多層輕鋼結構住宅的設計與施工問題探討

王起敬

摘 要:本文通過分析多層鋼結構住宅的結構特點,針對設計與施工中的相關問題進行探討,以期通過技術分析更好的發揮多層鋼結構住宅的綜合應用優勢。

關鍵字:多層鋼結構;住宅;構件設計;施工

1 多層鋼結構住宅的結構特點

目前國內在多層(一般為7層以下)鋼結構住宅建筑中常采用框架體系。這種體系是將梁柱構件剛接,依靠梁柱受彎來承受豎向荷載和水平荷載。它的特點是可以做成大開間,充分滿足建筑布置上的要求。柱子采用軋制H型鋼或焊接工字鋼、方鋼管、圓鋼管或冷彎型鋼組合斷面(兩層以下),也可以采用鋼管混凝土,主梁、次梁一般均采用熱軋或焊接H型鋼。

梁與柱的連接節點,一般采用焊接剛性連接節點。梁的腹板與柱連接常采用摩擦型高強螺栓通過連接板連接或通過連接板焊接;次梁與主梁連接節點,通常采用鉸接節點設計,即只考慮次梁端部與主梁連接之間的剪力作用。

樓面和屋蓋體系一般是有以下幾種形式:壓型鋼板混凝土組合樓板、預制混凝土疊合板、現澆鋼筋混凝土樓板。由于壓型鋼板混凝土組合樓板具有施工速度快、平面剛度大,房屋凈空高的特點,是一種比較理想的樓層形式。

鋼結構住宅的外墻體一般采用外掛式輕質復合墻板以減輕結構自重。對于6層以下的多層住宅,也可采用內嵌式加氣混凝土砌塊。外墻墻體材料主要有:蒸壓輕質加氣混凝土(ALC)板、GRC夾心復合板、鋼絲網水泥夾心板等。內墻材料一般可采用加氣混凝土砌塊、紙面石膏板、纖維石膏板、玻璃纖維增強水泥板、紙面稻草板等。

2 多層鋼結構住宅建設中的主要構件設計

2.1 柱

鋼結構住宅一般為大開間,框架柱在兩個方向都承受較大的彎矩,所以應該考慮強柱弱梁的要求,而目前廣泛使用的焊接H型鋼或I字熱軋鋼截面,強弱軸慣性矩之比3～l0,勢必造成材料浪費。因此對于軸壓比較大,雙向彎矩接近,梁截面較高的框架柱采用雙軸等強的鋼管柱或方鋼管混凝土柱是適宜的,對于方鋼管混凝土柱,不僅截面受力合理,同時可以提高框架的側向剛度,防火性能好,而且結構破壞時柱體不會迅速屈曲破壞。因此,盡管平面受力結構中,選用H型鋼或I宇鋼在受力上還是合理的但總體上,箱形鋼管柱尤其是方鋼管混凝土柱應得到廣泛應用。方鋼管混凝土柱將是鋼結構住宅發展的主要方向,但由于缺乏相應的規范、規程,目前在住宅中應用還很少。尤其鋼管砼梁、柱的連接較為復雜,不利于工廠制作和現場施工,應加大力度開發研究。

2.2 樓蓋

在多層輕鋼房屋中,樓蓋結構的選擇至關重要,它除了將豎向荷載直接分配給墻柱外,更主要的作用是保證與抗側力結構的空間協調作用;另外從抗震角度來看,還應采用相應的技術和構造措施減輕樓板自重。常用的樓蓋結構有:壓型鋼板一現澆混凝土組合樓板、現澆鋼筋混凝土板以及鋼一混凝土疊合板,而以第一種最為常用。目前,在多層輕鋼房屋整體分析時,還普遍不考慮樓蓋與鋼梁的組合作用,即使設置抗剪鍵,也偏保守地假設鋼結構承受全部荷載,這樣不僅增加材料用量和結構自重,反而會造成強梁弱柱的不利情況。有一6層算例,考慮樓蓋組合作用對梁剛度以及結構整體剛度的影響。算例表明,考慮組合作用后主梁的剛度大大增加,使得梁的撓度和地震作用下柱頂的側移大為減少,此考慮組合作用應予關注。為使樓層高度減到最小,提供更大的空間,組合扁梁樓蓋也成為一種趨勢。

2.3 支撐體系

支撐分軸交支撐和近年發展起來的偏交支撐兩種,前者耐震能力較差,后者在強震作用下具有良好的吸能耗能性能,而且為門窗洞的布置提供了有利條件,目前國內用的還很少,建議在高烈度區首選偏交支撐。常用的EBF偏交支撐形式此所示。剪切型耗能梁段.加勁肋按以下公式設計:

a=29tw-d/5,(yp=±0.09rad)(1)

a=38tw-d/5,(yp=±0.06rad)(2)

a=56tw-d/5,(yp=±0.03rad)(3)

式中a—加勁肋間距.d—梁高,tw—腹板厚度,yp—塑性轉角;彎曲型耗能梁段還需在梁段端點外1.5bf處加設加勁肋

2.4 節點抗震

框架梁柱節點一般采用兩種連接方法,根據“常用設計法”,即翼緣連接承受全部彎矩,梁腹板只承受全部剪力的假定進行設計。震害表明,這種設計不能有效滿足“強節點弱桿件”的抗震要求,在高烈度區隱患很大。改進框架節點設計,在梁端上下翼緣加焊楔形蓋板或者將梁端上下翼緣局部加寬蓋板面積或加大的翼緣截面面積主要由大震下的驗算公式確定,式中:為基于極限強度最小值的節點連接最大受彎承載力,全部由局部加大后的翼緣連接承擔:為梁件的全塑性受彎承載力:為基于極限強度最小值的節點連接最大受剪承載力,僅由腹板的連接承擔;為梁的凈跨;為梁在重力荷載代表值作用下按簡支梁分析的梁端截面剪力設計值。

3 多層鋼結構住宅施工過程中應注意的問題

3.1 鋼結構的焊接

施工時制定的焊接順序:一般采用由平面中心向四周劃擴展,采用結構對稱、節點對稱焊,先焊鋼梁、后焊鋼柱;在同一節點處,采用雙人對稱焊接方法;同一節鋼柱的二層粱結構先焊上層,后焊下層;同一層梁先焊一行或列中間接頭,然后向外擴展;同一根梁先焊一端焊縫,等其冷卻后再焊 一端焊縫,嚴禁兩端同時焊接,以減少應力集中;對同一梁節點,安裝墊板后采用先焊下翼緣焊縫,再焊上翼緣焊縫。

在整個鋼結構施工焊接過程中質量控制,嚴格遵循以下要求:雨天不安排焊工作業;焊接過程中每一條焊縫的焊渣都要清理干凈,并認真檢查焊縫質量;焊接完畢后用角向打磨機將焊縫兩側各100mm范圍內打磨干凈,以便探傷。對關鍵部位如挑梁、屋頂梁、鋼柱對接焊縫100%探傷檢查,其他部位按20%以上探傷檢查,檢測結果必須全部符合國家標準GB11345-1989《鋼焊接手工超聲波探傷和探傷結果分級》規定的Ⅱ級上質量要求,尤其是鋼柱對接縫、挑粱的焊接的99%以上焊縫焊接質量必須達到I級標準。

3.2 鋼結構的除銹與涂裝

除繡和涂裝是保證鋼結構達到預期耐久性要求的重要保證,項目施工中制定了嚴格的施工步驟和質量控制措施。

除銹與涂裝質量控制。一是構件加工及安裝完成后,進行全面除銹,及時進行涂裝。二是運輸、吊裝過程中,安排專人隨時檢查涂裝層,及時修補損壞處。三是安裝節點的螺栓和焊縫,經檢查安裝質量符合要求后,在限定時間內完成除銹和涂層工作。

防繡漆質量控制。鋼結構在工廠涂裝二底防繡漆,現場只需對高強螺栓接頭、焊接接縫、運輸吊裝碰撞損傷部位進行補涂。

防火涂料質量控制。現場涂裝防火涂料,涂裝前對涂裝部位表面進行清理,按二級防火標準設汁要求的涂層厚度和遍數涂裝施工。

3.3 鋼梁、柱與砌體之間連接處的抗裂處理

為防止鋼梁、柱與砌體之間連接不牢,出現開裂、滲水現象,可采用在鋼柱上每隔400 mm焊接26拉結筋的處理方法,拉結鋼筋伸入墻內1000mm。鋼粱、柱“H”形凹槽內均用非規格加氣混凝土砌塊體填砌,外設置Φ4@150mm的鋼筋網片每邊伸出柱子翼緣350 mm,外部粉刷保溫砂漿。鋼梁與砌體的連接構造與鋼柱相似。

結束語

多層鋼結構住宅體系采用高強輕質墻體材料和高頻焊接薄壁H型鋼,是降低建筑物自重的一個重要方法,也體現了相對于鋼筋混凝土結構的優勢,若其價格能進一步降低,則鋼結構體系的競爭力將進一步提高,從而使房地產開發商和住戶均能獲得較大收益,綜合應用優勢明顯。

參考文獻

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