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钢结构柱脚的抗震设计要点分析建筑工程论文

悦耳的溪流
疯狂的大炮
2023-04-01 03:57:33

钢结构柱脚的抗震设计要点分析建筑工程论文

最佳答案
闪闪的哈密瓜
陶醉的哑铃
2025-05-03 00:46:23

摘要:柱脚是钢结构中上部主体结构与基础连接的重要节点,文章对铜结构的埋入式和外包式柱脚的抗震设计进行分析。

关键词:钢结构柱脚;埋入式;外包式

1.通常钢结构的柱脚形式有外包式柱脚,埋入式柱脚及外露式柱脚3种

外包式柱脚指将钢柱脚外面用钢筋混凝土包住的柱脚,埋入式柱脚是把钢柱固定在混凝土的基础梁上柱脚,而外露式柱脚是在混凝土基础表面固定钢柱的柱脚,其也是最常用的钢结构柱脚。钢结构柱脚,反力特别大,因此设计规划时一般采用固定柱脚。在此类情况下,采用外露式柱脚不仅会导致底板既大又厚,消耗大量钢材,更重要的是难以确保柱脚被完全固定。外包式柱脚和埋入式柱脚钢结构固定式柱脚的很好的选择,通常抗震设计也用这两类柱脚。

2.埋入式柱脚抗震设计

埋入式柱脚的特点,是将钢柱以一定深度埋置在混凝土基础梁中,埋人部分的钢柱表面虽然焊有栓钉,但根据研究,在这种形式的柱脚中栓钉的作用不大,内力的`传递主要依靠混凝土对钢柱翼缘的承压力,柱的轴向压力可由柱脚底板传给混凝土,柱的轴向拉力可由柱脚底板伸出部分对混凝土的承压作用传给混凝土,或由锚栓传给基础。埋入式柱脚的支配因素是埋入深度。试验表明,对于轻型工字形柱,埋深与柱截面高度之比不得小于2,对于大截面的宽翼缘H形柱和箱形柱,埋深与截面高度之比不得小3,且同时应满足下式要求:

d>=(6M/bf*fc)0.5

d-柱脚埋深;M-柱脚全截面屈服时的极限弯矩;bf-柱在受弯方向截面翼缘的宽度;fc-基础混凝土轴心受压强度设计值。

2.1柱脚轴向压力由柱脚底板直接传给基础,按现行国家标准《混凝土结构设计规范》GB50010-2010验算柱脚底板下混凝土的局部承压,承压面积为底板面积。

2.2埋入式柱脚应验算在轴力和弯矩作用下基础混凝土的侧向抗弯极限承载力,埋入式柱脚的极限受弯承载力不应小于钢柱全塑性抗弯承载力;与极限受弯承载力对应的剪力不应大于钢柱的全塑性抗剪承载力。

埋入式柱脚的计算,可按以下假设进行:钢柱的轴心压力N是由埋入的钢柱底板直接传递到钢筋混凝土基础上;柱脚处的弯矩M由埋入钢柱的翼缘与混凝土基础的承压力来传递给基础,或者由埋入部分钢柱上的抗剪焊钉来传递;柱脚的剪力v由埋入钢柱的翼缘和基础混凝土的承压力来传递。

2.3采用钢管柱时埋入式柱脚的构造要求,截面宽厚比或径厚比较大(≥33)的箱形柱和钢管柱,其埋入部分应采取措施防止在混凝土侧压力下被压坏。常用方法是填充混凝土,填充高度应稍高于混凝土基础上表面;或在基础上端附近设置内隔板或外隔板。隔板的厚度应按计算确定,外隔板的外伸长度不应小于柱边长(或管径)1/10。对于有抗拔要求的埋入式柱脚,可在埋入部分设置栓钉。

2.4钢柱边(角)柱柱脚埋入混凝土基础部分的上、下部位均需布置u形钢筋加强。当边(角)柱混凝土保护层厚度较小时,可能出现冲切破坏,可用下列方法之一补强:

设置栓钉。根据过去的研究,栓钉对于传递弯矩和剪力没有什么支配作用,但对于抗拉,由于栓钉受剪,能传递内力。

锚栓。因柱子的弯矩和剪力是靠混凝土的承压力传递的,当埋深较深时,在锚栓中几乎不引起内力,但柱受拉时,锚栓对传递内力起支配作用。在埋深较浅的柱脚中,加大埋深,提高底板和锚栓的刚度,可对锚栓传力起积极作用。

3.外包式柱脚抗震设计

外包式柱脚的特点,是钢柱底板与外包混凝土底部齐平,外包混凝土配有主筋和箍筋,顶部箍筋要集中配置,钢柱的外包部分要设置栓钉,钢柱翼缘外侧的混凝土保护层厚度一般不应小于150mm,外包式柱脚的内力分布进行设计。当钢柱与基础铰接时,柱脚弯矩完全由外包钢筋混凝土承受,柱的剪力也由外包混凝土承担。至于柱的轴力,一般认为,轴力可由钢柱底板直接传给基础,轴向拉力可通过底板的伸出边缘和锚栓传给基础。

外包式柱脚设计应注意的主要问题是:(1)当外包层高度较低时,外包层和柱面间很容易出现粘结破坏,为了确保刚度和承载力,外包层应达到柱截面的2.5倍以上,其厚度应符合有效截面要求。(2)若主筋的粘结力和锚固长度不够,主筋在屈服前会拔出,使承载力降低。为此,主筋顶部一定要设弯钩,下端也应设弯钩并确保锚固长度不小于25d。(3)如果箍筋太少,外包层就会出现斜裂缝,箍筋至少要满足通常钢筋混凝土柱的设计要求,其直径和间距应符合规范规定。为了防止出现承压裂缝,使剪力能从主筋顺畅地传给钢筋混凝土,除了通常的箍筋外,柱顶密集配置几道箍筋十分重要。(4)抗震设计时,在柱脚达到最大受弯承载力之前,不应出现剪切裂缝。(5)采用箱形柱或圆管柱时,若壁板或管壁局部变形,承压力会集中出现在局部。为了防止局部变形,柱壁板宽厚比和径厚比应符合《钢结构设计规范》GB50017-2003关于塑性设计规定,也可在柱脚部分在钢管内浇灌注混凝土。

埋入式柱脚和外包式柱脚的混凝土保护层厚度均不小于180mm,钢柱埋人部分和外包部分均宜在柱翼缘上设置圆头焊钉,其直径不得小于16mm,其水平向和竖向的中心距离不得大于200mm。

4.结语

外包式和埋人式柱脚在抗震设计中已经被广泛应用,文章从受力等多方面对其具体设计进行了初步探讨,希望能为相关设计提供参考。

最新回答
忐忑的荔枝
高兴的溪流
2025-05-03 00:46:23

包柱脚是为了保护钢结构柱,在钢结构柱底一定高度,使用素混凝土包裹的意思。

厂房柱脚设计要点:钢结构厂房柱脚应能可靠传递柱身承载力,宜采用埋入式、插入式或外包式柱脚,6、7度时也可采用外露式柱脚。

震害表明,外露式柱脚破坏的特征是锚栓剪断、拉断或拔出,由于柱脚锚栓破坏,使钢结构倾斜,严重者导致厂房坍塌。外包式柱脚表现为顶部箍筋不足的破坏。厂房钢柱可划分为两类,其一是单肢柱,即通常所称的实腹柱(包括钢管、轧制或焊接H型钢);其二则是格构柱。两类钢柱的受力状态不同,其柱脚设计也应区别对待。

孤独的未来
失眠的跳跳糖
2025-05-03 00:46:23
48mmX3.0mX6m是国家标准,但你买架子管的时候可注意了,一般都说自己是3.0个厚的,但是管子是有下差的,只不过是多少的问题。有下差2.5的 也有下差1的.

11层这个标准肯定够用,南方大都用2.75盖20层呢,它们价格基本差不多

脚手架规范1

脚手架施工安全规范是:

第一节 扣件式钢管脚手架

脚手架规范,脚手架施工方案,门式脚手架规范,门式脚手架施工方案,移动式脚手架规范,

本工艺标准适用于搭设以钢管扣接的构架为主体,以篙竹作护栏的外脚手架。

一、施工准备

1、材料

⑴钢管:直径为48或51mm、壁厚为3~3. 5mm的热轧无缝或有缝钢管,用作主柱、大横杆、小横杆、斜撑等。

⑵连接构件:回转扣、直角扣、对接扣、驳芯。

⑶底座:用φ40钢管和4~5mm钢板制成,用于主柱的垫脚。 底座的底板面积不应少于200c。

⑷脚手板:竹、木或钢脚手板。

2、作业条件

⑴根据工程特点和施工要求编制脚手架搭设方案。

⑵搭架的位置已进行场地清理。

⑶对土质松软的地基已进行强化处理。

二、操作工艺

1、主柱

⑴主柱应选用无严重锈蚀、无弯曲变形的钢管。

⑵主柱的纵向间距不应超过2m, 一般在八层建筑物内30m以下使用,八层以上的另出搭设方案。双排架的内外排柱的间距为0.8~1.2m。内排柱离墙20cm,当大于20cm时,平桥下必须加兜底安全网。 如遇装饰线,也可以适当加长内柱的小横杆,相酿阵竹。

⑶立主柱时先搭临时支架将柱固定,柱脚套上底座。当柱的荷载超过底座承载面积地基反力时,底座下应垫厚板或混凝土垫块。

⑷立好主柱后,用钢管或篙竹将同一平面内的柱脚连结牢固。柱驳口应交错,不得全部在同一水平面。

⑸在双排架的外排主柱及单排架的主柱之间设副柱(俗称“针柱”),副柱一般采用篙竹,间距不大于1m,从第一度大横杆(打底梁)开始向上设置,用篾扎紧在大横杆上(注:必须做好三条以上的大横杆才能立副柱)。

⑹主柱的接长,先在已装的立柱顶插入驳芯,再将后装的立柱套上、摆正,然后在接口处装上对接口,上紧螺栓。

2、大横杆

⑴大横杆应选用无弯曲变形的钢管。用直角扣将大横杆与纵向排列的主柱连接,扣接要稳固、平直,与主柱互成90°。

⑵大横杆的垂直间距不大于2.1m,在脚手架外侧每两度大横杆之间绑扎两行篙竹作安全护栏。高层在用棚板1.2m左右护脚及挂安全网。

⑶大横杆的接长做法与主柱相同。

3、小横杆

⑴小横杆应先用无严重锈蚀、无弯曲变形的短钢管。小横杆两端用直角扣分别与内、外排主柱连接,扣接要稳固,与主柱和大横杆互成90°。

⑵小横杆的水平间距不大于1m,垂直间距不大于2.1m( 一层平桥的高度)。

4、斜撑

⑴设置斜撑应选用挺直的钢管。不得采用有严重锈蚀、弯曲、屈折、表面明显凹陷的钢管。

⑵斜撑应与脚手架的主柱和大、小横杆的交点连结,不得支撑在非受力点处。斜撑与脚手架杆件的连接采用回转扣。

⑶各种斜撑的设置方法参照本章第二节(二)之4中各条文的做法。

5、平桥

⑴平桥支承在小横杆上。当铺设钢制脚手板时,在小横杆上纵向排列钢管对龙,并用直角扣扣紧。对龙的间距(包括大横杆)不大于400mm。对龙上铺脚手板,用铅水线与对龙扎紧。

⑵当铺设竹、木脚手板时,(小横杆要在纵向钢管对龙面上, 并用直角扣扣紧,在小横杆面上纵向排列绑扎篙竹对龙)。 参照本章第二节(二)之6所述的平桥的做法。

6、斜桥

⑴斜桥的柱、对龙、横杆、踏步杆等构件采用钢管。斜桥的面板可采用钢或竹、木脚手板。

⑵斜桥的斜度不大于“标五”(i=1:2);纵向柱距不大于2m, 横向柱距视桥的宽度而定;直对龙间距不大于45cm,踏步间距不得大于30cm。

7、平台

平台的柱及底托(横杆)均采用钢管,间距一般为2m,柱与底托的交点用直角扣扣紧。由底托所支承的对龙、阵竹及面板的做法,参见本章第二节(二)之8.⑵~⑷。

三、质量标准

1、保证项目

⑴脚手架立柱要垂直,大、小横杆要平正。

⑵各种连接扣件必须扣接牢固,防止杆件打滑。

⑶相邻两柱的接头必须错开,不得在同一步距内。

⑷里、外、上、下相邻的两根大横杆的接头必须错开,不得集中在一组主柱间距之间驳接。

⑸搭设十字撑,应将一根斜杆扣在主柱上,另一根则扣在小横杆的伸出部分。斜杆两端的扣件与立杆节点的距离不大于20cm,最下面的斜杆与主柱的连接点离地面不大于50cm。

⑹平桥、斜桥及平台的质量要求与本章第二节相同。

2、允许偏差

扣件式钢管脚手架搭设时的允许偏差见表12—1。

四、施工注意事项

主要安全技术措施

⑴脚手架高度在7m以内时,每5~6条主柱设一条风撑,具体做法见本章第二节(二)之4.⑴。

⑵脚手架高于7m,无法设风撑时,必须设连墙杆。做法见本章第二节(四)之2.⑵。

⑶各杆件相交伸出的端头部分均应大于10cm,以防杆件滑脱。

⑷用于连接大横杆的对接扣,应避免开口向上设置,防止雨水侵入。

⑸扣件的螺栓拧紧要适宜,一般扭力控制在40~50N?m左右。

⑹在大风雨或停工一段时间后必须对脚手架进行全面检查,如发现变形、下沉,钢构件锈蚀严重,连接扣松脱等,要及时加固维修后方可使用。

第二节 竹木脚手架

本工艺标准适用于以竹、木材搭设的外脚手架。

一、施工准备

1、材料

⑴圆木、木板、茅竹、篙竹和蔑等材料。

⑵竹或木制脚手架板。

⑶φ4(8号)铅水线、码钉等。

2、作业条件

同本章第一节。

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鲤鱼路灯
俭朴的季节
2025-05-03 00:46:23
一、编制依据

1.施工组织设计。

2.主要规范。

二、工程概况

1.图纸要求。

2.施工难点。

三、施工准备

1.人员准备。施工操作人员除进行必须的入场教育外,还应按《特种作业人员劳动安全管理方法》的规定执行,在施工前对操作者做好书面技术交底。

2.材料准备。各种材料进场采购均应符合安全有关规定。

四、施工部署

(应根据工程具体情况进行详细部署)

五、主要施工方法及有关技术要求

(一)搭设方法

架子搭设为了保证外部整齐美观,工程四面支搭长方形架子,大面平齐,建筑凹槽处补搭平台架与整体架子相连。架子下脚要拉线定点,保证外架子的位置平齐,立杆间距1.5m,大横杆间距1.8m,小横杆间距1.0m,脚手架宽1.0m(四块板)里皮立杆距墙500mm(施工中里皮架与墙面间加绑一块板)。架子大面戗杆为由下至上做五八戗(五根立杆,八步横杆),戗杆为双杆。每根立杆底部应设垫板,厚度5cm。底部必须设横、纵向扫地杆,纵向扫地杆应采用直角扣件固定,距垫板上皮不大于200mm处的立杆上,横向扫地杆应绑在紧靠纵向扫地杆下方的立杆上。立杆必须用连墙件与建筑作可靠连接,连墙件竖向固定于每层圈梁顶板位置、横向间距为每隔三根立杆设一个点。立杆及十字盖均应使用对接扣件连接,对接扣件要交错布置,两根相邻立杆的接头不应设置在同步内,同步内隔一根立杆的两个相隔接头在高度方向错开的距离不大于500mm,各接头中心至最近的节点的距离不大于步距的1/3,即600mm。立杆顶部要高于檐口上皮1.5m。

大横杆纵向水平杆要设在立杆内侧,长度6m,要用对接扣件连接,接头应交错布置,两根相邻横杆接头不能设在同步或同跨内,且水平方向错开距离大于500mm,各接头中心至最近的节点的距离不大于纵距的1/3,即500mm。

小横杆排木间距1.0m,脚手板为平铺对头搭板,对接位置要设双排木,间距不大于300mm。脚手板端头用钢丝或φ6钢筋压牢。

(二)搭设要求

刚性连接:连接点在每层顶板梁位置预留,间距6m,预埋钢管,用扣件与脚手架作有效的连接。

防护措施:脚手架离地面超过2m,每步绑两道护身栏和一道18cm高挡脚板。架子顶端的高度必须超过女儿墙1.2m。脚手架外立面全部采用小眼网封严。

施工期间在楼内框架柱处架绑两道护身栏并设上架子通道。

防雷措施:在脚手架底部立杆钢管连接避雷导线,引入地下并深埋。防雷接地材料全部采用镀锌材料,所有连接均采用焊接,搭接长度,圆钢搭接长度为圆钢直径的6倍,两面施焊,扁钢搭接长度为扁钢宽度的2倍,三面施焊,焊口均做防腐处理(混凝土中除外),接地电阻不超过4Ω。

外用电梯:外用电梯采用人货双笼电梯两部。

(三)架子支搭顺序

基础处理→铺放垫木→拉线放底座→摆放扫地杆→逐根树立杆并与扫地杆扣紧→装扫地小横杆并与立杆和扫地杆扣紧→装第一步大横杆并与各立杆扣紧→安第一步小横杆→安第二步大横杆→安第二步大横杆→安第三步小横杆→安第三步小横杆→加临时斜撑杆,上端和第三步大横杆扣紧(在装连墙杆后拆除)→铺脚手板→绑扎护身栏杆及挡脚板→安第四、五步大横杆和小横杆→绑窗口别杆→接立杆→加剪刀撑→铺钢脚手板→绑扎护身栏杆及挡脚板,并挂立网防护……依此类推。

(四)脚手架拆除

架子的拆除由上而下按步按层拆除,先拆护身栏,脚手板和排木,再依次拆十字盖的上部绑扣和接杆,拆除全部十字盖以前和架子拆到底部时必须绑好临时支撑,防止架子倾斜,禁止采用推倒或拉倒的方法拆除。

无聊的水池
生动的黑猫
2025-05-03 00:46:23

这是钢管柱,柱脚周围用250厚的混凝土加强并且保护。

图中可见许多抗剪销钉,证明设计不仅仅是有保护目的,而且也有加强目的。250厚的混凝土筒中的竖向钢筋是以插筋形式已可靠锚固在基础底板内的,混凝土筒中内的竖筋顶端再就不存在‘锚固’了,这就只是‘收头’。

‘收头’的做法参照11G101-1第60页上部大样,弯折12d,当钢筋直径大于20时,弯折方向可以不一定必须是圆柱截面的径向,容许偏斜一些。

钢筋符号

钢筋符号,指的是钢筋参数符号等。钢材理论重量计算的计量单位为公斤(kg )。钢筋加工制作时,要将钢筋加工表与设计图复核,检查下料表是否有错误和遗漏。

每种钢筋要按下料表检查是否达到要求,经过这两道检查后,再按下料表放出实样,试制合格后方可成批制作,加工好的钢筋要挂牌堆放整齐有序。

无语的树叶
老迟到的咖啡豆
2025-05-03 00:46:23

加劲肋又叫加劲板,是在支座或有集中荷载处,为保证构件局部稳定并传递集中力所设置的条状加强件,可以提高构件的稳定性。

当柱脚底板下的混凝土基础的反力较大时,为避免底板过厚,可设置加劲肋予以加强。刚性外露式柱脚,一般均应设置加劲肋。柱脚设置加劲肋可以加强柱脚的刚度,保证柱脚连接的可靠性。

扩展资料

一般柱脚加劲肋的高度和厚度,应根据其承受底板下的混凝土基础的分布反力进行计算。其高度通长不宜小于250mm,厚度不宜小于12mm,并应与柱子的板件厚度和底板厚度相协调。

由于锚栓支承托座加劲肋或锚栓加劲肋是对称设置在垂直于弯矩作用平面的受拉侧和受压侧,锚栓支承托座加劲肋或锚栓加劲肋的高度和厚度,应取其承受底板下混凝土基础的分布反力的锚栓拉力两者中的较大者。通长其高度不宜小于300mm,厚度不宜小于16mm,并与柱子的板件厚度和底板厚度相协调。

参考资料来源:中国建筑工业出版社出版书籍《钢结构连接节点设计手册》(第二版)289页

任性的抽屉
孝顺的月饼
2025-05-03 00:46:23
从设计角度分析钢结构住宅体系的特点,介绍异型钢柱住宅项目的设计思路。针对框架结构采用不同阻尼比、基础方案等问题进行数据对比分析;总结设计中常见问题注意事项;对设计标准提出不同意见。

一、钢结构住宅体系选择

从已建成的钢结构住宅来看,主要有:

1)薄壁型钢组合墙板形式;

2)纯框架形式;

3)框架支撑形式;

4)型钢混凝土组合形式;

5)钢框架-混凝土抗震墙形式等等。

这些结构形式各有特点,其中薄壁型钢组合墙板形式特别适宜定型产品,其体系是从墙板结构演变而来,即将薄壁型钢柱构件按大约600mm 的间距布置形成竖向承重结构、型钢间设支撑系统以抵抗水平力,楼板根据竖向型钢的位置布置成密肋支撑结构,因上部结构为类墙板结构,其基础根据受力情况设成条形基础,对地基要求不高。

薄壁型钢组合墙板住宅受密布结构的影响,对开间、门窗洞口、挑出构件尺寸均有一定限制。

后面几种形式可以满足多高层住宅设计要求,但从使用的角度都存在一个共同问题,即梁柱突出对住宅内部观感的影响。

住宅相对于其它建筑有其特殊性,办公、厂房可以采用较为固定柱网,层高也较高,其梁柱所占空间给人的感观是适宜的,柱网规则有利于梁的布置。

相反住宅是一个变化多端的产品,根据建筑的要求,很少布置出规则的柱网,房内开间相对较小、变化较多,不利于钢框架布置。

由于钢材的特点,它在住宅中只能形成框架体系或桁架体系,可以说框架体系如果适用于普通住宅,钢框架必然有其大显身手的地方,普通框架结构不能解决住宅应用问题的话,常规钢框架体系在普通住宅中应用也有相似的弱点。

受短肢剪力墙结构的启发,笔者在钢结构住宅设计中将钢柱设计成异型柱形式,以配合建筑变化的要求,图1 是两种异型钢柱截面,根据建筑墙体厚度减去面层厚度来设定翼缘宽度,框架梁与异型钢柱各个方向的翼缘刚接,图2 为相应的节点连接详图。

异型钢柱示意图

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异型钢柱梁柱节点详图

某住宅项目三层样板间设计成异型钢柱纯框架结构,建筑采用砌块隔墙,建成后外部及室内观感均令人满意,与该住宅成品(混凝土剪力墙结构)实际效果一致,下图是样板间实景。

在工业厂房设计中经常采用异型钢柱,采用排架受力体系时,异型钢柱经常设计成双轴对称或主受力方向单轴对称,厂房纵向采用支撑系统抵抗纵向水平力,系杆、支撑构件多连接于异型柱弱轴形心轴上,这样在结构概念设计及采用杆系软件计算容易处理。

住宅中应用异型钢柱与厂房设计还是有很大区别的,下图是厂房梁柱连接方式与住宅梁柱连接方式的简单比较

可以看出在住宅中,梁柱的截面形心轴不在同一位置上,不符合常规设计理念,在采用杆系软件计算时无法解决偏轴问题。

尽管如此,与短肢剪力墙结构相比,笔者认为异型柱是在原来较大的矩形框架柱截面或整片混凝土墙修改为的截面面积较小的异型截面,相应地也减少了截面特性,而异型钢柱是在一个工字钢截面上增加一个T型截面,相应地是增加了弱轴方向的截面特性,特别是将钢梁与钢柱弱轴的刚性连接节点转化为与柱翼缘连接,优于常见设计中工字钢柱在弱轴方向设外伸连接板的刚性连接,加强了工字钢柱弱轴稳定,对结构安全是很有利的。

一般认为工字钢柱弱轴刚性连接不可靠,所以在很多构造手册上建议在弱轴采用铰接框架加支撑体系或者采用钢管柱设计方案,抗震规范“柱在两个互相垂直的方向都与梁刚接时,宜采用箱形截面。当仅在一个方向刚接时,宜采用工字形截面,并将柱腹板置于刚接框架平面内。”

规范中虽然没有明确说不可采用工字钢柱弱轴与钢梁刚接,但根据抗震规范节点抗震承载力验算要求,弱轴连接一般是无法满足相关条款要求的。

异型工字钢柱相比箱形柱的节点加工容易、施工方便节约钢材,相比框架支撑体系减少了支撑部分的设置,从应用角度可灵活用于住宅墙体中,满足建筑师对住宅内无外露结构构件的要求。

笔者认为异型钢柱在结构分析中存在以下问题:

1)异型钢柱全截面受力情况分析,这里主要指在弱轴上增加 T 型构件,是否就相应的增加了这部分的截面特性,包括 T 型构件偏轴远近的影响,笔者认为钢柱类型不同,截面特性增加比例也会不同;

2)异型钢柱局部稳定性计算,这点可以参考规范中柱板件宽厚比进行控制;

3)梁柱节点与钢柱形心轴偏离时整体受力分析,采用普通杆系计算软件是不能解决这个问题的。理想的计算模型应该采用有限元整体建模方式进行内力分析, 可以解决上述问题,但建模工作量太大了。

笔者在设计中根据以下几个原则来确定柱截面:

1)按方钢管柱方案进行结构分析,根据计算应力比结果接近 0.9 的情况,选定框架梁截面尺寸,根据方钢管截面特性初选 X,Y 方向上工字钢截面,计算时不考虑腹板作用,初步确定异型柱截面;

2)按工字钢柱方案进行结构分析,异型柱 T 型构件布置方向,设柔性支撑代替异型柱中 T 型构件在工字钢弱轴上的刚度影响,按有侧移钢框架计算,调整异型钢柱中工字钢截面尺寸;完成后调整工字钢及柔性支撑布置方向,验算 T 型构件与工字钢腹板组成的工字钢截面尺寸;

3)根据上一步建立的模型,选取工字钢强轴所在的单榀框架进行抗震验算,只参考工字柱强轴应力计算结果,检验异型柱单向受力是否满足;

4)根据上述计算结果,手工核算梁柱节点处抗震承载能力,基础设计时考虑偏轴引起的附加弯矩;

5)以普通工字钢柱和方钢管柱按无支撑框架体系分别进行正常设计,其中钢梁按设计所选截面计算,根据合适的计算结果,统计钢柱用钢量以控制异型柱用钢量的上下限。

上述方法没有可依据的计算公式及条文,对偏轴引起的附加弯矩对整体的影响没有更多处理,这也是笔者只在二三层住宅设计中应用,没在更高的工程里使用异型钢柱的原因。笔者提出异型钢框架方案,希望得到大家的批评指正。

二、设计细节的问题

1、 整体计算时选取合适的结构阻尼比根据抗震规范要求,除专门规定外,建筑结构的阻尼比应取0.05,当阻尼比不等于0.05时,地震影响系数曲线应进行修正,钢结构相关阻尼比选取值见表 1。

表 1 不同结构阻尼比应用值

从表 1 中数据可以看出,不同的钢结构体系有不同的地震影响系数,如果在结构分析时错误选择阻尼比对设计结果会产生较大影响,其中钢管混凝土和钢-砼混合结构由于是两种材料共同作用,在选取阻尼比时,应根据两种材料应用比例综合考虑阻尼比,结构整体刚度越柔,阻尼比选值越低。

2、刚接柱脚设计

常见柱脚分埋入式、外包式、外露式。在住宅设计中多采用外露式,相比其它两种方式,其现场安装、定位方便。

在设计时应注意,柱脚的刚度是靠底板的弹性变形或塑性变形来实现的,这就意味着整个结构变形包括钢结构本身变形及底板受拉变形后引起的整体变形,如在分析内力时视外露式为刚性柱脚,设计中要考虑层间位移角限值要有一定的富裕,同时应考虑底层钢柱弯矩反弯点下移引起的柱顶弯矩增大。

根据节点设计要求,为保证罕遇地震时不发生柱脚节点先于钢柱破坏,柱脚节点连接处的极限抗弯承载能力应大于 1.2 倍钢柱的全塑性受弯承载力(Wpnx·f)才可以,常见设计方法是根据柱脚反力来确定柱脚螺栓直径、连接焊缝,这样只能保证柱脚节点在多遇地震作用下具有一定强度而不破坏,而柱脚弯矩设计值所需截面抵抗模量一般小于钢柱本身截面抵抗模量(Wx),以H628X260x10X14 工字钢为例,1.2·Wpnx/Wx=1.36 倍,外露式很难保证这项设计要求。

而采用其它两种柱脚方式在转递钢柱内力时很容易满足前项要求,设计中传力明确、计算容易、构造简单、节省钢材。插入式柱脚构造相比埋入式更简单,大部分书籍认为可靠性不如埋入式,建议用于单层钢结构厂房,不适合高层建筑钢结构。

笔者认为在多层建筑钢结构可以采用,因为在许多工业项目中,单层厂房层高多在 10~30m,厂房内设多台吊车及大量检修平台,单柱荷载及地震作用往往大于普通住宅的情况,多层住宅柱脚在概念设计和计算设计都满足规范要求的情况下,采用插入式是没有问题的。新钢结构规范也增加了插入式柱脚的设计和构造规定。

3、楼板设计

楼板有预制楼板、现浇楼板、组合楼板等。采用预制楼板时应考虑预制板由于温度变化、荷载分布等原因,造成楼板接缝处开裂形成的单侧翼缘附加弯矩影响,即钢梁平面内整体抗弯应力与翼缘平面外抗弯应力双向组合后要满足折算应力限值,有些项目将楼板搁置在下翼缘上尤其要注意这个问题。

压型钢板组合楼盖在钢结构住宅中应用很多,整体分析时要考虑组合板的各向异性对框架梁的影响,包括根据楼板设置情况确定连续板或简支板、传力路径是单向还是双向、组合钢梁是按强边还是弱边组合造成的刚度差异;楼板设计时要避免集中单向布置楼板,使结构体系形成横向或纵向承重,做到合理布置组合楼板,尽量形成双向承重结构。

4、梁柱刚性连接设计

梁柱间刚性连接计算可按常用设计法或全截面受弯设计法进行,当钢梁翼缘的抗弯承载力大于整个截面承载力的 70%时,可采用常用设计法进行设计,小于 70%时,应采用全截面抗弯设计法,在住宅设计中,钢梁多属于前者,常用设计法计算原则为翼缘和腹板分别承担弯矩和剪力,普遍认为计算容易,结果偏于安全。

事实上根据多高层房屋钢结构梁柱刚性连接节点的抗震设计和多高层房屋钢结构梁柱刚性节点的设计,不做任何处理的将钢梁与钢柱进行栓焊等强连接是很难达到强节点弱杆件的设计要求,对加强式节点设计有设计及构造详细说明。

具体做法主要有三种方式:梁端翼缘加焊楔形盖板、梁端底部加腋、犬骨式连接。通过笔者在实际应用后认为,三者都存在增加施工难度的问题。第四种方式:梁端翼缘加宽方式,但在标准图集中不作为主推形式介绍,当建筑对梁宽没有要求的情况下,这种连接方式最为实用、便捷。

三、设计标准的问题

1.“轻型”钢结构概念问题

近年来因“轻型门式刚架房屋”的出现,在许多设计人包括结构设计人员的头脑中形成一种轻(质量)钢材概念,一遇到附属建筑设施或看似不重要的结构时就提出用“轻钢”来解决,却不注重该部分对主体结构的效应分析,事实上结构概念设计时应清楚,“轻型”实际上是指结构承受相对较轻的荷载,住宅设计中不会因为采用钢结构而减少荷载使用标准,结构体系无论采用钢还是混凝土,构件效应分析是没有原则上区别的。

2.多高层钢结构设计区别

根据规范有关条文,包括钢结构抗震调整系数,框架柱长细比,框架构件宽厚比等控制条款,均以 12 层作为区分点,因此可以理解为高层钢结构是指 12 层以上的建筑物。高规中高层是指 10 层及 10 层以上或房屋高度超过 28m 的建筑,这其中包括混合结构,再参考国外部分国家高层起始高度多设在 25~30 米或 8 至 11 层。

由此看来我国的多层钢结构适用范围要高于普通结构,也高于国外标准。多高层钢结构不仅构造不同,相关抗震调系数也不同,限值差别太大,在前面表 1 已说明,笔者认为此区分过于宽泛,举例说明一下:层高平均 4m,12 层建筑物高度 48米,是高规中 28 米限值的 1.7 倍,这就产生下面的问题,在混合结构中,混凝土结构应按高规构造设计,钢结构可以按多层构造设计,执行了两种标准。

3、《钢结构设计规范》

对住宅结构设计指导作用不大新版规范延续了工业建筑钢结构设计指导思想,例如在变形允许值按厂房构件进行分类,对民用建筑构件不做细分;温度区段设置要求以排架结构方式进行划分而不考虑纵横向承重体系、钢混组合结构的特点来区分,特别是强制性条文第 8.1.4 条“结构应根据其形式、组成和荷载的不同情况,设置可靠的支撑系统。

在建筑物的每一个温度区段或分区建设的区端中,应分别设置独立的空间稳定的支撑系统。”从文字上理解,钢结构不应该采用无支撑的纯框架结构,这显然与实际应用不符,设置支撑与否应以结构设计需要来确定,根据条文说明也可以知道这是一个原则规定,但作为强制性条文,必须严格执行值得商榷,民用建筑在使用要求上不同于工业建筑,包括一些结构体系也存在差异,应区别对待。

相比其他规范不断完善抗震部分内容,新版只在总则中提到应符合相关抗震规范的规定,似乎抗震设计在钢结构中并不重要,实际上在北岭和阪神地震后,国外开始纷纷重视钢结构抗震设计的研究,国内也有很多文章介绍,应该有很多成果可以总结成文的。我国抗震规范规定应根据抗震设防烈度采取不同的抗震措施,而钢结构抗震要求却没有任何区别也是不妥的。

四、设计钢结构住宅应尊重住宅使用的根本要求

钢结构住宅是今后发展的一个重要方向,但钢结构仅仅是建筑中承重体系、服务部分,它不是建筑使用中的主要成分,钢结构住宅设计首先要遵循住宅建筑设计的一般原则,然后才是发挥钢结构的优势,单纯突出钢结构而不考虑生活的舒适性、不能满足人文要求的钢结构住宅项目是没有市场的。

对于钢结构住宅不能因为要推广钢材在建筑中的应用而简单、强行在住宅结构中使用,这样作对推广钢结构住宅没有实际意义。相对而言公建、体育场馆、工业厂房等是钢结构在建筑中最能发挥其特长的领域,近年来,我们已经深刻感觉到这种应用变化。