【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 和最大層間側(cè)移值。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)。但由于核心筒與鋼外框架的延性、鋼筋混凝土核心筒約承擔(dān)90%，作為第一道防線的核心筒很容易遭到破壞，而恰恰第二道防線的鋼框架非常薄弱，這就是說(shuō)鋼框架一混凝土核心筒結(jié)構(gòu)基本上沒有進(jìn)一步抵抗地震重用的能力。這種結(jié)構(gòu)體系在歷史上曾有過(guò)震害破壞記錄。且混凝土筒體與鋼框架的連接較為復(fù)雜，施工進(jìn)度不匹配，施工精度要求較高[15]。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)。日本于1992年建成高度分別為78m和1O7m的兩棟該類型樓房，然而，以后再建此類結(jié)構(gòu)，需經(jīng)建設(shè)大臣批準(zhǔn)。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。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)體系[16]，[17]是麻省理工學(xué)院于20世紀(jì)60年代中期開發(fā)的一種新型結(jié)構(gòu)體系主要適用于中、高層住宅、旅館、辦公樓等平面為矩形或由矩形組成的鋼結(jié)構(gòu)房屋，在美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家己有不少應(yīng)用，但在我國(guó)基本還是空白。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。這種體系由跨越整個(gè)建筑寬度且高度為一層的桁架組成。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)。桁架在外柱之間跨越大約60ft()的跨度，從而可得到很大的無(wú)柱內(nèi)部空間。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。由于交錯(cuò)析架典型的中心間距為20一30ft（~），因此需要一種大跨度的樓板體系。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。另一種是帶有填充混凝土的大跨度組合壓型金屬板。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。 圖2一3交錯(cuò)桁架體系桁架的斜腹桿在走廊開口處被略去了，這將導(dǎo)致桁架弦桿中產(chǎn)生由空腹桁架效應(yīng)引起的彎曲應(yīng)力。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。橫向的水平力經(jīng)由樓板的蒙皮板作用()傳遞到桁架上弦。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。從上弦到下弦的側(cè)向荷載傳遞所產(chǎn)生的傾覆力偶由桁架端部的豎向力偶來(lái)抵抗。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?？v向的水平荷載經(jīng)由樓板蒙皮板作用傳到外圍柱上，結(jié)構(gòu)用一般的方式的抵抗了荷載，如剛性框架或支撐排架等。為了提供額外的強(qiáng)度和剛度，通常對(duì)外圍柱子加以調(diào)整以使強(qiáng)軸協(xié)助抵抗延縱向的側(cè)向荷載。為了在桁架和樓板之間取得必要的結(jié)構(gòu)上的相互作用，以及提供樓板蒙皮作用所必需的連續(xù)性，在各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間必須提供足夠的連接，形式可采用焊接板、抗剪連接件等。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)。雖然交錯(cuò)桁架體系主要由桁架桿件的軸向力抵抗重力及水平力，但必須對(duì)外圍柱子中由于重力荷載作用下桁架變形而產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力加以考慮?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)桁架起拱的方式來(lái)顯著減小這種彎曲應(yīng)力，相當(dāng)于對(duì)柱子預(yù)施荷載:另一種可采用的方法是提供一種槽型下弦連接件，在施加恒載后擰緊或者焊接此連接件[12]。結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)其主要優(yōu)點(diǎn):室內(nèi)無(wú)柱，開間大，建筑平面布置靈活。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)。柱、桁架預(yù)先在工廠制作，現(xiàn)場(chǎng)安裝方便，施工周期短。其主要缺點(diǎn)在于: 桁架不利于門窗布置及人流安排?？拐鹦阅艽M(jìn)一步研究。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)應(yīng)符合建筑物的使用要求，有良好的耐久性。結(jié)構(gòu)方案盡可能節(jié)約鋼材，減輕鋼結(jié)構(gòu)重量。盡可能縮短制造、安裝時(shí)間，節(jié)約勞動(dòng)工日。結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)便于運(yùn)輸、便于維護(hù)。在可能條件下，盡量注意美觀，特別是外露結(jié)構(gòu)，有一定建筑美學(xué)要求。以上所列鋼結(jié)構(gòu)體系的幾種類型，各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體應(yīng)用要根據(jù)實(shí)際情況，綜合比較，主要應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面的因素，并做到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用和確保質(zhì)量。(1)房屋荷載 ，特別是風(fēng)荷載和地震作用。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。對(duì)于層數(shù)不多、設(shè)防等級(jí)不高的房屋，應(yīng)優(yōu)先采用框架體系。設(shè)防等級(jí)較高時(shí)，宜優(yōu)先考慮框架一支撐體系，抗側(cè)效果明顯且構(gòu)造簡(jiǎn)單。如有電梯、管道井，也可結(jié)合選用框架一核心筒體系。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。(2) 房屋的尺寸和體形，包括平面形狀、立面要求、房屋高度及高寬比等。建筑平面簡(jiǎn)單時(shí)，風(fēng)荷載體形系數(shù)小，水平荷載作用下也不易發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，需要的抗側(cè)剛度就低。如果立面不規(guī)則，如立面有突變或結(jié)構(gòu)存在薄弱層，結(jié)構(gòu)剛度存在突變，不利于抗震，需要調(diào)整對(duì)應(yīng)層的抗側(cè)剛度，往往采用混合結(jié)構(gòu)體系。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。某些建筑要求，對(duì)結(jié)構(gòu)體系的選擇也有影響。例如，門窗或開間的設(shè)置與支撐體系發(fā)生沖突時(shí)，可能轉(zhuǎn)為采用其他結(jié)構(gòu)體系。如果房屋內(nèi)部設(shè)有較大空間，采用框架一剪力墻體系或框架一筒體體系則能很好地解決這一問(wèn)題，因?yàn)榧袅屯搀w幾乎承擔(dān)了全部水平荷載，框架體系基本上僅承擔(dān)豎向荷載，同樣截面條件下所提供的空間比純框架體系大。(3)房屋材料，包括結(jié)構(gòu)體系和圍護(hù)體系材料。采用輕質(zhì)材料時(shí)，房屋質(zhì)量輕，承重結(jié)構(gòu)的用鋼量低，同時(shí)，由于地震作用小，需要的抗側(cè)剛度也就小。(4)工程造價(jià)，也是影響結(jié)構(gòu)體系選用的一個(gè)重要因素。一般來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)剛度越大，工程造價(jià)也越高。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)。(5)施工條件。鋼結(jié)構(gòu)一般在工廠制造，現(xiàn)場(chǎng)安裝，施工工期短，而混凝土抗側(cè)結(jié)構(gòu)需要現(xiàn)場(chǎng)澆筑，施工周期長(zhǎng)。當(dāng)施工工期要求較短時(shí)，宜采用純鋼結(jié)構(gòu)體系。(6) 規(guī)范要求?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》[9]規(guī)定，對(duì)于地震區(qū)的結(jié)構(gòu)體系尚應(yīng)符合以下要求:應(yīng)具有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖和合理的地震作用傳遞途徑。應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力。應(yīng)具備必要的抗震承載能力，良好的變形能力和消耗地震能量的能力。對(duì)可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取措施提高抗震能力。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)民用房屋，其最大高寬比不宜超過(guò)表2一2的規(guī)定。表 22 鋼結(jié)構(gòu)房屋適用的最大高寬比 (m)[10]抗震設(shè)防烈度7度8度9度最大高寬比本案例的結(jié)構(gòu)體系選用首先，在外部投資因素方面，由于甲方廣東某學(xué)院為民辦學(xué)院，教學(xué)樓需在開學(xué)前交付使用，要求有效地控制工程造價(jià)、施工工期，并且要求建筑物立面美觀、內(nèi)部使用空間充分。在這方面，跟其他結(jié)構(gòu)相比，純鋼結(jié)構(gòu)是一個(gè)很好的選擇:施工速度快，可以大大提高資金的投資效益。各部分剛度比較均勻，構(gòu)造簡(jiǎn)單，更易于施工。比框筒結(jié)構(gòu)在建筑設(shè)計(jì)和平面布置上具有更大的靈活性。其次，在內(nèi)部設(shè)計(jì)因素方面，本案例為6層建筑，層數(shù)不高，體形規(guī)整，平面不復(fù)雜，立面不存在結(jié)構(gòu)突變，適宜采用框架體系。只是由于是民用建筑，門窗位置不能設(shè)支撐，并且外墻部分設(shè)支撐也會(huì)影響美觀，所以如果可以不設(shè)支撐就不設(shè)支撐。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。樓蓋是水平承重結(jié)構(gòu)，是多層建筑的重要組成部分，樓蓋不但將其自身荷載傳遞給豎向承重結(jié)構(gòu)，而且與豎向承重結(jié)構(gòu)一起形成建筑空間承重骨架，共同抵抗荷載等各種作用。樓蓋的選型是否得當(dāng)，布置是否合理，不但關(guān)系到結(jié)構(gòu)受力的好壞，而且對(duì)結(jié)構(gòu)是否正常使用、造價(jià)高低、室內(nèi)景觀效果以及施工是否方便有著十分重要的影響。樓蓋的做法有很多種，目前在多層鋼結(jié)構(gòu)中，最常用的樓蓋有以下幾種:現(xiàn)澆整體混凝土樓蓋是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最常用的一種樓板，也是設(shè)計(jì)及施工人員最為熟悉的一種結(jié)構(gòu)形式。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。(2)平面整體剛度大，抗震性能好。 (3)和鋼梁共同工作，形成組合梁，可減小梁截面的高度。(4)不受房間形狀的限制，開洞方便，便于設(shè)備和管道的垂直鋪設(shè).(5)取消了壓型鋼板，減少了用鋼量。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。(2)它需要傳統(tǒng)的模板支撐系統(tǒng)，阻礙下部交通，支模拆模比較繁瑣。(3)混凝土澆筑完成后，不能及時(shí)為后續(xù)工作提供條件。(4)樓板混凝土的硬化需要較長(zhǎng)的時(shí)間，對(duì)工期的影響較大。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?；炷梁弯摬牡臉O限拉應(yīng)變相差很大，而鋼材達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)的應(yīng)變就要大得多了。在氣溫高的地區(qū)，由于溫度的升高會(huì)造成暴露在空氣中的鋼材的溫度拉伸大于混凝土。雖然這種溫度產(chǎn)生的拉應(yīng)變遠(yuǎn)達(dá)不到材料的極限拉應(yīng)變，但周而復(fù)始，與鋼材連接的混凝土樓板就會(huì)可能產(chǎn)生看不見的微小裂縫，繼而發(fā)展成可見的裂縫。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。分類：(1)組合樓板。壓型金屬板不僅僅充當(dāng)混凝土樓板成形的永久模板，而且在混凝土硬化以后它還抵抗板的正彎距。也考慮混凝土樓板與鋼梁共同工作，鋼板被加工成可以與混凝土之間機(jī)械咬合的形狀。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。(2)非組合樓板。金屬板只是用來(lái)充當(dāng)混凝土成型的模板，此種板在抵抗活荷載作用時(shí)被認(rèn)為是一種無(wú)效的形式。梁上混凝土不參與鋼梁的受力，按普通混凝土樓板計(jì)算承載力。優(yōu)缺點(diǎn)。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用壓型鋼板與混凝土組合樓蓋具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn):(1)合理的設(shè)計(jì)后，可不設(shè)施工專業(yè)的模板系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多層同時(shí)施工作業(yè)，大大加快施工進(jìn)度。(2)壓型鋼板的四槽內(nèi)鋪設(shè)通訊、電力、通風(fēng)、采暖等管線，吊頂方便.(3)壓型鋼板便于運(yùn)輸、堆放，安裝方便，不需拆卸，火災(zāi)危險(xiǎn)性小。(4)施工時(shí)可起增強(qiáng)鋼梁側(cè)向穩(wěn)定性作用，在組合樓板中壓型鋼板可以作受拉鋼筋使用。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。(2)樓板中增加了壓型鋼板，樓層凈高有少量的降低，按每層75mm計(jì)。(3)壓型鋼板目前還沒有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)生產(chǎn)廠商都有各自的一套技術(shù)資料，給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)不便[18]。壓型金屬板體系的蒙皮效應(yīng)。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。所產(chǎn)生的剪應(yīng)力通?？捎商畛浠炷梁蛪盒徒饘侔宓墓餐饔脕?lái)承擔(dān)，[12]。 SP預(yù)應(yīng)力空心板樓蓋，又可作墻板，能很好地滿足房屋的建筑和結(jié)構(gòu)的要求。以SP空心板做為樓蓋有以下一些優(yōu)點(diǎn):(1)跨度大、承載力高。SP板通過(guò)板之間的共同作用可以承受較大的集中荷載。另外，SP板采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線作為受力主筋，其最大跨度可達(dá)18米，可滿足各種結(jié)構(gòu)的需要。(2)任意切割，不受建筑模數(shù)限制。建筑上布局靈活，造型美觀，設(shè)計(jì)多樣化。(3)外觀尺寸準(zhǔn)確，平整度好。由于該板材為機(jī)械成形，表面平整，外形美觀。其表而平整度誤差能控制在2毫米以內(nèi)，長(zhǎng)寬誤差也都均能控制在3毫米以內(nèi)。(4)施工安裝快捷，縮短施工期。(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。日本神戶大地震后，曾對(duì)SP板房屋建筑做了調(diào)查，結(jié)果表明其抗震性能好，震害較輕。SP預(yù)應(yīng)力空心板樓蓋也有一些不足之處:(1)跨度大，運(yùn)輸和吊裝的難度也較普通的預(yù)應(yīng)力圓孔板大，容易造成意外損壞。(2)與現(xiàn)澆混凝土板相比，平面內(nèi)的整體剛度較差，SP板之間是用細(xì)石混凝土或砂漿灌板縫的方式來(lái)連為一體的，質(zhì)量不易保證。(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]。由于考慮施工工藝簡(jiǎn)單、取材方便、造價(jià)低廉等為樓板選擇的主要因素，所以選擇了現(xiàn)澆整體混凝土樓板體系。鋼結(jié)構(gòu)建筑的火災(zāi)危險(xiǎn)性鋼結(jié)構(gòu)雖然是不燃燒體，但其材料化學(xué)特性決定了鋼材不耐火、不抗燒，極易導(dǎo)熱。普通建筑用鋼材(通常為Q235或Q345)，在全負(fù)荷狀態(tài)下失去靜態(tài)平衡穩(wěn)定性的臨界溫度為500℃左右，普通火場(chǎng)溫度達(dá)800℃一1000℃，一般在300℃~400℃時(shí)鋼材強(qiáng)度就開始迅速下降。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。因此，普通建筑用的鋼材作為建筑物的承載主體，一旦發(fā)生火災(zāi)，在高溫作用下，其承載力急劇下降，致使鋼結(jié)構(gòu)不可避免地出現(xiàn)變形，造成建筑物部分或全部坍塌。（1）火勢(shì)發(fā)展快、蔓延迅速。因鋼結(jié)構(gòu)建筑跨度大、門窗多、內(nèi)部空氣流通好，一旦發(fā)生火災(zāi)，蔓延途徑多，火勢(shì)發(fā)展快，燃燒猛烈，極易在強(qiáng)大氣流的作用下，形成大面積火災(zāi)。(2) 易變形倒塌，造成群死群傷。鋼結(jié)構(gòu)建筑多為人員密集場(chǎng)所，在火災(zāi)情況下，極易因慌亂而導(dǎo)致盲目的疏散，從而引起群死群傷。(3)滅火救援難度大，未經(jīng)防火保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)耐火極限只有巧分鐘，一旦產(chǎn)生火警— 報(bào)警— 消防力量到場(chǎng)，火場(chǎng)已經(jīng)成災(zāi)，不利于初期滅火，而產(chǎn)生的大量的熱量和煙霧，又不利于消防人員深入內(nèi)部去堵截，只能采