关于住宅钢结构设计的探讨

　　摘要：钢结构是以钢材为材料制成受力构件的结构，钢结构住宅以其能使建筑更富有功能化，预工程化程度高，建设成本降低，自重轻，安装容易，环保节能，抗震性能好等综合优势而受到各方面的重视。

　　关键词：钢结构住宅 设计原则 特点

　　Abstract: the steel structure steel products for material is made in the structure of the stress components, the steel structure housing, with its architecture function more rich, pre-engineering degree is high, the construction cost reduction, light weight, easy to install, environmental protection energy conservation, the seismic performance is good, and other comprehensive advantages and by every aspect of attention.

　　Keywords: steel structure housing design principles characteristics

　　中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：

　　1钢结构建筑设计的原则

　　针对钢结构建筑稳定问题，在实际设计中，我们必须遵循以下三个原则：

　　1.1结构整体布局必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求。目前结构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架和框架都是如此。为保证这些平面结构不致出平面失稳，需要从结构整体布置来解决，亦即设计必要的支撑构件。这就是说，平面结构构件的出平面稳定计算必须和结构布局相一致。

　　1.2结构计算简图和计算方法所依据的简图相一致，这对框架结构的稳定计算十分重要。目前在设计单层和多层框架结构时，经常不作框架稳定分析而是代之以框架柱的稳定计算。在采用这种方法时，计算框架稳定时用到的柱计算长度系数，自应通过框架整体稳定分析得出，才能使柱稳定计算等效力框架稳定计算。然而，实际框架多种多样，而设计中为了简化计算工作，需要设定一些典型条件。

　　1.3设计结构的细部构造和构件的稳定计算必须相互配合，使二者有一致性。结构计算和构造设计相符合，一直是结构设计中大家都注意的问题。对要求传递弯矩和不传递弯矩的节点连接，应分别赋予它足够的刚度和柔度，对框架节点应尽量减少杆件偏心，这些都是设计者处理构造细部时经常考虑到的。但是，当涉及稳定性能时，构造上时常有不同于强度的要求或特殊考虑。例如，简支梁就抗弯强度来说，对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移，同时允许在平面内转动。然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了。支座还需能够阻止梁绕纵轴扭转，同时允许梁在水平平面内转动和梁端截面自由翘曲，以符合稳定分析所采取的边界条件。

　　2 住宅钢结构的特点

　　住宅钢结构与传统结构相比，在使用功能、设计、施工以及综合经济方面具有优势，主要体现在以下方面。

　　2.1 设计制造周期短，设计生产一体化 现代结构设计借助于计算机和专业化结构分析软件，使得设计周期大大缩短，设计中的修改和调整非常方便。同时，由于钢结构具有工厂预制、现场安装的特点，可以将前期设计和现业的生产手段相结合，通过网络计算机和数控机床结合，使设计人员在工作室中完成设计后，即由工厂的生产线完成产品制作，具有极高的效率和精确度，可以大大减少项目建设周期。

　　2.2 能够合理布置功能区间在居住建筑中，建筑师和居民一直希望能够有大跨的无竖向结构的空间，这样，可以根据需求进行灵活隔断，使室内布置呈多样化。传统住宅由于所用材料的性质，限制了空间布置的自由。

　　2.3 承载强度高，抗震性能优越相同的荷载，钢结构截面最小，相同的截面，钢结构承载力最大。在抗震设防区，钢筋砼结构有许多不足之处，而钢结构重量轻，六层轻钢住宅的重量仅相当于四层砖混结构的重量，因此，本身所受的地震作用小;而且，钢材具有高延性，有较好的耗能能力，因此，抗震性能好，结构安全度高。

　　2.4 施工方面优势突出现浇砼需要连续施工，在我国北方地区受到施工季节的影响。钢结构的大部分构件在工厂生产，运往现场通过焊接或螺栓进行整体组装，可全天候作业。施工现场作业量小，减少了施工临时用地，与传统建筑材料相比，对周围环境污染小，提高了施工的机械化水平。

　　2.5 综合造价低钢结构承载力高，可以实现结构的大开间布置，构件截面小，与砼结构和砖混结构相比，自重比较轻，地基的处理比较容易，可以采用天然基础型式。由于基础在工程造价中占有比重比较大，上部结构重量轻可以降低基础的造价，从而减少整个项目的投资。钢结构施工机械化高的特点，从另一方面减少了人工费用和模板等其它辅助材料费用。

　　3住宅钢结构体系的组成

　　住宅钢结构体系主要有支撑骨架系统、维护骨架系统、轻质墙体、装饰外墙、楼层板、屋顶、门窗及楼梯等几大部分组成。主要承内阁墙体系以及楼板体系，其具体内容可分为：

　　3.1钢结构体系。钢结构形成有多种，但就用于住宅的主要分为钢框架体系，钢支撑框架混凝土剪力墙体系，错层桁架体系，巨型结构加子结构体系等。从构件的截面形式上可分为：冷轧H型截面，焊接H型截面，焊接箱型截面，冷弯薄壁方钢管内灌砼，冷弯C型截面，圆钢管内灌砼等，钢结构的防火措施主要有：防火喷漆，防火板外包，耐火钢。

　　3.2维护结构体系。外维护结构主要采用的墙板有轻混凝土板，太空板，水泥刨花板，夹心板等，内墙采用轻砼板，石膏板，水泥刨花板，稻草板等。

　　3.3楼板结构体系。楼板主要有压型钢板预先浇砼组合楼板以及预制轻砼板等。

　　4钢结构的材料要求

　　4.1要有合适结构体系的房型设计方案和立面处理，才能充分发挥钢结构的优越性。

　　4.2要有合适的外墙，内墙和楼面的材料，即经济耐用性能良好。

　　4.3要有合适的能为房地产开发商接受的性能价格比。

　　钢结构住宅特别是轻钢结构住宅具有自重轻，减少基础造价，施工周期短，提高投资效率，作业现场干净，废料少，材料可再生利用，满足建筑大开间灵活分隔，墙体薄，可增加使用面积，抗震，抗风，防白蚁等优点。

　　5住宅钢结构的设计

　　5.1预估截面

　　结构布置后需对构件截面作初步估算，主要是梁柱和支撑等断面形状与尺寸的假定。钢梁可选择槽钢，扎制或焊接H型钢截面等，根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的1/20-1/50之间选择。柱截面按长细比预估，100附近。根据轴心受压，双向受弯或单向受弯的不同，可选钢管或H型钢截面等，对应不同的结构，规范中对截面的构造要求有很大的不同，钢结构住宅选择轻钢规范。

　　5.2构件设计

　　构件设计中，现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面。这和结构内力计算的弹性方法并不匹配。

　　当前的结构软件，都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步，一些软件可以将验算时不通过的构件，从给定的截面库里选择加大一级。并自动重新分析验算，直至通过，如sap2000等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了结构师的很多工作量。但是，初学钢至少应注意两点：

　　5.2.1软件在做构件(主要是柱)的截面验算时，计算长度系数的取定有时会不符合规范的规定。目前所有的程序都不能完全解决这个问题。所以，尤其对于节点连接情况复杂或变截面的构件，结构师应该逐个检查。

　　5.2.2当上面第(三)条中预估的截面不满足时，加大截面应该分两种情况区别对待。

　　5.2.2.1强度不满足，通常加大组成截面的板件厚度，其中，抗弯不满足加大翼缘厚度，抗剪不满足加大腹板厚度。

　　5.2.2.2变形超限，通常不应加大板件厚度，而应考虑加大截面的高度，否则，会很不经济。

　　使用软件的前述自动加大截面的优化设计功能，很难考虑上述强度与刚度的区分，实际上，常常并不合适。

　　5.3节点设计 连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一。在结构分析前，就应该对节点的形式有充分思考与确定，常常出现的一种情况是，最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致，这必须避免. 按传力特性不同，节点分刚接，铰接和半刚接。

　　5.4图纸编制 钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段，设计图为设计单位提供，施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制，有时也会由设计单位代为编制。由于近年钢结构项目增多和设计院钢结构工程师缺乏的矛盾，有设计能力的钢结构公司参与设计图编制的情况也很普遍。

　　6结语

　　随着科技的发展，新型材料广泛运用于房屋建筑中。钢结构由于在高层建筑和大跨度高耸结构方面的优越性，使其在非居住建筑领域得到了广泛的应用。国家经济实力的增强和住宅商品化、产业化的要求，促进了住宅新技术和新材料的研究、应用，钢结构将成为建筑中最适合创新的住宅结构体系，也是住宅建筑行业二十一世纪的主导方向。