多層輕鋼框架結構房屋的設計

【摘 要】本文闡述了多層輕鋼結構常用的結構體系及常用的設計方法，并結合工程實際提出改進框架結構分析方法和壓型鋼板-混凝土組合樓蓋的設計方法，簡單分析了工程中易出現的問題并提出改進措施。

【關鍵詞】多層輕鋼結構；框架體系；點設計/施工；組合樓蓋；抗剪連接件

1 前言

隨著國家可持續發展戰略的實施，高能耗、破壞環境的建筑材料將逐步退出市場，取而代之的將是低耗、高效、環保的新型建材。鋼材做為可再生利用和高效的材料，具有好多優點：自重輕、強度高、韌性好、抗震性能優越、工廠化程度高、施工速度快等等。這些都為在建筑領域大量推廣鋼結構提供了前提條件，過去只能在工業建筑中才廣泛使用的鋼結構，現在民用建筑中已經在大量采用，特別是近年來我國生產能力和生產品質的大幅提高，可以大量生產寬翼緣、中翼緣、窄翼緣等多種型號的H型鋼和各種截面的冷彎薄壁型鋼、壓型鋼板、夾芯板，并開發了成熟的設計施工技術，這些材料都為鋼結構建筑迅猛發展奠定了基礎。不過多層輕鋼結構的研究還處于起步階段，在設計和施工中還存在一些問題，有必要開展進一步的討論和研究，以利多層輕鋼結構在我國的健康發展。

2 多層輕鋼框架結構的設計

由于框架結構體系可提供較大空間、門窗設置靈活、受力簡潔易形成縱橫框架，并且框架可與樓蓋組合共同抵抗水平荷載作用，因而，在多層輕鋼結構中得到廣泛應用。

在框架結構體系中，框架梁及樓面次梁多采用組合工字鋼梁，柱采用H型鋼，樓面采用壓型鋼板------現澆混凝土組合樓板。框架梁柱內力分析時的計算簡圖和混凝土框架大體一致，只是節點有所不同，框架梁柱仍采用剛接節點，而柱基不宜采用固端嵌固而采用鉸接節點，內力和變形計算中應考慮樓蓋與鋼梁的組合作用，以減少主梁的計算撓度和柱頂位移。

根據截面受力，按照現行的《鋼結構設計規范》，合理設計框架梁柱、墻梁、檁條、屋面板、墻面板、屋面支撐、柱間支撐、樓面次梁和壓型鋼板組合樓蓋等，框架柱間距宜在6-9米之間，應根據建筑設計合理布置柱網。采用空間有限元軟件進行計算，保證結構在豎向荷載、風荷載和地震荷載作用下結構滿足強度、剛度和穩定的要求。

樓層可采用主次梁體系及壓型鋼板組合樓蓋。在組合樓蓋中，樓板與鋼梁間要設置抗剪連接件，以提高結構整體剛度和承載能力，抗剪連接件有抗剪栓釘、抗剪槽鋼和抗剪彎筋等，但常用抗剪栓釘，栓釘的大小和配置數量應根據規程[2]計算確定，并要滿足相應的構造要求；為保證鋼板與混凝土結合面上能可靠傳遞梁內的縱向剪力，對無痕開口式壓型鋼板，根據計算設置剪力鋼筋并要滿足相應的構造要求。

3 設計中易出現的問題

設計中的問題

多層輕鋼結構的應用還處在起步階段，相關技術規范、規程還在完善之中，設計、構造和施工仍存在著有待解決的問題，如多層輕鋼結構承重結構體系、施工和安裝技術、新型維護結構體系、承重與維護結構的連接方法和相互作用等方面的設計問題都在研究之中，其中在設計桿件節點和組合樓蓋方面的出現的問題較普遍。

3.1 柱支座的計算簡圖。對框架結構一般將柱支座設計為固端連接，實際工程中，現澆鋼筋混凝土結構的柱很容易實現固端連接，但對于鋼結構而言就不一定了。如果采用外漏式柱腳，由于施工中錨栓的安裝的誤差、二次澆注的混凝土質量不容易保證、鋼材的腐蝕在所難免、基礎不均勻沉降等都會使柱腳節點很難實現完全固接。

解決辦法：設計時采用埋入式柱腳或外包式柱腳，這兩種柱腳形式能夠實現完全鋼接使計算模型與實際完全吻合。

3.2 壓型鋼板與混凝土組合樓蓋的設計。根據規程[2]要求，在組合樓蓋中，當采用有痕、加勁肋或沖孔的壓型鋼板時，可以不設剪力連接鋼筋，疊合面上的縱向剪力通過這些刻痕而傳遞。但是，在施工中由于鋼板的不透水性和防腐層的存在，大大削弱了接觸面的結合作用，而此處的混凝土由于局部的高水灰比導致強度下降，使混凝土與壓型鋼板的咬合力小于計算值。

解決辦法：為了有效地避免上述情形的發生，建議不論何種情況均應設置剪力連接筋，剪力連接筋的設置滿足計算和構造要求。

3.3 強連接設計。因為建筑物在地震力作用時，保證梁的破壞先與梁與柱連接的破壞，避免建筑物倒塌，所以要進行強連接設計，使梁、柱連接處的強度高于梁的強度，它是保證建筑物大震不倒塌的重要環節。而在很多鋼結構框架的實際工程中往往忽略了這一設計內容。

解決辦法：國內常用的辦法是按照《建筑抗震設計規范》GB50011-2010規范的公式來計算，即：

Mu > ηj*Mp

如果不滿足此公式，需要用在兩端上下翼緣處加蓋板方式來加強連接根部。

日本的鋼結構工程中常用的辦法是在距兩端的一個區域設計成狗骨式，即對此范圍內的梁的上下翼緣進行削弱，滿足狗骨部位的強度低于梁柱連接處的強度，保證結構在地震作用下狗骨部位的破壞先于梁柱連接處的破壞。

3.4 節點抗震承載力的設計。，節點的抗震設計是保證結構在受到地震作用的時候節點的破壞在結構梁、柱破壞之后，真正做到強節點。而在好多工程中，節點的抗震承載力設計是一個容易忽略的問題，使節點處不滿足抗震承載力要求，即便有些工程驗算了，也未對其進行處理。

解決辦法：按照《建筑抗震設計規范》GB50011-2010規范的公式來計算，并滿足規范對節點處的構造要求；對于不滿足計算公式的節點，采用補強處理。常用的節點補強處理有三種：1.在柱的節點范圍內采用厚的鋼板作為鋼柱的腹板（適用于焊接型鋼柱），鋼板的厚度滿足規范規定的構造要求；2.在節點處設加勁肋，通過加勁肋來加強鋼柱的腹板；3.對鋼柱在節點部位采用貼鋼板的方法使鋼柱腹板加厚，附加的鋼板與鋼柱腹板連接采用打孔塞焊（適用于熱軋型鋼柱）。

鋼結構在我國已進入快速發展期，多層鋼框架結構房屋將會廣泛普及，新問題的不斷出現，應注意研究、開發和經驗總結，使建筑設計、結構設計、制作和安裝技術在未來有較大的發展，使我國的輕鋼結構技術趕上國外的先進水平。

以上是筆者對多層輕鋼框架結構房屋的設計中對于設計同行容易忽略和需要注意的問題的一些總結，希望對大家能夠有所幫助。

參考文獻

[1]唐柏鑒、劉興業，多層輕鋼結構住宅設計

[2]鋼-混凝土組合樓蓋結構設計與施工規程 YB9238-92

[3]《建筑抗震設計規范》GB50011-2010

作者簡介：

王長柏、男、吉林四平人、1981年生、大學本科學歷、工程師。