【正文】 仍屬于剪切型抗側力構件。但對于多層民用建筑，鋼框架體系仍然是不可或缺的基本體系之一。表 2 1 鋼結構民用建筑的最大高度 (m)結構體系抗震設防烈度6度、7度8度9度框架1109050框架—支撐、框架—墻板220200140簡體和巨型框架300260180該結構設計理論成熟，設計施工簡單，節(jié)點構造簡單。地震區(qū)的建筑采用框架體系時，縱、橫向框架梁與柱的連接一般采用剛性連接，某些情況下，為加大結構的延性，或防止梁與柱連接焊縫的脆斷，也有采取半剛性連接構造。純鋼結構框架體系具體分為框架結構體系和框架一支撐體系。(根據飾面材料和門窗材料的不同而有所區(qū)別)[8]?？傮w來看，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)的裝配式輕鋼結構住宅體系，具有用鋼量少、抗震、節(jié)能和建造省時、省工等特點。目前，在北美和日本，針對該體系的一系列配套措施、設備產品已非常完備，除結構體系的各種原材料、加工機械設備和連接配件外，從墻體圍護板材、飾面材料、保溫防水材料到配套廚衛(wèi)設備、固定家具等一應俱全，有上千種部件可供挑選。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，滿足不同結構部位、不同荷載、不同構件的要求。其中采用最多的是33KSI，與我國3號鋼的強度類似。適用于多層民用房屋的鋼結構體系根據層數、抗震等要求可分為薄壁鋼骨體系、純鋼框架結構體系、鋼混結構體系和交錯析架體系。在這方面，香港匯豐銀行大廈、中國銀行大廈和上海證券大廈堪稱典范。對建筑師來說，充分認識建筑鋼結構的抗側力體系也是必需的。由于鋼結構本身所具有的不同于鋼筋混凝土結構的材料性能，該主題在建筑鋼結構設計中體現得更為明顯。同時，結構體系還應具有較高的延性和較大的耗能能力，以使建筑結構在遭受高于本地區(qū)設防烈度的預估的罕遇地震影響時，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴重破壞。基礎選用靜壓混凝土預應力管樁，以礫砂殘積土或微風化灰?guī)r作為持力層，樁長25~35m，樁徑400mm，單樁承載力標準值為1200kN ?；撅L壓按50年一遇的風壓采用。工程抗震設防分類為丙類，建筑場穩(wěn)定性良好，地震設防烈度為7度。為使所研究的對象具有普遍性、實用性和可比性，本文具體選取了其中的1區(qū)建筑(V軸至X軸)進行分析。其中1號教學樓為6層鋼結構，建筑面積11650m2。鋼結構計算分析采用了STS鋼結構CAD軟件，SATWE有限元分析軟件。本文的工作是研究多層教學樓的鋼結構的設計方法和構造措施，并進行技術經濟分析比較，為我國多層民用鋼結構建筑的發(fā)展提供參考。要縮小差距，必須在量大面廣的多層民用建筑中推廣應用鋼結構。我國鋼結構主要集中應用于工業(yè)廠房、大跨度或高層民用建筑中，鋼結構建筑在全部建筑中的應用比例非常低，還不到1%，而美國、日本、瑞典等國的鋼結構房屋面積己達到總建筑面積的40%以上。自20世紀90年代至今，我國鋼結構行業(yè)發(fā)展步入快速發(fā)展期，鋼結構的發(fā)展日新月異，規(guī)模更大、技術更新，呈現出數百年來未有過的興旺景象，被成為建筑行業(yè)的“朝陽產業(yè)”。20世紀60年代中后期至70年代，盡管我國冶金工業(yè)有了較大的發(fā)展，但各部門需要鋼材量也越來越多，國家提出在建筑業(yè)節(jié)約鋼材的政策，并且在執(zhí)行過程中出現了一定的失誤，限制了鋼結構的合理使用與發(fā)展，鋼結構發(fā)展進入低潮。18世紀歐洲工業(yè)革命以后，由于鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，鋼結構在歐洲各國的應用逐漸增多，范圍也不斷擴大，而我國在1840年鴉片戰(zhàn)爭以后，淪為半封建半殖民地國家，經濟停滯不前，鋼結構發(fā)展非常緩慢，與歐美各國差距拉大。我國是最早用鋼鐵建造橋梁和寺塔等承重結構的少數幾個國家之一如建于1705年(清康熙44年)的四川滬定大渡河橋，全長100m，比歐洲和美國建造的第一座鐵橋早100年左右。一個國家采用鋼結構的歷史，往往與這個國家的鋼鐵產量和鋼鐵冶煉技術有關。同時，由于鋼結構本身具備自重輕、強度高、施工快等獨特優(yōu)點，因此對高層、大跨度，采用鋼結構更是非常理想，目前世界上最高、最大的結構都是采用鋼結構，而歷屆奧運會的場館也多采用鋼結構。在澳洲，澳洲鋼結構住宅的市場占有率約15%。在美國，輕鋼結構體系的分析、設計理論和方法及制造工藝上已經非常完善，開發(fā)了多種專利產品，其專用設計軟件可在短時間內完成設計、繪圖、工程量統(tǒng)計及工程報價，在制作上也實現了高度的標準化及工廠化[5]。在歐洲，“二戰(zhàn)”過后，歐洲一些國家為解決房荒問題，掀起住宅建筑工業(yè)化高潮，形成了一批完整的標準化系列的建筑住宅體系并應用至今。美國、瑞典、日本等國家，鋼結構用鋼量已占鋼材產量的30%以上，鋼結構面積占到總建筑面積的40%以上[4]。目前鋼結構體系開始逐步滲入到對跨度和荷載并無特殊要求的居住建筑領域。20世紀40年代后期出現了門式剛架?，F代輕鋼房屋建筑體系誕生于20 世紀初，于“二戰(zhàn)”期間得到快速發(fā)展。、計算方法的合理性、施工作業(yè)的可操作性、墻體材料、防火防腐等制約鋼結構發(fā)展的問題都亟待解決。另一方面，建設部等相關部委相繼發(fā)布了一系列指導性政策和意見，把鋼結構技術列為“十五”期間十大重點推廣技術，對我國鋼結構建筑業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展起到了積極推動作用。正是著眼于鋼結構優(yōu)秀的結構性能、鋼材的環(huán)保性質以及發(fā)展鋼結構對相關產業(yè)的帶動，國家主管部門也積極推廣鋼結構和支持鋼結構相關技術的研究。同時，自19% 年以來我國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。另外，對于己建成的剛架構也比較容易進行改建和加固，用螺栓連接到鋼結構還可以根據需要進行拆遷，有利于環(huán)境保護[3]。鋼結構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。鋼結構房屋的墻體多采用新型輕質復合墻板或輕質砌塊，如高性能NAIC板(配筋加氣混凝土板)、復合夾心墻板、幕墻等。如前幾年高檔辦公樓的投資回收期為3年左右，如果采用鋼結構代替混凝土結構，可提前半年投入使用，相當于節(jié)省投資18%[3]。一般情況下，多、高層鋼結構平均4天一層，而混凝土結構平均6天一層。構件在工地拼裝時，多采用簡單方便的焊接和螺栓連接，鋼構件與其他材料構件的連接也比較方便。鋼框架與混凝土框架的破壞對比情況，即能說明這一點。材料均勻，塑性、韌性好，抗震性能優(yōu)越由于鋼材內部原子排列均勻接近各向同性，鋼結構的實際工作性能比較符合目前采用的理論計算模型，因此可靠性高。兩者相比，鋼結構可以增加室內有效使用面積2%一6%。因此在樓層凈高相同的條件下，鋼結構樓層高度要比混凝土的小，可以減小墻體高度，并節(jié)約室內空調所需的能源，減小房屋維護和使用費用。在梁高相同的條件下，鋼結構的開間可以比混凝土結構的開間大50%，能更好地滿足建筑上大開間，靈活分割的要求。構件截面小，有效空間大由于鋼材的強度高，構件截面小，所占空間也就小。研究數據表明，多、高層鋼結構的自重一般為餛凝土結構自重點1/2~3/，同樣荷載和跨度條件下，鋼屋架的重量是混凝土屋架的1/4~1/3，冷彎薄壁型鋼屋架甚至接近1/10。本文以廣州地區(qū)較早興建的多層民用鋼結構建筑——廣東某學院1號教學樓作為研究對象，對該類型的多層民用鋼結構房屋設計進行結構、經濟分析和優(yōu)化研究。2006年 3月14日，我國正式提出了第十一個五年計劃綱要，其中明確指出“把節(jié)約資源作為基木國策，發(fā)展循環(huán)經濟，保護生態(tài)環(huán)境”，“節(jié)約發(fā)展，清潔發(fā)展”，“實現可持續(xù)發(fā)展”，“發(fā)展節(jié)能型建筑”。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，使我國原本就很缺乏的耕地資源更加短缺。此類結構，材料強度低，對環(huán)境污染嚴重，不能重復回收利用，在適應人們的更高要求上有局限。目前我國的能耗總量己達到世界第一，在提高建筑質量的同時必須綜合考慮資源節(jié)約問題，建筑節(jié)能與開發(fā)清潔能源刻不容緩[1]。作為人們主要活動場所的建筑的功能和質量成為人們關注的一個焦點。多層教學樓建設鋼結構設計第一章 緒 論改革開放以來，我國綜合實力日強，人民生活水平日漸提高。物質上的日漸豐富使得人們更加重視精神上的需求。同時，我國也是一個人均資源占有量相對緊缺，能耗總量相對較大的國家。我國目前建筑的各種成熟結構體系大多為砌體和鋼筋混凝結構。同時產業(yè)化程度低，不利于工業(yè)化、系列化生產。這些都對結構體系的創(chuàng)新提出了要求[2]。根據國外經驗，要提高建筑性能實現產業(yè)現代化、標準化、節(jié)能化，符合“十一五”發(fā)展綱要，目前最適宜的結構首推鋼結構。與傳統(tǒng)結構相比，鋼結構房屋具有許多優(yōu)點:強度高，質量輕鋼材與其他建筑材料諸如混凝土、磚石和木材相比，強度要高得多，彈性模量也高，因此結構構件質量輕且截面小，特別適用于跨度大，荷載大的構件和結構。結構自重的降低，可以減小地震作用，進而減小結構內力，還可以使基礎的造價降低，構件輕巧也便于運輸和安裝。以相同受力條件的簡支梁為例，混凝土梁的高度通常是跨度的1/10~1/8，而鋼梁約是1/16~1/12，如果鋼梁有足夠的側向支撐，甚至可以達到1/20，有效增加了房屋的層間凈高。另外，多層民用建筑中的管道很多，如果采用鋼結構，可以在梁腹板上開洞以穿越管道，如果采用混凝土結構，則不宜開洞，管道一般從梁下通過，從而要占用一定的空間。柱的截面尺寸也類似，在多、高層建筑中，鋼柱的截面面積占建筑面積的3%~5%，而混凝土柱的截面面積占建筑面積的6%~9%。由于梁柱截面較小，避免了“粗柱笨梁”現象，室內視覺開闊，美觀方便。同時，因鋼材塑性、韌性好，耗能能力強，一般不會因超載而發(fā)生突然斷裂，適于承受動力荷載和沖擊荷載，抗震性能非常優(yōu)越。表11 1985年墨西哥地震震害統(tǒng)計[3]結構類型建造年代破壞程度1957年以前19571976年1976年以后合計鋼框架倒塌73010嚴重破壞1102混凝土框架倒塌2751482嚴重破壞1623645制造簡單，施工周期短鋼結構所用的材料多是成品或半成品材料，加工比較簡單，并能夠使用機械操作，易于定型化、標準化，工業(yè)化生產程度高，因此，鋼構件一般在專業(yè)化的金屬結構加工廠制作而成，精度高，質量穩(wěn)定，勞動強度低。有時鋼構件還可以在地面拼裝成較大的單元后再進行吊裝，以降低高空作業(yè)量，縮短施工工期。結構施工周期短，使整個建筑更早投入使用，不但可以縮短貸款建設的還貸時間，減少貸款利息，而且提前收到投資回報。節(jié)能，環(huán)保與傳統(tǒng)的砌體結構和混凝土結構相比，鋼結構屬于綠色建筑結構體系。樓(屋)面多采用復合樓板，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，可以達到節(jié)能50%的目標，節(jié)約了我國相對人均短缺點能源。鋼結構材料還可利用夜間交通流暢期間運送，不影響城市鬧市區(qū)建筑物周圍的日間交通，噪聲也小。近年來我國鋼與鋼材的產量、品種、規(guī)格增長迅速，價格下降，原來鋼產量和價格對建筑鋼結構使用造成的阻力己不復存在。建筑鋼結構技術的應用正成為解決鋼銷路的重要途徑。各種專業(yè)規(guī)范、規(guī)程相繼出臺或修訂，如《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》(JGJ99一98) 、《鋼結構設計規(guī)范》(GB50017一2003)、《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011一2001) 等等，標志著我國鋼結構技術的進一步成熟。目前，我國多層民用鋼結構房屋技術還處于起步階段，需要解決的問題很多，如建筑配套技術、結構體系等還很不完善，以至于在一些工程設計中出現了嚴重的技術經濟不合理現象，有的甚至造成工程質量事故。為了我國鋼結構產業(yè)的自主開發(fā)和國產化道路，有必要對鋼結構體系的這些關鍵技術進行研究。當時鋼結構多應用于工廠、橋梁和大型公共建筑。20世紀60 年代開始大量應用由彩色壓型板及冷彎薄壁型鋼凜條組成的輕質圍護體系。近兩年來，世界鋼鐵產量的增加和國際軍需用鋼量的下降，促使各國拓展了鋼結構使用范圍，各國建筑用鋼量在鋼材總耗用中的比例明顯提高，一般在30%左右，日本在50%左右。輕鋼結構已成為發(fā)達國家的主要建筑結構形式。英國新建的非居住類房屋建筑中，90%的單層和60%，他們的輕鋼結構住宅預制構件達95%，歐洲各國都到瑞典去訂制住宅，通過集裝箱發(fā)運。在日本，其鋼結構低層住宅已占工業(yè)住宅的71%。在以色列，以色列居民定居點的住宅以鋼結構為主。目前，世界上已建有幾個純鋼結構建筑為世界上最高的超高層建筑。我國古代鋼鐵冶煉技術在世界上處于前列。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，以及山東濟南鐵塔寺鐵塔和江蘇鎮(zhèn)江的甘露寺鐵塔[6]。20世紀 50~60 年代，在前蘇聯的經濟技術援助下，我國鋼結構迎來了第一個初盛期，在工業(yè)廠房、橋梁、大型公共建筑和高聳構筑物等方面都取得了卓越的成就，至今仍發(fā)揮著巨大的作用，如鞍鋼、包鋼、武鋼、沈陽飛機制造廠、大連造船廠、北京體育館(跨度57m的兩鉸拱)、人民大會堂( 的鋼屋架)[7]、武漢長江大橋(全長1670m)等等，并且編制了我國第一部鋼結構行業(yè)規(guī)范(規(guī)結4一54) ，縮小了與發(fā)達國家間的差距，但多、高層民用鋼結構建筑仍然空白。但這一時期的行業(yè)規(guī)范有了實質性的進展，獨立編制了《彎曲薄壁型鋼結構技術規(guī)范草案》(1969)、《鋼結構工程施工及驗收規(guī)范》(GBJ18一66) 和《鋼結構設計規(guī)范》(TJ17一74)，標志著我國的鋼結構設計技術己走上了獨立發(fā)展的道路.20世紀80年代，我國東部沿海地區(qū)引進國外現代鋼結構建筑技術，如上海寶山鋼鐵廠(105萬m2)、山東石橫火力發(fā)電廠等，促進了各種鋼結構廠房的建成，深圳、北京、上海各地也興建了一些高層鋼結構建筑，如深圳發(fā)展中心大廈(高165m，是我國第一棟超過100m的鋼結構高層建筑)、北京京廣大廈(高208m)，在民用建筑中仍然為空白。代表建筑有深圳帝王大廈(高325m)、上海金貿大廈(高460m)、上海東方明珠電視塔(高468m).我國多層鋼結構比國外起步晚了接近一個世紀，因此，總體水平與西方發(fā)達國家相比，仍有較大的差距。同時，我國建筑用鋼在鋼材總產量中的比例也很低，為20%~30%，低于發(fā)達國家的45%~55%，而且我國絕大多數建筑用鋼是用于鋼筋混凝土結構和砌體結構中的鋼筋，鋼結構用鋼(板材、型材等)還不到建