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輕鋼住宅結構體系分析

發表時間 :2019-09-05

1概述

 

隨著我國城鎮化進程的快速發展,必將興建大量的低層及多層住宅。傳統上,這些建筑都采用砌體結構,其施工便捷,造價低廉,易于取材。但其缺點也是顯而易見的,砌體結構抗震性能差,破壞環境,這與我國現有的國情及國策相違背。我國鋼產量的迅速提升,為在低層住宅中采用鋼結構提供了基本保證。

 

11輕鋼住宅的優點

 

輕鋼住宅一般指以冷彎薄肇型鋼,輕型焊接和高頻焊接型鋼、輕型熱軋型鋼、薄鋼板、薄鋼管及以上各構件拼接、焊接而成的組合構件為主要受力構件,大量采用輕質隔離材料的低層和多層鋼結構。與傳統結構相比,輕鋼住宅具有如下優點:

 

1)強度高,自重輕,抗震性能高;

 

2)施工速度快,建設工期短;

 

3)便于工業化、定型化生產;

 

4)建筑空間布置靈活,能滿足不同住戶對住宅的多種功能要求;

 

5)有利于環保。

 

12輕鋼住宅結構體系

 

1)框架結構。這種體系在低層鋼結構住宅中較早得到應用,它構造簡單,施工速度快,技術難度小,同時由于低層住宅對水平荷載的要求不高,避開了框架結構彈性剛度差的缺點;梁與柱之間的連接采用剛接,各部分剛度分布均勻。

 

2)框架支撐結構體系。這種體系是框架結構的延伸,為了增強結構的側向剛度,減小層間位移,在框架的基礎上增加支撐,從而提高了結構的整體剛度,增強了抵抗水平風荷載和地震作用的能力。它的應用范圍很廣泛,在國外很早就開始應用。

 

3)輕鋼龍骨體系。這種體系是隨著鋼結構技術的不斷成熟而產生的,從目前國外已經應用的輕鋼龍骨結構體系來看,它主要分為:冷彎薄壁型鋼格構式結構體系和熱軋型鋼組成的龍骨結構體系。冷彎薄壁型鋼格構式結構體系的主承重結構是將工廠預制的冷彎薄壁型鋼(C型或z)在施工現場用螺栓連接形成結構骨架,再封上墻板、樓板、屋面板形成整體住宅,主要在低層住宅中應用,它又分Balloon式和Platform式格構體系。兩者的區別是Balloon中的墻支柱在樓板連接處不間斷,而Platform式中的墻支柱在樓板連接處斷開,上一層的墻支柱支承在下一層的樓板上。輕鋼龍骨結構體系在歐洲和北美洲較為成熟并大量應用于低層鋼結構住宅。輕鋼龍骨結構使鋼結構住宅的優點更加突出:高強、自重輕、抗震性能好、可隨意拼接、耐久、工業化生產和施工安裝速度快等,具有較好的綜合經濟效益,被廣泛

 

地應用于現代低層鋼結構住宅中。

 

2低層輕鋼骨架住宅的設計

 

本文所提及的低層輕鋼骨架住宅,主要是指Platform式格構體系。在歐洲及北美地區,此體系大量應用于三層及以下的住宅中,并且由于具有完善的設計表格,其設計、施工都相當簡單、便捷;在我國,輕鋼骨架住宅處在推廣階段,其設計方法以參考國外規范及設計表格為主。

 

21輕鋼骨架房屋受力特征分析

 

Platform式格構體系輕鋼骨架的構成要素是龍骨一面一體;每一個體完成一個或數個建筑功能,體與體從受力體系上看,輕鋼骨架房屋的豎向分體系

 

是以龍骨為特征的柱、梁;水平分體系是以夾板為特征的樓板、墻;荷載的傳遞路線如圖1所示(此處,樓板作為剛性樓板,起到將水平荷載在各抗側力構件間按剛度進行分配的作用)。之間不應有結構上的交叉。

 

 

 

從受力特征上看,輕鋼骨架房屋屬于剪力墻結構體系。傳統的剪力墻是由混凝土澆筑或由單塊砌塊砌筑而成;而輕鋼骨架中的剪力墻是由龍骨、夾板及螺釘連接而成,通過螺釘的連接,保證了龍骨與夾板的共同作用。在這個體系中,柱和墻是無法截然分開的,很難弄清楚在承受豎向荷載或是水平荷載的過程中,墻板和柱各分擔了多大比例;但是,有理由相信,有夾板的柱子,其承受豎向荷載的能力要高于沒有夾板的柱子,而有了龍骨的墻體,其承受水平荷載的能力也高于沒有龍骨的夾板。

 

從連接上看,輕鋼骨架房屋的連接均為柔性連接,每個連接點、每個構件,所允許的變形能力都足夠的大,而且,由于連接點很多,單個連接點的失效對結構的整體性能是微乎其微的,這樣的結果使得在地震及特殊情況下,其倒塌概率很低;對抗震非常有利。

 

22輕鋼骨架房屋設計過程分析

 

在我國,由于缺乏必要的設計表格及設計軟件,所以,設計基本上依賴于國外圖標及規范標準。由于國外標準與我國規范的差異性,其設計文件在我國是901—不合法的,我國雖然已在《鋼結構住宅》中對輕鋼骨架房屋有所提及,但對于與圖集有出入的建筑,仍然無法得到合理的設計。此處,筆者試圖利用我國現有的設計規范,對輕鋼住宅進行合理、安全的設計。

 

221基本假定

 

1)樓板在平面內是剛性的;

 

2)豎向荷載由龍骨單獨承擔,夾板為其平面外穩定提供保證;

 

3)水平荷載由墻體單獨承擔;墻體平面外剛度不予考慮;

 

4)水平荷載產生的彎矩由墻體端部龍骨通過拉壓作用承擔。

 

222設計原則

 

1)保證各面內豎向龍骨的相互對應,確保豎向荷載的傳遞路線;

 

2)水平龍骨()與豎向龍骨相互對應,在自身平面內形成鉸接框架體系;

 

3)地震荷載采用底部剪力法進行計算。

 

223設計方法

 

有了上述假定及基本原則,就可以根據我國的相關規范進行設計。

 

豎向龍骨的設計:豎向龍骨按軸壓柱進行設計。在龍骨位置,螺釘距離一般要求小于300 mm,根據AISI設計標準,其計算長度可取2倍的連接件距離,即600mm;在強軸方向,其計算長度即為龍骨長度。

 

水平龍骨的設計:水平龍骨按照梁進行設計。由于有夾板密鋪在梁的上方,設計中可以不考慮梁的穩定性;對于屋頂梁在風吸力作用下的設計,若龍骨下翼緣無鋪板,應考慮其扭轉屈曲,以防止其側向失穩。

 

墻體的設計:墻體(均指承重墻體)要承擔由樓板分配來的水平荷載,如同其他的結構體系一樣,對墻體長度及開洞大小有一定的要求。當墻體開洞較大時,應不考慮該墻體的水平承載力,此時可采用單柱承受豎向載荷(搖擺柱);墻體距離應滿足規范要求,以確保剛性樓板的假定。對于開洞墻體,可以假定墻體有效高度等于總高度減去平行于受力方向的所有洞口或非結構板尺寸的總和。對于墻體所能承受的剪力,我國規范尚無具體規定,在AISI標準中,采用5398Nm的允許荷載來確定剪力墻的要求;上述承載能力是在如下前提下得到的:

 

 

邊緣構件的設計:在整個蒙皮體系(墻體,樓板)中,邊緣構件的設計及構造是非常重要的,這是因為荷載在蒙皮面內將產生剪力和彎矩,剪力在墻體設計中已經得到解決,彎矩則由端部邊緣構件的拉壓作用進行平衡;在抗震設計中,邊緣構件的設計可以根據墻體所能承受的最大剪力進行設計,確保邊緣構件的安全性。

 

連接的設計:連接采用自攻螺釘連接,螺釘承受剪切力和拉力。

 

3低層輕鋼住宅在我國的推廣及應用

 

31輕鋼住宅推廣的必要性

 

 由于采用了較薄的鋼板,并且充分利用了蒙皮效應和鋼構件的屈曲后強度,用鋼量為3040 kg/m2;而且,其優秀的抗震能力使其非常適合在我國應用,尤其在廣大的農村地區;而我國傳統的磚石結構,雖然造價低廉,但其抗震能力較差,同時對耕地破壞嚴重,這與我國可持續發展的國策是相違背的;而推廣輕鋼住宅,可以有效地解決上述問題。

 

32推廣輕鋼住宅所面臨的問題

 

在我國,推廣輕鋼住宅仍然面臨許多難點,主要有以下幾個方面:

 

1)缺乏必要的規范及設計表格,設計難度大;

 

2)缺乏與之配套的造價低廉的結構板材;

 

3)民眾的可接受程度有待提高。

 

33前景及展望

 

輕鋼骨架體系所具有的多項優點,在國家的政策引導下,通過各相關部門的努力,充分借鑒國外低層住宅的制造經驗嘲,進一步完善節點設計及施工方法,輕鋼骨架住宅體系必將取代傳統的磚石體系,成為小城鎮建設及農村建設的主力軍。

 

 


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