【正文】 容易進(jìn)行改建和加固，用螺栓連接到鋼結(jié)構(gòu)還可以根據(jù)需要進(jìn)行拆遷，有利于環(huán)境保護(hù)[3]。正是著眼于鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)性能、鋼材的環(huán)保性質(zhì)以及發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的帶動(dòng)，國(guó)家主管部門也積極推廣鋼結(jié)構(gòu)和支持鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)的研究。、計(jì)算方法的合理性、施工作業(yè)的可操作性、墻體材料、防火防腐等制約鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的問(wèn)題都亟待解決。20世紀(jì)40年代后期出現(xiàn)了門式剛架。美國(guó)、瑞典、日本等國(guó)家，鋼結(jié)構(gòu)用鋼量已占鋼材產(chǎn)量的30%以上，鋼結(jié)構(gòu)面積占到總建筑面積的40%以上[4]。在美國(guó)，輕鋼結(jié)構(gòu)體系的分析、設(shè)計(jì)理論和方法及制造工藝上已經(jīng)非常完善，開發(fā)了多種專利產(chǎn)品，其專用設(shè)計(jì)軟件可在短時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)、繪圖、工程量統(tǒng)計(jì)及工程報(bào)價(jià)，在制作上也實(shí)現(xiàn)了高度的標(biāo)準(zhǔn)化及工廠化[5]。同時(shí)，由于鋼結(jié)構(gòu)本身具備自重輕、強(qiáng)度高、施工快等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，因此對(duì)高層、大跨度，采用鋼結(jié)構(gòu)更是非常理想，目前世界上最高、最大的結(jié)構(gòu)都是采用鋼結(jié)構(gòu)，而歷屆奧運(yùn)會(huì)的場(chǎng)館也多采用鋼結(jié)構(gòu)。我國(guó)是最早用鋼鐵建造橋梁和寺塔等承重結(jié)構(gòu)的少數(shù)幾個(gè)國(guó)家之一如建于1705年(清康熙44年)的四川滬定大渡河橋，全長(zhǎng)100m，比歐洲和美國(guó)建造的第一座鐵橋早100年左右。20世紀(jì)60年代中后期至70年代，盡管我國(guó)冶金工業(yè)有了較大的發(fā)展，但各部門需要鋼材量也越來(lái)越多，國(guó)家提出在建筑業(yè)節(jié)約鋼材的政策，并且在執(zhí)行過(guò)程中出現(xiàn)了一定的失誤，限制了鋼結(jié)構(gòu)的合理使用與發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展進(jìn)入低潮。我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)主要集中應(yīng)用于工業(yè)廠房、大跨度或高層民用建筑中，鋼結(jié)構(gòu)建筑在全部建筑中的應(yīng)用比例非常低，還不到1%，而美國(guó)、日本、瑞典等國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)房屋面積己達(dá)到總建筑面積的40%以上。本文的工作是研究多層教學(xué)樓的鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造措施，并進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較，為我國(guó)多層民用鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展提供參考。其中1號(hào)教學(xué)樓為6層鋼結(jié)構(gòu)，建筑面積11650m2。工程抗震設(shè)防分類為丙類，建筑場(chǎng)穩(wěn)定性良好，地震設(shè)防烈度為7度。基礎(chǔ)選用靜壓混凝土預(yù)應(yīng)力管樁，以礫砂殘積土或微風(fēng)化灰?guī)r作為持力層，樁長(zhǎng)25~35m，樁徑400mm，單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值為1200kN 。由于鋼結(jié)構(gòu)本身所具有的不同于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的材料性能，該主題在建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中體現(xiàn)得更為明顯。在這方面，香港匯豐銀行大廈、中國(guó)銀行大廈和上海證券大廈堪稱典范。其中采用最多的是33KSI，與我國(guó)3號(hào)鋼的強(qiáng)度類似。目前，在北美和日本，針對(duì)該體系的一系列配套措施、設(shè)備產(chǎn)品已非常完備，除結(jié)構(gòu)體系的各種原材料、加工機(jī)械設(shè)備和連接配件外，從墻體圍護(hù)板材、飾面材料、保溫防水材料到配套廚衛(wèi)設(shè)備、固定家具等一應(yīng)俱全，有上千種部件可供挑選。(根據(jù)飾面材料和門窗材料的不同而有所區(qū)別)[8]。地震區(qū)的建筑采用框架體系時(shí)，縱、橫向框架梁與柱的連接一般采用剛性連接，某些情況下，為加大結(jié)構(gòu)的延性，或防止梁與柱連接焊縫的脆斷，也有采取半剛性連接構(gòu)造。但對(duì)于多層民用建筑，鋼框架體系仍然是不可或缺的基本體系之一。主要分析計(jì)算方法(1) 豎向荷載作用下的近似計(jì)算方法一分層計(jì)算法[11]多層多跨框架在一般豎向荷載作用下，側(cè)移是比較小的，可以作為無(wú)側(cè)移框架按力矩分配法進(jìn)行內(nèi)力分析。分層計(jì)算結(jié)果在結(jié)點(diǎn)上的彎矩可能不平衡，但誤差不會(huì)很大，如果需要較為精確的結(jié)果，可將結(jié)點(diǎn)不平衡彎矩再進(jìn)行一次分配。日本武藤清教授在分析多層框架的受力特點(diǎn)和變形特點(diǎn)的基礎(chǔ)上作了一些假定，經(jīng)過(guò)力學(xué)分析，提出了修正柱的抗側(cè)移剛度和調(diào)整反彎點(diǎn)高度的方法計(jì)算水平荷載下框架的內(nèi)力，修正后的柱側(cè)移剛度用D表示，故稱為D值法。(3)框架在地震作用下的內(nèi)力計(jì)算[10]地震作用又分為水平地震作用和豎向地震作用，對(duì)于多層住宅一般只考慮水平地震的作用。梁柱框架可以是鉸接或半剛接，、梁、樓板傳來(lái)的豎向荷載。支撐框架中的框架梁與框架柱大多仍為剛性連接。支撐側(cè)移主要是由水平荷載傾覆力矩時(shí)支撐整體彎曲產(chǎn)生的，支撐的一側(cè)拉伸、一側(cè)壓縮，導(dǎo)致樓面傾斜轉(zhuǎn)動(dòng)，由下層到上層逐層積累，使支撐側(cè)移曲線的層間側(cè)移角θ(θ= δ/h)由下而上逐層增大。(1)中心支撐中心支撐 (軸交支撐)的特征是:支撐的每個(gè)節(jié)點(diǎn)處，各桿的軸心線交匯于一點(diǎn)。所以，中心支撐框架被認(rèn)為具有較大剛度、較高強(qiáng)度但較之鋼結(jié)構(gòu)抗彎框架延性較小。K形支撐會(huì)引起柱在大震作用下的屈服，當(dāng)一根受壓時(shí)，其中另外一根正在受拉，而且在受拉支撐屈服前，受壓支撐早就屈曲。帶有V形支撐的梁在大震下會(huì)引起樓板的變形，但是同時(shí)也提供了額外的能量耗散，能改善大震作用下的地震反應(yīng)。偏心支撐有以下幾種類型:單斜桿的一端或兩端形成消能梁段(圖2一2a) 。X型支撐中心節(jié)點(diǎn)采用彎曲型消能內(nèi)框(圖2一2f)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的平面或立面不規(guī)則、體形復(fù)雜、無(wú)法劃分成平面抗側(cè)力單元、或?yàn)橥搀w結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)采用三維空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。結(jié)構(gòu)的性能(1)承載力高，鋼管混凝土受壓(或受彎)桿件，由于鋼管對(duì)內(nèi)填混凝土的約束作用，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，抗壓強(qiáng)度提高一倍以上。與鋼骨混凝土柱相比，截面面積也可減小很多，因?yàn)殇摴侵某袎毫Υ笾碌扔谥鶅?nèi)型鋼承載力與外包鋼筋混凝土承載力之和，而鋼管柱的受壓承載力幾乎是鋼管及內(nèi)填混凝土單獨(dú)承載力之和的二倍。由于內(nèi)填滿混凝士，能吸收大量熱能，遭受火災(zāi)時(shí)，能延長(zhǎng)柱的耐火時(shí)間[14]。構(gòu)件延性好:由于鋼骨的存在使得構(gòu)件延性得到很大改善，變形能力強(qiáng)、抗震性能好、承載能力高。耐火度高:包裹在鋼骨架外面的鋼筋混凝土，不僅在剛度和強(qiáng)度上發(fā)揮作用，還作為型鋼的保護(hù)層，可以取代型鋼外涂的防銹漆和防火涂料，不僅節(jié)省經(jīng)常性維護(hù)費(fèi)用，而且由于混凝上蓄熱量較大，從而提高了構(gòu)件的耐火度。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介(1)豎向構(gòu)件混凝土核心筒一鋼框架體系是指由鋼筋混凝土核心筒與外圈的剛接或鉸接鋼框架共同組成的混合結(jié)構(gòu)體系。當(dāng)樓面外圈為鉸接框架時(shí)，核心筒則承擔(dān)樓房的全部水平荷載.(2)水平構(gòu)件進(jìn)行樓面構(gòu)件布置時(shí)，應(yīng)恰當(dāng)安排各層樓蓋的梁、板走向，以便讓更多的樓面重力荷載直接傳到核心筒，加大其筒壁的豎向壓應(yīng)力，以提高核心筒的受剪承載力和抵抗傾覆力矩的能力。這種結(jié)構(gòu)體系在歷史上曾有過(guò)震害破壞記錄。主要問(wèn)題是，國(guó)內(nèi)外對(duì)該類型結(jié)構(gòu)的抗震性能缺少全面、系統(tǒng)的研究，對(duì)其延性、耗能以及地震作用下兩類構(gòu)件同步工作程度、破壞機(jī)制和倒塌過(guò)程，尚未完全了解，需要做進(jìn)一步的研究。桁架在相鄰樓層被交替布置在柱軸線上，因而產(chǎn)生了桁架的交錯(cuò)排列形式(圖2一3)。通常使用帶敷層的預(yù)制混凝土板，因?yàn)槌藵M足跨度要求外，預(yù)制混凝土板的板底也可施工成直接用作天花板。相應(yīng)的，走廊通常布置在接近建筑物中線的位置，也即接近桁架跨中處（桁架的最小剪力點(diǎn))，這樣可以減小弦桿中的彎曲應(yīng)力。外圍柱中只產(chǎn)生軸向力，因此，除了在桁架開口處，橫向的水平荷載通過(guò)結(jié)構(gòu)往下傳而不會(huì)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。帶有大開口及其他剪力不連續(xù)處的樓板一般需要進(jìn)行額外的加強(qiáng)。樓板直接支承在相鄰柱列的上下弦上，不需設(shè)樓面梁格，降低層高，節(jié)約造價(jià)。選用原則鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則是:結(jié)構(gòu)必須有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，整個(gè)結(jié)構(gòu)安全可靠。結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)便于運(yùn)輸、便于維護(hù)。隨著房屋高度的增加和抗震設(shè)等級(jí)的提高，需要的抗側(cè)剛度也隨之增大。采用有混凝土抗側(cè)力體系(如剪力墻、混凝土筒體)時(shí)，結(jié)構(gòu)自重也大幅度增加，對(duì)抗震和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也有不利的一面。當(dāng)房屋高寬比增大時(shí)，傾覆力矩作用下結(jié)構(gòu)側(cè)移增大，也需要較大的抗側(cè)剛度。(3)房屋材料，包括結(jié)構(gòu)體系和圍護(hù)體系材料。在地質(zhì)條件較差的地區(qū)，應(yīng)優(yōu)先選用純鋼結(jié)構(gòu)體系，如框架體系、框架一支撐體系，以降低基礎(chǔ)造價(jià)。(6) 規(guī)范要求。對(duì)可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取措施提高抗震能力。各部分剛度比較均勻，構(gòu)造簡(jiǎn)單，更易于施工。所以綜合以上的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)因素，本案例采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系。它的一些主要優(yōu)勢(shì)是:(1) 施工工藝簡(jiǎn)單，取材方便，造價(jià)低廉，適用范圍廣。盡管它有以上許多優(yōu)點(diǎn)，但在多高層結(jié)構(gòu)的樓板設(shè)計(jì)中并不常用，主要是由于以下幾點(diǎn)不利因素:(1)自重較大，現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)多，現(xiàn)場(chǎng)凌亂。另外，混凝土樓板和鋼框架組合還有一個(gè)缺點(diǎn)，就是可能會(huì)產(chǎn)生裂縫。這和混凝土框架是不同的，混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋是被混凝土包裹在里面的，溫度對(duì)它的直接影響可以說(shuō)是小得多的.壓型鋼板混凝土組合樓板是將壓型鋼板鋪設(shè)在鋼梁上，在壓型鋼板和鋼梁翼緣板之間用圓柱頭焊釘進(jìn)行穿透焊接，壓型鋼板即可作為澆筑混凝土?xí)r的永久性模板，也可作為混凝土板下部受拉鋼筋與混凝土一起共同工作。為保證壓型鋼板和混凝土疊合面之間的剪力傳遞，須在壓型鋼板上增加縱向波槽、壓痕或橫向抗剪鋼筋等.《美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[13]提出的做法是在混凝土板表面下25mm 處放焊接鋼絲網(wǎng)，鋼絲網(wǎng)雖然起不到多少結(jié)構(gòu)上的作用，但它可以最大限度地減少由于混凝土收縮和熱脹冷縮效應(yīng)引起的開裂，而且對(duì)于板在其支座負(fù)彎距區(qū)的開裂也能提供一定的控制作用。優(yōu)缺點(diǎn)。在另一方面，壓型鋼板組合樓蓋對(duì)建筑物也有一些不利的因素:(1)用壓型鋼板后，增加了材料的費(fèi)用，尤其是鍍鋅壓型鋼板，本身造價(jià)較高，需要進(jìn)行防火處理。壓型金屬板上的填充混凝土起到了充當(dāng)傳遞風(fēng)荷載和地震力等側(cè)向荷載的聯(lián)系蒙皮板作用，這種作用發(fā)生在每一層的樓板高度處，通過(guò)板內(nèi)剪力傳遞到結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)向荷載的構(gòu)件上，如剪力墻和斜撐框架等。SP板通過(guò)板之間的共同作用可以承受較大的集中荷載。(3)外觀尺寸準(zhǔn)確，平整度好。(5)、場(chǎng)地等其他條件相同的情況下，SP板建筑物的延性較好，抗震性能接近于鋼筋混凝土剪力墻。(3)SP空心板在使用過(guò)程中板與板之間易出現(xiàn)縱向裂縫，影響美觀[19]。一般無(wú)任何保護(hù)及覆蓋物的鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限只有15分鐘左右的時(shí)間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范的要求。(2) 易變形倒塌，造成群死群傷。 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB500172003)規(guī)定:當(dāng)結(jié)構(gòu)表面長(zhǎng)期受輻射熱達(dá)150℃以上或在短期內(nèi)可能受到火焰作用時(shí)，應(yīng)采取有效防護(hù)措施，以保證結(jié)構(gòu)在使用期內(nèi)安全可靠。 《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB50160一1992)也對(duì)鋼管道、支架、裙座等作了耐火層的要求. 防火保護(hù)的目的 鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)的目的， 小時(shí)提高到防火設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的耐火極限，防止鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中迅速升溫產(chǎn)生變形坍塌，從而為消防滅火和安全疏散贏得時(shí)間。這個(gè)名稱含義廣泛，包括所有以包覆法保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件以抵御火災(zāi)的材料和方法。 (2)膨脹材料。薄型涂料涂敷厚度為2~5mm，耐火極限一般不超過(guò)2小時(shí)?；馂?zāi)發(fā)生時(shí)，柱子好像爐子上的水壺，只要柱內(nèi)有水，溫度就不會(huì)高于1000℃.這種方法對(duì)抗火災(zāi)行之有效，但由于需要一整套水循環(huán)系統(tǒng)，設(shè)備工藝狀況復(fù)雜，防腐、防凍措施要求較高，如美國(guó)匹茲堡64層的美國(guó)鋼鐵公司大廈在呈空心截面的鋼柱內(nèi)充水，并與設(shè)于頂部的水箱相連，形成封閉冷卻系統(tǒng)。這種方法從投資上比較經(jīng)濟(jì)，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)防火造價(jià)已基本包含在墻體造價(jià)內(nèi)，但會(huì)造成建筑墻體加厚，導(dǎo)致有效使用面積減少[20]。而對(duì)那些裸露在外的鋼構(gòu)件，則應(yīng)采用合理的防火保護(hù)構(gòu)造作法。外墻及分戶墻為180mm厚磚墻，樓面為l00mm厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20?；居?jì)算假定及設(shè)計(jì)參數(shù)取值為:(1) 樓板為剛性樓板，框架節(jié)點(diǎn)為剛性節(jié)點(diǎn)，柱腳為剛接。不考慮5%偶然偏心。(6)。(8)使用活荷載:，(9)計(jì)算層高:。Fx— X向地震作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)力。Floor Tower Fx vx(分塔剪重比)(整層剪重比) Mx staticFx (KN) (KN) (KNm) (KN)6 1 (%)(%) 5 1 (%)(%) 4 1 (%)(%) 3 1 (%)(%) 2 1 (%)(%) 1 1 (%)(%) (4)各層Y方向的作用力(CQC):注: Floor層號(hào)。My— Y向地震作用下結(jié)構(gòu)的彎矩。Jmax最大位移對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)號(hào)。Ave一(x)，Ave一(Y)一x，y方向的層平均位移。MaxDx/h，MaxDy/h—X，Y方向的最大層間位移角。具體結(jié)構(gòu)布置圖詳見(jiàn)圖3一3。工況 1: X方向地震作用下的樓層最大位移Floor Tower Jmax Max（X） Ave一(x) Ratio(X) h JmaxD MaxDx AveDx RatioDx MaxDx/h6 1 211 3600211 1/21135 1 172 3600172 1/13794 1 133 3600133 1/1092.3 1 94 3600 94 1/943.2 1 55 3600 55 1/8611 1 16 4200 16