得出的結(jié)果數(shù)值與JGJ99—2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第5.4.4條規(guī)定中的整體穩(wěn)定驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)相吻合，工程的抗震等級(jí)也基本滿足相關(guān)規(guī)范要求[3]。

4鋼結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

4.1基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

在施工過程中，本工程選擇人工挖孔樁，樁端的持力層為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，整棟建筑的基礎(chǔ)部分較穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了高效的荷載傳遞。

4.2主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主體選擇的是鋼框架結(jié)構(gòu)，材料為Q355B鋼材，同時(shí)，依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙搭建鋼管體系并內(nèi)澆混凝土，以形成穩(wěn)定性良好的鋼管混凝土框架柱。由于管內(nèi)不同區(qū)段的混凝土強(qiáng)度等級(jí)存在差異，其對(duì)下部強(qiáng)度要求更高，為C40，而上部為C35。

4.3樓蓋體系

在樓蓋施工中，選擇鋼筋桁架樓承板結(jié)構(gòu)，并對(duì)厚度進(jìn)行了針對(duì)性優(yōu)化，以更好地保證標(biāo)準(zhǔn)層及屋面樓板保持一致，均設(shè)為120mm。在形成完整的鋼筋混凝土板后，可利用抗剪栓釘連接，使其與鋼梁形成穩(wěn)定的整體，從而進(jìn)一步加強(qiáng)組合樓蓋。由于“鋼-混凝土”這一組合方式在力學(xué)表現(xiàn)上更優(yōu)良，且能夠兼并發(fā)揮出鋼和混凝土兩部分材料的性能優(yōu)勢(shì)，因此，在采取此方式時(shí)，次梁截面會(huì)明顯減小，且還具有加大樓層凈高的效果。

4.4圍護(hù)墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在建筑工程倡導(dǎo)環(huán)保理念的背景下，輕型材質(zhì)的優(yōu)勢(shì)得到了充分發(fā)揮，并相繼被應(yīng)用于高層建筑施工中。這其中，尤其典型的是復(fù)合夾心板墻，因?yàn)槠湎噍^于傳統(tǒng)材料，具有更輕便、保溫效果更好的優(yōu)勢(shì)，可有效減少材料用量。在鋼結(jié)構(gòu)住宅工程中，如黏土磚等材料缺乏適應(yīng)性，因此更為合適的是加氣混凝土砌塊等結(jié)構(gòu)。在本工程中，為了給用戶提供舒適的居住體驗(yàn)，外墻部分統(tǒng)一采用ALC墻板，而內(nèi)隔墻選擇100mm厚輕質(zhì)復(fù)合墻板材料。

4.5節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)要在建筑整體結(jié)構(gòu)中形成完整的體系，則節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)顯得尤為關(guān)鍵。因?yàn)檫@是整個(gè)設(shè)計(jì)工作中的要點(diǎn)。從鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的類別來看，其主要包含梁柱節(jié)點(diǎn)、柱腳節(jié)點(diǎn)等多個(gè)部分。在設(shè)計(jì)中，可以將安全可靠作為基本前提，選擇具有便捷化特性的工藝，從而最大化減少焊縫連接。從傳力特性的角度來看，以剛性節(jié)點(diǎn)和鉸接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用較廣泛，其工藝較成熟。對(duì)于方鋼管柱施工，將鋼管柱直接埋入基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，利用鋼骨混凝土柱結(jié)構(gòu)縱筋起到傳遞彎矩的效果。

4.6除銹和防火設(shè)計(jì)

4.6.1除銹與涂裝全方位檢驗(yàn)鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量情況，并在各方面都滿足要求后除銹，當(dāng)足夠潔凈時(shí)方可涂裝。本工程選擇噴砂除銹的方式，除銹等級(jí)控制標(biāo)準(zhǔn)為Sa2.5級(jí)。涂裝操作的具體步驟為：1）刷涂無機(jī)富鋅底漆1道，經(jīng)此環(huán)節(jié)處理后產(chǎn)生的干膜厚度至少達(dá)60μm。2）防銹部位均勻涂上環(huán)氧云鐵漆，顏色根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇，厚度30μm。3）在鋼結(jié)構(gòu)搭建過程中，由于該環(huán)節(jié)含有部分焊接作業(yè)，因此該處需刷涂防腐漆。4）在運(yùn)輸過程中加強(qiáng)防護(hù)，不可出現(xiàn)涂層受損的情況，若部分區(qū)域存在損傷，則需選擇相適應(yīng)的技術(shù)修補(bǔ)。5）全面清理焊接后產(chǎn)生的焊渣。4.6.2鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定使用要保證鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定使用，則還要建立在耐火性能優(yōu)良的基礎(chǔ)上。本工程采取的是二級(jí)防火標(biāo)準(zhǔn)，所有構(gòu)件的耐火性能足夠良好，具體見表2。此外，為體現(xiàn)高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的優(yōu)越性，需盡可能減輕結(jié)構(gòu)的自重，而墻體應(yīng)采用輕質(zhì)材料。在本工程中，選用蒸壓輕質(zhì)砂加氣混凝土砌塊，其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在：1）輕質(zhì)。該產(chǎn)品的計(jì)算容重僅為400～650kg/m2，為混凝土的1/4，可以有效減輕建筑物的自重。2）保溫。該產(chǎn)品在做外圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，不用輔助材料即可滿足嚴(yán)格的保溫節(jié)能要求，而用50mm厚的蒸壓輕質(zhì)砂加氣混凝土砌塊能達(dá)到240mm普通磚墻的保溫效果。3）抗?jié)B。該產(chǎn)品內(nèi)部小孔均為獨(dú)立的封閉孔，直徑約1～2mm，不僅能阻止水分?jǐn)U散，而且在同等條件下抗?jié)B性比普通黏土磚高85%。4）防火。該產(chǎn)品的原材料和產(chǎn)品本身均為無機(jī)物，絕不燃燒，其100mm厚的墻體耐火極限≥4.0h。

5鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)相比

由于鋼結(jié)構(gòu)工程具有自重輕、施工速度快、建筑產(chǎn)業(yè)化和利于環(huán)境保護(hù)等特點(diǎn)，因而已越來越被人們所重視，因此，在全國(guó)各地陸續(xù)出現(xiàn)了一批鋼結(jié)構(gòu)住宅。與普通的混凝土結(jié)構(gòu)相比，其應(yīng)用于住宅建筑中時(shí)，具有的優(yōu)點(diǎn)主要包括：1）鋼結(jié)構(gòu)建筑總質(zhì)量小、地震力效應(yīng)小且延性好，相應(yīng)抗震性能優(yōu)良。歷次大地震災(zāi)害資料對(duì)比說明了這一點(diǎn)。2）由于工廠化加工制造，施工速度快，工期可縮短20%以上，使建筑物更早地投入使用，提早產(chǎn)生效益。3）鋼結(jié)構(gòu)采用干法施工，這不僅有效減少了對(duì)環(huán)境的污染，而且構(gòu)件運(yùn)輸方便、費(fèi)用低，可在梁腹板處開孔走管道，避免了如混凝土結(jié)構(gòu)在梁底通過的情況。因此，在樓層高度相同的情況下，采用鋼結(jié)構(gòu)，可較好地提高層間的凈高。4）鋼結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)大跨度與復(fù)雜結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造開放式住宅，因此建筑設(shè)計(jì)靈活、豐實(shí)。對(duì)此采取大開間設(shè)計(jì)，可讓戶內(nèi)空間可多方案分割，以滿足用戶的不同需求。5）建筑空間利用率及使用系數(shù)高。具體來說，在梁高相同的情況下，鋼結(jié)構(gòu)開間可比混凝土大30%，且在梁柱等強(qiáng)度條件下，可增加建筑有效使用面積5%～8%。6）綠色環(huán)保效果好。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，鋼結(jié)構(gòu)住宅施工時(shí)減少了砂、石、灰的用量，且所用的材料主要是綠色、可回收或降解的材料，因此在建筑物拆除時(shí)不會(huì)造成垃圾，在真正意義上實(shí)現(xiàn)了綠色建筑。

6結(jié)語

鋼結(jié)構(gòu)住宅是現(xiàn)階段建筑領(lǐng)域的重要應(yīng)用形式，其在行業(yè)內(nèi)具有推動(dòng)性作用，是創(chuàng)造高品質(zhì)工程項(xiàng)目的重要途徑，能夠?yàn)橛脩籼峁└咂焚|(zhì)的居住體驗(yàn)?？傮w而言，鋼結(jié)構(gòu)住宅在質(zhì)量、成本等方面都具有優(yōu)良的表現(xiàn)，在未來將取得更廣泛的應(yīng)用，因此，值得工程人員在此方面深入探討，以進(jìn)一步推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)住宅建設(shè)事業(yè)的發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王海驕，王海燕.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在房屋設(shè)計(jì)中的重要性與策略探討[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2019（22）：22-23.

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作者：盧宇 單位：中建八局第一建設(shè)有限公司