【正文】 筑用鋼的2%。因此，我國鋼結(jié)構(gòu)還是一個很年輕的行業(yè)，特別是多層民用鋼結(jié)構(gòu)建筑，應(yīng)用前景十分廣闊，有待于大力發(fā)展和支持。本文在研究中選取了廣東某學院1號教學樓1區(qū)作為案例，通過結(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)布置等方面進行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和技術(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)濟效果方面進行比較分析。第二章 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計及技術(shù)性分析廣東某學院位于廣州市白云區(qū)江高鎮(zhèn)，己建成多棟鋼結(jié)構(gòu)的多層建筑，如圖書館、1號教學樓、2號教學樓等。由于1號教學樓平面較大，根據(jù)所設(shè)伸縮縫分為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)。本工程的場區(qū)地形平坦，地表由素填土堆填而成，地貌單元屬沖積平原類型，根據(jù)廣州市基巖地質(zhì)圖，沒有區(qū)域性斷裂從場地通過。建筑場地屬于中軟場地土，場地土類別為Ⅱ類，中砂層屬可液化砂土層。根據(jù)鉆探揭露，場地地基土自上而下分為:人工填土、第四系沖積層、殘積土層、石炭系下統(tǒng)基巖等四大類。小震不壞 、大震不倒、結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有足夠的強度和剛度，以滿足建筑物在正常使用條件下的相關(guān)要求。強度、剛度和延性是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計永恒的主題。而設(shè)計技術(shù)的現(xiàn)代化更能使結(jié)構(gòu)工程師對建筑鋼結(jié)構(gòu)實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計，將材料性能與結(jié)構(gòu)體系中力的分布和構(gòu)件的變形有機地結(jié)合起來，真正實現(xiàn)基于性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計[8]。建筑師可結(jié)合結(jié)構(gòu)布置的需要，將鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件充分外露來展現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)建筑的剔透玲瓏之美，以科學的誠實風格營造藝術(shù)的靈秀氣韻。對于鋼結(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。冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系被用于1~2層的低層住宅或別墅，使用壽命一般只有20年，這種墻板式承重結(jié)構(gòu)被美國所廣泛采用，構(gòu)件主要是C或Z型冷彎薄壁型鋼，~(NASFA)專門針對此類型住宅制訂了描述性規(guī)范薄壁鋼骨體系外墻和樓板均采用由超級防腐的高強冷軋或冷彎鍍鋅鋼板制作的輕鋼龍骨為結(jié)構(gòu)承重體系，輕鋼龍骨用鋼的強度指標是33~50KSl(換算成公制是230一340N/mm2）。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。內(nèi)隔墻不承重，可根據(jù)需要調(diào)整室內(nèi)空間格局[9]。在空間設(shè)計上由于采用模數(shù)化設(shè)計，設(shè)計師可根據(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。目前，我國也有合作引進的該體系小住宅，據(jù)測算，此種住宅每平方米用鋼量不超過40Kg/m2，造價1200~3000元/m2。多層建筑一般適宜采用空間(梁、柱)結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)簡介框架體系是指沿房屋的縱向和橫向均采用框架作為承重和抵抗側(cè)力的主要構(gòu)件所形成的結(jié)構(gòu)體系。對于層數(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)超過表2一1的規(guī)定[10]。但是其抗側(cè)力剛度較小，會導致梁、柱截面急劇增大，從而導致經(jīng)濟指標無法滿足市場推廣的要求。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。彎曲桿系并不是很有效的抗側(cè)力構(gòu)件，當房屋層數(shù)較多、水平荷載較大時，梁、柱截面尺寸將大大超出經(jīng)濟、鋼框架體系一般只適用于30層以下的建筑。由精確分析可知，各層荷載對其它層桿件內(nèi)力影響不大，因此，在近似方法中，可將多層框架簡化成單層框架，即分層作力矩分配計算。分層計算所得梁彎矩即為最后彎矩，但是必須將上、下兩層所得同一柱子的內(nèi)力疊加才能得到柱的內(nèi)力。此外，還有力矩分配法、迭代法等。當柱子截面較大時，梁柱線剛度比常常較小，結(jié)點轉(zhuǎn)角較大，用反彎點法計算的內(nèi)力誤差較大。該方法的計算步驟與反彎點法相同，因而計算簡單、實用，精度比反彎點法高。此外，還有反彎點法、迭代法、門架法以及無剪力分配法等。一般說來，水平地震作用的計算都采用振型分解反應(yīng)譜法，而對于高度不超過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)點體系的結(jié)構(gòu)，可采用底部剪力法等簡化算法。水平剪力主要由腹桿而不是由柱承受，腹桿軸力的水平分量承擔側(cè)向剪力，可接近于一個真正懸臂梁的性能。一般來說，此體系較純框架結(jié)構(gòu)用鋼量少，節(jié)點構(gòu)造較其他體系相對簡單。但從另外一方面看，支撐受拉屈服能比受壓屈服耗散更多的能量。支撐斜桿兩端與框架梁、柱的連接盡管在結(jié)構(gòu)計算簡圖中假定為鉸接，但實際構(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。變形性質(zhì)(1) 支撐的側(cè)移曲線支撐在水平荷載作用下所產(chǎn)生的位移主要是由于其中各桿件的軸向拉伸或壓縮變形引起的，與框架側(cè)移是由于桿件彎、剪變形所引起的情況相比較，其量值要小的多，表明豎向支撐的抗推剛度要比框架大的多。(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)不再能自由的單獨變形，兩者的側(cè)向變形趨于一致。支撐形式就鋼支撐布置而言，可分中心支撐和偏心支撐兩類。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)濟地提供較大的強度和剛度。圖2一1顯示了一些常用的形式，這些能大大提高結(jié)構(gòu)剛度的中心支撐在地震中受到很大的壓力和拉力的作用，因此支撐的受壓屈曲支配了這些支撐的性能，還往往會產(chǎn)生捏攏的力一變形滯回性能，產(chǎn)生顯著的支撐破壞。圖 2一 1所示不同的支撐形式有不同的特點。它對于抵抗側(cè)向荷載可能是十分經(jīng)濟的，但是它可能會引起彈塑性變形的集中，而且在強震作用下的能量耗散性能很差，所以美國規(guī)范規(guī)定只用于在地震較少發(fā)生的地區(qū)或地震較活躍地區(qū)中的低層建筑。支撐的屈曲會引起柱中很大的剪力和彎距。V形支撐(V形或倒V形)在強震的激勵下會引起梁的屈服，而K形支撐引起柱的屈服。對角支撐在側(cè)向荷載向一個方向作用時受壓，而當側(cè)向荷載向另一個方向作用時受拉，UBC(美國統(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]。這種設(shè)計是為了使其產(chǎn)生剪切和彎曲屈服而避免支撐的屈曲。八字形支撐上端形成消能梁段(圖2一2b)。X形支撐中心節(jié)點形成一個消能板域(圖2一2d) 或水平消能桿段(圖2一2e) 。圖22 幾種偏心支撐一個節(jié)間的構(gòu)造示意[13]計算方法框架一支撐結(jié)構(gòu)體系的計算方法同框架體系的計算方法基本相同，只是其計算簡化有所不同。當結(jié)構(gòu)布置規(guī)則、質(zhì)量與高度沿高度分布均勻、且無扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時，可采用平面結(jié)構(gòu)計算模型。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。借助鋼管對核心混凝土的約束作用，使其處于三向受壓狀態(tài)，從而提高其抗壓強度和變形能力。同時，內(nèi)填混凝土反過來又阻止薄壁鋼管受壓時的局部屈曲，與鋼筋混凝土桿件相比較，圓鋼管混凝土桿件的抗剪強度和抗扭承載力也幾乎提高一倍。與鋼筋混凝土柱相比較，由于鋼管混凝土柱的受壓承載力高，且可以不限制軸壓比，柱的截面尺寸可減小50%以上。(3)延性好。(4) 耐火性好。結(jié)構(gòu)簡介鋼骨混凝土結(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。截面尺寸小:鋼筋混凝土柱受到配筋率限值的制約，提高承載力的唯一途徑是加大截面尺寸；而鋼骨混凝土柱可以利用設(shè)置較大截面的型鋼芯柱參與承壓，承載力相同，截面面積可以減小一半。1995年日本阪神地震，鋼筋混凝土高樓破壞率高、破壞程度嚴重。(2)與鋼結(jié)構(gòu)相比，具有以下特點:節(jié)約鋼材 :采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的高樓，約比全鋼結(jié)構(gòu)節(jié)約鋼材1/3左右，造價降低較多。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，因而其施工速度僅稍慢于鋼結(jié)構(gòu)。其中，鋼骨混凝土更接近于混凝土框架結(jié)構(gòu)的受力、這兩種體系多用于高層及中高層住宅建筑，結(jié)構(gòu)優(yōu)勢發(fā)揮得更加充分。當建筑的樓層平面采用核心式建筑布置方案，沿樓面中心部位的服務(wù)型面積周邊設(shè)置鋼筋混凝土墻體所形成的核心筒，是一個立體構(gòu)件，在各個方向都具有較大的抗推剛度。當樓面外圈為剛接框架時，核心筒承擔著絕大部分作用于整個建筑的水平荷載，一小部分由鋼框架承擔。當核心筒的高寬比值較大時，宜在頂層及每隔若千樓層的設(shè)備層或避難層，沿核心筒的縱、橫墻體所在平面，設(shè)置整層樓高的外伸剛性析架(剛臂)，加強核心筒與外圈鋼柱的連接，讓外圈鋼柱與核心筒連成一個整體抗彎構(gòu)件，以加大整個結(jié)構(gòu)體系的抗推剛度和抵抗傾覆力矩的能力，減小結(jié)構(gòu)的頂點側(cè)移值和最大層間側(cè)移值。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，這就是說鋼框架一混凝土核心筒結(jié)構(gòu)基本上沒有進一步抵抗地震重用的能力。且混凝土筒體與鋼框架的連接較為復雜，施工進度不匹配，施工精度要求較高[15]。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。結(jié)構(gòu)簡介交錯桁架結(jié)構(gòu)體系[16]，[17]是麻省理工學院于20世紀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、澳大利亞等國家己有不少應(yīng)用，但在我國基本還是空白。這種體系由跨越整個建筑寬度且高度為一層的桁架組成。桁架在外柱之間跨越大約60ft()的跨度，從而可得到很大的無柱內(nèi)部空間。由于交錯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。另一種是帶有填充混凝土的大跨度組合壓型金屬板。 圖2一3交錯桁架體系桁架的斜腹桿在走廊開口處被略去了，這將導致桁架弦桿中產(chǎn)生由空腹桁架效應(yīng)引起的彎曲應(yīng)力。橫向的水平力經(jīng)由樓板的蒙皮板作用()傳遞到桁架上弦。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抵抗?？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。雖然交錯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。結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點其主要優(yōu)點:室內(nèi)無柱，開間大，建筑平面布置靈活。柱、桁架預(yù)先在工廠制作，現(xiàn)場安裝方便，施工周期短?？拐鹦阅艽M一步研究。結(jié)構(gòu)應(yīng)符合建筑物的使用要求，有良好的耐久性。盡可能縮短制造、安裝時間，節(jié)約勞動工日。在可能條件下，盡量注意美觀，特別是外露結(jié)構(gòu)，有一定建筑美學要求。(1)房屋荷載 ，特別是風荷載和地震作用。對于層數(shù)不多、設(shè)防等級不高的房屋，應(yīng)優(yōu)先采用框架體系。如有電梯、管道井，也可結(jié)合選用框架一核心筒體系。(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。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)整對應(yīng)層的抗側(cè)剛度，往往采用混合結(jié)構(gòu)體系。某些建筑要求，對結(jié)構(gòu)體系的選擇也有影響。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題，因為剪力墻和筒體幾乎承擔了全部水平荷載，框架體系基本上僅承擔豎向荷載，同樣截面條件下所提供的空間比純框架體系大。采用輕質(zhì)材料時，房屋質(zhì)量輕，承重結(jié)構(gòu)的用鋼量低，同時，由于地震作用小，需要的抗側(cè)剛度也就小。一般來說，結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)剛度越大，工程造價也越高。(5)施工條件。當施工工期要求較短時，宜采用純鋼結(jié)構(gòu)體系?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》[9]規(guī)定，對于地震區(qū)的結(jié)構(gòu)體系尚應(yīng)符合以下要求:應(yīng)具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑。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。對于鋼結(jié)構(gòu)民用房屋，其最大高寬比不宜超過表2一2的規(guī)定。在這方面，跟其他結(jié)構(gòu)相比，純鋼結(jié)構(gòu)是一個很好的選擇:施工速度快，可以大大提高資金的投資效益。比框筒結(jié)構(gòu)在建筑設(shè)計和平面布置上具有更大的靈活性。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)支撐也會影響美觀，所以如果可以不設(shè)支撐就不設(shè)支撐。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)計中最常用的一種樓板，也是設(shè)計及施工人員最為熟悉的一種結(jié)構(gòu)形式。(2)平面整體剛度大，抗震性能好。(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。(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。(4)樓板混凝土的硬化需要較長的時間，對工期的影響較大?；炷梁弯摬牡臉O限拉應(yīng)變相差很大，而鋼材達到屈服強度時的應(yīng)變就要大得多了。雖然這種溫度產(chǎn)生的拉應(yīng)變遠達不到材料的極限拉應(yīng)變，但周而復始，與鋼材連接的混凝土樓板就會可能產(chǎn)生看不見的微小裂縫，繼而發(fā)展成可見的裂縫。分類：(1)組合樓板。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械咬合的形狀。(2)非組合樓板。梁上混凝土不參與鋼梁的受力，按普通混凝土樓板計算承載力。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，采用壓型鋼板與混凝土組合樓蓋具有多項優(yōu)點:(1)合理的設(shè)計后，可不設(shè)施工專業(yè)的模板系統(tǒng)，實現(xiàn)多層同時施工作業(yè)，大大加快施工進度。(4)施工時可起增強鋼梁側(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。(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。壓型金屬板體系的蒙皮效應(yīng)。所產(chǎn)生的剪應(yīng)力通常可由填充混凝土和壓型金屬板的共同作用來承擔，[12]。以SP空心板做為樓蓋有以下一些優(yōu)點