【正文】 載。這些荷載由桁架的垂直方向傳到下弦，然后通過(guò)同一水平高度的樓板傳到相鄰桁架的上弦上。桁架的上弦和下弦通常采用寬翼緣型鋼來(lái)有效地抵抗由樓板荷載產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。此時(shí)，樓板跨越于一福析架的上弦與相鄰析架的下弦之間。在人們致力于為多層住宅建筑提供最小樓層高度的鋼結(jié)構(gòu)體系時(shí)，交錯(cuò)桁架體系發(fā)展起來(lái)了。在美國(guó)，根據(jù)阿拉斯加地震經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為不宜用于地震區(qū)。結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)該體系在我國(guó)應(yīng)用極為廣泛，目前新建的高層、超高層建筑幾乎都采用了這種結(jié)構(gòu)體系，混凝土筒體抗側(cè)力的效果較好，具有節(jié)約鋼材、降低造價(jià)，施工方便等優(yōu)點(diǎn)。混凝土核心筒是結(jié)構(gòu)體系中的主要或唯一的抗側(cè)力豎向構(gòu)件。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)都是結(jié)構(gòu)框架體系采用鋼與混凝土組合作用，兩種材料相輔相成共同工作，都具有承載力高、抗震性能好、變形能力強(qiáng)的特點(diǎn)。形成鮮明對(duì)比的是，采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的高樓，破壞輕微。結(jié)構(gòu)的性能(1)與鋼筋混凝土構(gòu)件相比，具有以下特點(diǎn):整體工作:鋼骨架與混凝土形成整體，共同受力。鋼管內(nèi)的混凝土由于鋼管的套箍作用，受壓時(shí)的脆性破壞轉(zhuǎn)變成為延性破壞:而套箍指標(biāo)θ≥，具有極好的延性。(2)截面尺寸小。它是從密排螺旋箍等套箍混凝土演變而成的，其基本原理是:借助內(nèi)填混凝土來(lái)增強(qiáng)鋼管壁的穩(wěn)定性。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，可采用平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的空間協(xié)同計(jì)算模型。人字形上端形成豎向消能梁段(圖2一2c) 。(2)偏心支撐偏心支撐(偏交支撐)的特征是:支撐斜桿與梁、柱的軸線不是交匯于一點(diǎn)而是偏離一段距離，形成一個(gè)先于支撐斜桿屈服的“消能梁段”，偏心支撐框架的每根桿件應(yīng)至少有一段與框架梁連接，并在斜桿與梁交點(diǎn)至柱之間或至同一跨內(nèi)另一斜桿與梁交點(diǎn)之間形成消能梁段。所以這種支撐在地震較多發(fā)生地區(qū)被禁止使用。圖 2一1中心支撐框架的典型形式X型支撐通常十分細(xì)軟，有很大的抗拉承載力但抗壓屈曲承載力很小。不同的支撐的形式可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表現(xiàn)由很大不同。各層剛性樓蓋協(xié)調(diào)的結(jié)果使框一撐體系具有一條共同的側(cè)移曲線，從而使框架下部和支撐上部的較大層間側(cè)移角均得以較大幅度的減小。該體系改進(jìn)了框架體系抗側(cè)力能力較弱的缺點(diǎn)，但是支撐體系尤其是偏心支撐體系在施工當(dāng)中難度較大，而且由于支撐截面寬度較大，墻板與其不易配套，從而給室內(nèi)裝修帶來(lái)一定的問(wèn)題，這些都需要著重解決。從經(jīng)濟(jì)角度看，把支撐設(shè)計(jì)為僅僅受拉的構(gòu)件是很誘人的，因?yàn)殇撛诳估瓡r(shí)是十分有效的，但是這會(huì)導(dǎo)致在強(qiáng)震作用下低劣的彈塑性性能。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介以樓房的框架體系為基礎(chǔ)，沿房屋的縱、橫兩個(gè)方向均布置一定數(shù)量的豎向支撐所形成的結(jié)構(gòu)體系稱為框架一支撐體系，簡(jiǎn)稱框一撐體系。因此該方法在多高層的計(jì)算中得到了廣泛的應(yīng)用。(2)水平荷載作用下的計(jì)算方法一D值法，假定結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角為零的一種近似計(jì)算方法。上述兩點(diǎn)即為分層計(jì)算法的基本簡(jiǎn)化假定。但是，就框架在水平荷載作用下總體變形產(chǎn)生的側(cè)移曲線形狀而言，框架仍屬于剪切型抗側(cè)力構(gòu)件。表 2 1 鋼結(jié)構(gòu)民用建筑的最大高度 (m)結(jié)構(gòu)體系抗震設(shè)防烈度6度、7度8度9度框架1109050框架—支撐、框架—墻板220200140簡(jiǎn)體和巨型框架300260180該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論成熟，設(shè)計(jì)施工簡(jiǎn)單，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單。純鋼結(jié)構(gòu)框架體系具體分為框架結(jié)構(gòu)體系和框架一支撐體系?？傮w來(lái)看，薄壁鋼骨體系住宅是一種工廠化制造、能快速組裝、完全干作業(yè)的裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系，具有用鋼量少、抗震、節(jié)能和建造省時(shí)、省工等特點(diǎn)。輕鋼龍骨的截面形狀可分為C型槽鋼和C型立龍骨，槽鋼和立龍骨的寬度可以從60一360mm不等，滿足不同結(jié)構(gòu)部位、不同荷載、不同構(gòu)件的要求。適用于多層民用房屋的鋼結(jié)構(gòu)體系根據(jù)層數(shù)、抗震等要求可分為薄壁鋼骨體系、純鋼框架結(jié)構(gòu)體系、鋼混結(jié)構(gòu)體系和交錯(cuò)析架體系。對(duì)建筑師來(lái)說(shuō)，充分認(rèn)識(shí)建筑鋼結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力體系也是必需的。同時(shí)，結(jié)構(gòu)體系還應(yīng)具有較高的延性和較大的耗能能力，以使建筑結(jié)構(gòu)在遭受高于本地區(qū)設(shè)防烈度的預(yù)估的罕遇地震影響時(shí)，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴(yán)重破壞?；撅L(fēng)壓按50年一遇的風(fēng)壓采用。為使所研究的對(duì)象具有普遍性、實(shí)用性和可比性，本文具體選取了其中的1區(qū)建筑(V軸至X軸)進(jìn)行分析。鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算分析采用了STS鋼結(jié)構(gòu)CAD軟件，SATWE有限元分析軟件。要縮小差距，必須在量大面廣的多層民用建筑中推廣應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)。自20世紀(jì)90年代至今，我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)發(fā)展步入快速發(fā)展期，鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展日新月異，規(guī)模更大、技術(shù)更新，呈現(xiàn)出數(shù)百年來(lái)未有過(guò)的興旺景象，被成為建筑行業(yè)的“朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)”。18世紀(jì)歐洲工業(yè)革命以后，由于鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在歐洲各國(guó)的應(yīng)用逐漸增多，范圍也不斷擴(kuò)大，而我國(guó)在1840年鴉片戰(zhàn)爭(zhēng)以后，淪為半封建半殖民地國(guó)家，經(jīng)濟(jì)停滯不前，鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展非常緩慢，與歐美各國(guó)差距拉大。一個(gè)國(guó)家采用鋼結(jié)構(gòu)的歷史，往往與這個(gè)國(guó)家的鋼鐵產(chǎn)量和鋼鐵冶煉技術(shù)有關(guān)。在澳洲，澳洲鋼結(jié)構(gòu)住宅的市場(chǎng)占有率約15%。在歐洲，“二戰(zhàn)”過(guò)后，歐洲一些國(guó)家為解決房荒問(wèn)題，掀起住宅建筑工業(yè)化高潮，形成了一批完整的標(biāo)準(zhǔn)化系列的建筑住宅體系并應(yīng)用至今。目前鋼結(jié)構(gòu)體系開始逐步滲入到對(duì)跨度和荷載并無(wú)特殊要求的居住建筑領(lǐng)域?，F(xiàn)代輕鋼房屋建筑體系誕生于20 世紀(jì)初，于“二戰(zhàn)”期間得到快速發(fā)展。另一方面，建設(shè)部等相關(guān)部委相繼發(fā)布了一系列指導(dǎo)性政策和意見，把鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)列為“十五”期間十大重點(diǎn)推廣技術(shù)，對(duì)我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展起到了積極推動(dòng)作用。同時(shí)，自19% 年以來(lái)我國(guó)每年城市住宅竣工面積約9~11億立方米，鄉(xiāng)鎮(zhèn)住宅幾十億立方米。鋼結(jié)構(gòu)的施工方式為干式施工，可避免混凝土濕式施工所造成的環(huán)境污染。如前幾年高檔辦公樓的投資回收期為3年左右，如果采用鋼結(jié)構(gòu)代替混凝土結(jié)構(gòu)，可提前半年投入使用，相當(dāng)于節(jié)省投資18%[3]。構(gòu)件在工地拼裝時(shí)，多采用簡(jiǎn)單方便的焊接和螺栓連接，鋼構(gòu)件與其他材料構(gòu)件的連接也比較方便。材料均勻，塑性、韌性好，抗震性能優(yōu)越由于鋼材內(nèi)部原子排列均勻接近各向同性，鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作性能比較符合目前采用的理論計(jì)算模型，因此可靠性高。因此在樓層凈高相同的條件下，鋼結(jié)構(gòu)樓層高度要比混凝土的小，可以減小墻體高度，并節(jié)約室內(nèi)空調(diào)所需的能源，減小房屋維護(hù)和使用費(fèi)用。構(gòu)件截面小，有效空間大由于鋼材的強(qiáng)度高，構(gòu)件截面小，所占空間也就小。本文以廣州地區(qū)較早興建的多層民用鋼結(jié)構(gòu)建筑——廣東某學(xué)院1號(hào)教學(xué)樓作為研究對(duì)象，對(duì)該類型的多層民用鋼結(jié)構(gòu)房屋設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)分析和優(yōu)化研究。特別是在磚混房屋中使用的粘土磚的制作要占用大量的可耕地，使我國(guó)原本就很缺乏的耕地資源更加短缺。目前我國(guó)的能耗總量己達(dá)到世界第一，在提高建筑質(zhì)量的同時(shí)必須綜合考慮資源節(jié)約問(wèn)題，建筑節(jié)能與開發(fā)清潔能源刻不容緩[1]。多層教學(xué)樓建設(shè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第一章 緒 論改革開放以來(lái)，我國(guó)綜合實(shí)力日強(qiáng)，人民生活水平日漸提高。同時(shí)，我國(guó)也是一個(gè)人均資源占有量相對(duì)緊缺，能耗總量相對(duì)較大的國(guó)家。同時(shí)產(chǎn)業(yè)化程度低，不利于工業(yè)化、系列化生產(chǎn)。根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，要提高建筑性能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化、標(biāo)準(zhǔn)化、節(jié)能化，符合“十一五”發(fā)展綱要，目前最適宜的結(jié)構(gòu)首推鋼結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)自重的降低，可以減小地震作用，進(jìn)而減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力，還可以使基礎(chǔ)的造價(jià)降低，構(gòu)件輕巧也便于運(yùn)輸和安裝。另外，多層民用建筑中的管道很多，如果采用鋼結(jié)構(gòu)，可以在梁腹板上開洞以穿越管道，如果采用混凝土結(jié)構(gòu)，則不宜開洞，管道一般從梁下通過(guò)，從而要占用一定的空間。由于梁柱截面較小，避免了“粗柱笨梁”現(xiàn)象，室內(nèi)視覺(jué)開闊，美觀方便。表11 1985年墨西哥地震震害統(tǒng)計(jì)[3]結(jié)構(gòu)類型建造年代破壞程度1957年以前19571976年1976年以后合計(jì)鋼框架倒塌73010嚴(yán)重破壞1102混凝土框架倒塌2751482嚴(yán)重破壞1623645制造簡(jiǎn)單，施工周期短鋼結(jié)構(gòu)所用的材料多是成品或半成品材料，加工比較簡(jiǎn)單，并能夠使用機(jī)械操作，易于定型化、標(biāo)準(zhǔn)化，工業(yè)化生產(chǎn)程度高，因此，鋼構(gòu)件一般在專業(yè)化的金屬結(jié)構(gòu)加工廠制作而成，精度高，質(zhì)量穩(wěn)定，勞動(dòng)強(qiáng)度低。結(jié)構(gòu)施工周期短，使整個(gè)建筑更早投入使用，不但可以縮短貸款建設(shè)的還貸時(shí)間，減少貸款利息，而且提前收到投資回報(bào)。樓(屋)面多采用復(fù)合樓板，如壓型鋼板一混凝土組合板、輕鋼龍骨樓蓋等，符合建筑節(jié)能和環(huán)保要求，可以達(dá)到節(jié)能50%的目標(biāo)，節(jié)約了我國(guó)相對(duì)人均短缺點(diǎn)能源。近年來(lái)我國(guó)鋼與鋼材的產(chǎn)量、品種、規(guī)格增長(zhǎng)迅速，價(jià)格下降，原來(lái)鋼產(chǎn)量和價(jià)格對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)使用造成的阻力己不復(fù)存在。各種專業(yè)規(guī)范、規(guī)程相繼出臺(tái)或修訂，如《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ99一98) 、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017一2003)、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011一2001) 等等，標(biāo)志著我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的進(jìn)一步成熟。為了我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的自主開發(fā)和國(guó)產(chǎn)化道路，有必要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)體系的這些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。20世紀(jì)60 年代開始大量應(yīng)用由彩色壓型板及冷彎薄壁型鋼凜條組成的輕質(zhì)圍護(hù)體系。輕鋼結(jié)構(gòu)已成為發(fā)達(dá)國(guó)家的主要建筑結(jié)構(gòu)形式。在日本，其鋼結(jié)構(gòu)低層住宅已占工業(yè)住宅的71%。目前，世界上已建有幾個(gè)純鋼結(jié)構(gòu)建筑為世界上最高的超高層建筑。塔剎類建筑則有建于1061年，目前仍保存完好的湖北荊洲13層玉泉寺鐵塔，以及山東濟(jì)南鐵塔寺鐵塔和江蘇鎮(zhèn)江的甘露寺鐵塔[6]。但這一時(shí)期的行業(yè)規(guī)范有了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，獨(dú)立編制了《彎曲薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范草案》(1969)、《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GBJ18一66) 和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TJ17一74)，標(biāo)志著我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)己走上了獨(dú)立發(fā)展的道路.20世紀(jì)80年代，我國(guó)東部沿海地區(qū)引進(jìn)國(guó)外現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)，如上海寶山鋼鐵廠(105萬(wàn)m2)、山東石橫火力發(fā)電廠等，促進(jìn)了各種鋼結(jié)構(gòu)廠房的建成，深圳、北京、上海各地也興建了一些高層鋼結(jié)構(gòu)建筑，如深圳發(fā)展中心大廈(高165m，是我國(guó)第一棟超過(guò)100m的鋼結(jié)構(gòu)高層建筑)、北京京廣大廈(高208m)，在民用建筑中仍然為空白。同時(shí)，我國(guó)建筑用鋼在鋼材總產(chǎn)量中的比例也很低，為20%~30%，低于發(fā)達(dá)國(guó)家的45%~55%，而且我國(guó)絕大多數(shù)建筑用鋼是用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)中的鋼筋，鋼結(jié)構(gòu)用鋼(板材、型材等)還不到建筑用鋼的2%。本文在研究中選取了廣東某學(xué)院1號(hào)教學(xué)樓1區(qū)作為案例，通過(guò)結(jié)構(gòu)體系選型、樓板體系選型、鋼結(jié)構(gòu)防火處理、結(jié)構(gòu)布置等方面進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和技術(shù)分析，并與混凝土結(jié)構(gòu)體系分別在技術(shù)和綜合經(jīng)濟(jì)效果方面進(jìn)行比較分析。由于1號(hào)教學(xué)樓平面較大，根據(jù)所設(shè)伸縮縫分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)。建筑場(chǎng)地屬于中軟場(chǎng)地土，場(chǎng)地土類別為Ⅱ類，中砂層屬可液化砂土層。小震不壞 、大震不倒、結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以滿足建筑物在正常使用條件下的相關(guān)要求。而設(shè)計(jì)技術(shù)的現(xiàn)代化更能使結(jié)構(gòu)工程師對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將材料性能與結(jié)構(gòu)體系中力的分布和構(gòu)件的變形有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，真正實(shí)現(xiàn)基于性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[8]。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)而言，結(jié)構(gòu)抗側(cè)力性能是結(jié)構(gòu)整體性能的重要因素，決定著結(jié)構(gòu)的選型和用鋼量。墻體和樓板密集的薄壁鋼骨(通常龍骨間距400mm)形成整體受力的基本框架體系，墻體龍骨厚度100~15Omm，樓面龍骨的高度一般為300mm高，這樣墻體和樓面的中空空間可為住宅中布置管網(wǎng)提供方便。在空間設(shè)計(jì)上由于采用模數(shù)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師可根據(jù)業(yè)主要求靈活調(diào)整空間格局，滿足不同生活方式的需要。多層建筑一般適宜采用空間(梁、柱)結(jié)構(gòu)體系。對(duì)于層數(shù)不太多的樓房，框架體系是一種應(yīng)用較多的結(jié)構(gòu)體系，需作抗震設(shè)防的樓房，采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系，房屋的最大高度不應(yīng)超過(guò)表2一1的規(guī)定[10]。變形性質(zhì)水平荷載下框架的側(cè)移△之中，由梁、柱軸向變形引起的側(cè)移分量所占比例較小，由梁、柱彎曲和剪切變形引起的側(cè)移分量、所占比例較大，所以框架仍屬于彎曲桿系。由精確分析可知，各層荷載對(duì)其它層桿件內(nèi)力影響不大，因此，在近似方法中，可將多層框架簡(jiǎn)化成單層框架，即分層作力矩分配計(jì)算。此外，還有力矩分配法、迭代法等。該方法的計(jì)算步驟與反彎點(diǎn)法相同，因而計(jì)算簡(jiǎn)單、實(shí)用，精度比反彎點(diǎn)法高。一般說(shuō)來(lái)，水平地震作用的計(jì)算都采用振型分解反應(yīng)譜法，而對(duì)于高度不超過(guò)40m、以剪切變形為主且質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的結(jié)構(gòu)，以及近似于單質(zhì)點(diǎn)體系的結(jié)構(gòu)，可采用底部剪力法等簡(jiǎn)化算法。一般來(lái)說(shuō)，此體系較純框架結(jié)構(gòu)用鋼量少，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造較其他體系相對(duì)簡(jiǎn)單。支撐斜桿兩端與框架梁、柱的連接盡管在結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖中假定為鉸接，但實(shí)際構(gòu)造仍多采用剛性連接，少數(shù)工程(上海金茂大廈等)也有采用鋼銷連接的鉸接構(gòu)造。(2)框 一 撐體系的側(cè)移采用框 一 撐體系的建筑，框架和支撐由于水平(側(cè)向)剛度很大的各層樓蓋的聯(lián)系和協(xié)調(diào)不再能自由的單獨(dú)變形，兩者的側(cè)向變形趨于一致。中心支撐抗彎框架在相同的用鋼量下，比抗彎框架能更經(jīng)濟(jì)地提供較大的強(qiáng)度和剛度。圖 2一 1所示不同的支撐形式有不同的特點(diǎn)。支撐的屈曲會(huì)引起柱中很大的剪力和彎距。對(duì)角支撐在側(cè)向荷載向一個(gè)方向作用時(shí)受壓，而當(dāng)側(cè)向荷載向另一個(gè)方向作用時(shí)受拉，UBC(美國(guó)統(tǒng)一建筑規(guī)范) 規(guī)定，由于支撐的受拉承載力比受壓承載力大許多，不同方向傾斜的支撐數(shù)目應(yīng)均衡[12]。八字形支撐上端形成消能梁段(圖2一2b)。圖22 幾種偏心支撐一個(gè)節(jié)間的構(gòu)造示意[13]計(jì)算方法框架一支撐結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算方法同框架體系的計(jì)算方法基本相同，只是其計(jì)算簡(jiǎn)化有所不同。鋼混組合結(jié)構(gòu)是指鋼框架和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)混合使用的鋼結(jié)構(gòu)類型.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介鋼管混凝土結(jié)構(gòu)指結(jié)構(gòu)梁柱及支撐采用圓型或方型的鋼管。同時(shí)，內(nèi)填混凝土反過(guò)來(lái)又阻止薄壁鋼管受壓時(shí)的局部屈曲，與鋼筋混凝土桿件相比較，圓鋼管混凝土桿件的抗剪強(qiáng)度和抗扭承載力也幾乎提高一倍。(3)延性好。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)是在鋼梁、鋼柱周圍配置鋼筋，澆注混凝土后使鋼骨與混凝土成為共同作用的組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件。1995年日本阪神地震，鋼筋混凝土高樓破壞率高、破壞程度嚴(yán)重。兼作模板支架:型鋼在混凝土尚未澆灌之前即己形成鋼構(gòu)架，有相當(dāng)大的承載力，可用作其上若干樓層平行施工的模板支架和操作平臺(tái)，