多层轻钢结构的住宅设计

　　一、前言
　　轻钢结构住宅相比于传统住宅，有其突出的优点：
　　（1）轻钢结构配件制作工厂化和机械化程度高，商品化程度高。
　　（2）现场施工速度快，主要为干作业，有利于文明施工。
　　（3）钢结构建筑是环保型的可持续发展产品。
　　（4）自重轻，抗震性能好。
　　（5）综合经济指标不高于钢筋混凝土结构。
　　随着我国钢产量的快 速增
　　长，对用钢政策由限制用钢到合理用钢到积极用钢，国务院1999年颁发的72号文件提出要发展钢结 构住宅产业，在沿海大城市限期停止使用粘土砖。因此开发轻钢结构住宅体系已成为当前住宅结构研究 中的热点。不过，多层轻钢结构的研究还处于起动阶段，研究力度还不够，实际设计和施工还存在不少争议和问题。这些都急需解决，以利于轻钢住宅在我国健康快速发展。
　　二、结构体系选型
　　对低、多层住宅，目前国内外常用的结构体系主要有：
　　（一）冷弯薄壁型钢体系
　　构件用薄钢板冷弯成C形、Z形构件，可单独使用，也可组合使用，杆件间连接采用自攻螺钉。这种体系节点刚性不易保证，抗侧能力较差，一般只用于1～2层住宅或别墅。笔者处理的几个旧房加层，如蓟县 国税局、天津港派出所等改造工程，使用了该体系，效果较好。
　　（二）框架
　　目前，这种体系在多层钢结构住宅中应用最广。纵横向都设成钢框架，门窗设置灵活，可提供较大的开间，便于用户二次设计，满足各种生活需求。钢框架考虑楼盖的组合作用，运用在低多层住宅中，一般 都能满足抗侧要求。但是由于目前框架柱以H型钢为主，弱轴方向梁柱连接的刚性难以保证，因此设计 施工时须慎重处理。
　　（三）框架支撑体系
　　在风载或地震作用较大区域，为提高体系的抗侧刚度，增加轴交支撑或偏交支撑效果很好。这种体系为多重抗侧体系，而且梁柱节点，柱脚节点可设计成铰接、半刚接，施工构造简单，基础主要承受轴力， 体形较小，因此成为人们青睐的对象。
　　（四）框架剪力墙体系
　　在低多层住宅中，可以应用传统的剪力墙体系，如钢筋混凝土剪力墙或钢板剪力墙。目前正在研究的空腔结构板是一种理想的抗侧结构。空腔结构板是一种新型的轻质板材，采用黄纸制成具有众多等边空腔 结构的板状基架，然后经浸渍而成。该板材与钢框架可靠连接，便可形成新型剪力墙。另外美国，澳大利亚等国还开发了交错桁架体系，比较新颖。
　　三、 主要构件设计
　　（一）柱
　　前已述及，钢结构住宅一般为大开间，框架柱在两个方向都承受较大的弯矩，同时应该考虑强柱弱梁的要求。而目前广泛使用的焊接H型钢或I字热轧钢截面，强弱轴惯性矩之比3～10，势必造成材料浪费。因 此对于轴压比较大，双向弯矩接近，梁截面较高的框架柱采用双轴等强的钢管柱或方钢管混凝土柱是适宜的。对于方钢管混凝土柱，不仅截面受力合理，同时可以提高框架的侧向刚度，防火性能好，而且结 构破坏时柱体不会迅速屈曲破坏。因此，尽管平面受力结构中，选用H型钢或I字钢在受力上还是合理的但总体上，箱形钢管柱尤其是方钢管混凝土柱应得到广泛应用。方钢管混凝土柱将是钢结构住宅发展 的 主要方向，但由于缺乏相应的规范、规程，目前在住宅中应用还很少。尤其钢管砼梁、柱的连接较为复杂，不利于工厂制作和现场施工，应加大力度开发研究。
　　（二）楼盖
　　在多层轻钢房屋中，楼盖结构的选择至关重要，它除了将竖向荷载直接分配给墙柱外，更主要的作用是保证与抗侧力结构的空间协调作用；另外从抗震角度来看，还应采用相应的技术和构造措施减轻楼板自 重。常用的楼盖结构有：压型钢板－现浇混凝土组合楼板，现浇钢筋混凝土板以及钢－混凝土叠合板，而以第一种最为常用。目前，在多层轻钢房屋整体分析时，还普遍不考虑楼盖与钢梁的组合作用，即使 设置抗剪键，也偏保守地假设
　　钢结构承受全部荷载，这样不仅增加材料用量和结构自重，反而会造成强梁弱柱的不利情况。有一6层算例，表1、表2分别反映了考虑楼盖组合作用对梁刚度以及结构整体刚度的影响。
　　表1 截面惯性矩对比
　　构件名称 截面惯性矩 组合前后的对比
　　主梁（负弯矩区） 1.51（2.22） 1.47
　　主梁（正弯矩区） 1.51（4.28） 2.83
　　次梁 0.797（2.48） 3.11
　　注：括号内为考虑年组合作用的情况
　　表2 结构位移对比
　　结果 工况1 工况2 工况3
　　楼层梁挠度 16.9（10.9） 16.9（10.2） /
　　屋盖梁挠度 35.5（35.4） 34.3（34.2） /
　　底层层间位移 16.9（10.2） 4.8（3.7） 8.4（5.9）
　　顶点位移 / 18.2（13.8） 49.9（31.0）
　　注：括号内为考虑年组合作用的情况
　　算例表明，考虑组合作用后主梁的刚度大大增加，使得梁的挠度和地震作用下柱顶的侧移大为减少，此考虑组合作用应予关注。为使楼层高度减到最小，提供更大的空间，组合扁梁楼盖也成为一种趋势。
　　（三）支撑体系
　　支撑分轴交支撑和近年发展起来的偏交支撑两种，前者耐震能力较差，后者在强震作用下具有良好的吸能耗能性能，而且为门窗洞的布置提供了有利条件，目前国内用的还很少，建议在高烈度区首选偏交支撑。剪切型耗能梁段，加劲肋按以下公式设计：
　　a＝29tw－d / 5，（γp＝±0.09rad）（1）
　　a＝38tw－d / 5，（γp＝±0.06rad）（2）
　　a＝56tw－d / 5，（γp＝±0.03rad）（3）
　　式中，a―――加劲肋间距，d―――梁高， ―――腹板厚度，γp―――塑性转角；弯曲型耗能梁段还需在 梁段端点外1.5bf处加设加劲肋。
　　（四）节点抗震设计
　　框架梁柱节点一般采用两种连接方法，根据“常用设计法”，即翼缘连接承受全部弯矩，梁腹板只承受全部剪力的假定进行设计。震害表明，这种设计不能有效满足“强节点弱杆件”的抗震要求，在高烈度区隐患 很大。改进的框架节点设计，在梁端上下翼缘加焊楔形盖板或者将梁端上下翼缘局部加宽盖板面积或加大的翼缘截面面积主要由大震下的验算公式确定：
　　式中： 为基于极限强度最小值的节点连接最大受弯承载力，全部由局部加大后的翼缘连接承担；为梁件的 全塑性受弯承载力； 为基于极限强度最小值的节点连接最大受剪承载力，仅由腹板的连接承担；为梁的净跨； 为梁在重力荷载代表值作用下按简支梁分析的梁端截面剪力设计值。
　　四、结论
　　1）低、多层轻钢结构住宅考虑楼盖与钢梁的组合作用，可显著减小主梁挠度和柱顶位移。
　　2）为改进框架节点的抗震性能，可在梁端上下翼缘加焊楔形盖板或将梁端上下翼缘加宽。
　　3）设偏心支撑时，
　　梁应根据耗能梁段的受力类型设置加劲肋。