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探讨多高层钢结构住宅建筑技术与工程应用
探讨多高层钢结构住宅建筑技术与工程应用
摘要:民用住宅建筑钢结构体系被定性为一种新型结构体系,其具备绿色环保的特性。相对其他建筑结构形式,小高层及多层住宅均有必要大力推广及应用钢结构技术,且其经济效益及社会效益尤其显著。
关键字:多高层住宅钢结构技术工程应用综合效益
中图分类号: TU241.8 文献标识码: A 文章编号:
一、钢结构技术应用背景
就钢结构而言,其特点包括轻质高强、抗震性好、基础造价低、施工周期短、质量易保证、商品化程度高、建筑布局灵活合理等。相对于钢筋砼结构等传统建筑结构形式,钢结构也被定性为节能、环保、工厂化的新型结构形式,即绿色建筑。钢结构正是凭借着自身诸多优势而被广泛应用于世界各地的各行各业。就西方发达国家而言,钢结构住宅的发展历史已经相当悠久了。随着经济与技术的进一步发展,澳洲、英国及美国等诸国正在致力于工业化钢结构住宅(预制装配化住宅)的推广和应用。在澳洲及日本等国,钢结构住宅的市场占有率约25%;在美国,钢结构住宅约为总住宅数量的20%(2000年);在比利时、法国、德国、英国等国家,钢结构住宅正在如火如荼地发展。
国际范围内钢结构住宅的发展形势及应用成果显示,积极推广钢结构住宅将有助于住宅产业现代化的推进,且能够有效地缓解住房需求与人民期望间的尖锐矛盾,正是这一因果关系的存在,我国国家住房与城乡建设部已经在积极致力于钢结构住宅项目的推广。经过多年的努力,钢结构住宅推广项目已经取得了不菲的成效,例如天津、北京、杭州等地已经建成或正在着手建设一批钢结构住宅示范工程。
二、多高层钢结构住宅的结构体系
多高层钢结构住宅的结构体系不同于砼结构体系或砖混结构体系,其组成成分主要包括楼面结构体系、承重钢结构体系、围护机构体系等。在本案,笔者就前两种结构体系做详细阐释:
(一)承重钢结构体系
1.体系分类
就构件材料及结构类型而言,目前多高层住宅建筑承重钢结构体系主要包括钢框架结构体系、钢框架-支撑结构体系、新型抗侧力体系、交错桁架结构体系等。
a.钢框架结构体系
钢框架结构体系具备平面布置灵活性高、受力明确度高、建筑室内空间最大化、建筑延性强、建筑结构整体刚度均匀、建筑结构自振周期长、建筑抗震性能好、结构构件定型化及标准化难度系数低、建筑结构简单、工程施工进度快等优点。作为柔性结构体系的典型代表,钢框架结构体系的缺点是侧向刚度不足,则钢框结构建筑的非结构构件破坏概率较高。
b.钢框架-支撑结构体系
通常情况下,将一个垂直支撑体系布置于建筑墙体平面内,其意义在于有效抵抗水平荷载、提高钢框架侧向刚度、减少层间位移等。此外,若工程属于多高层建筑,则钢框架-支撑结构体系更具经济性。垂直支撑体系设置位置的合理性往往影响到其作用的发挥程度。通常情况下,垂直支撑体系设置于下层窗顶于上层窗台间,其不仅与建筑整体设计相协调,且也满足了建筑结构支撑体系的需要。此外,这一垂直支撑体系还具备隐蔽性,其完全不会对建筑外观造成任何负面影响。为了与建筑门窗布置相协调,垂直结构体系构造形式可以为X形、W形、K形、门式及人字形等。支撑构件应该与框架间的连接形式应为铰接,其设计形式可选择压杆或拉杆。铰接设计过程中,支撑形式、支撑数量及支撑刚度的调整应该以建筑物水平力作用及其高度为参考依据。此外,支撑布置应该顺着建筑物同一平面四周并实行环向封闭布置,即布置成为一个封闭形式的加强箍,以此最大化提高钢框架侧向刚度。研究结果显示,偏心支撑就地震作用下具备较强的耗能性能及延性。针对这一特性,笔者认为强震区建筑支撑结构形式可考虑偏心支撑。
c.新型抗侧力体系
新型抗侧力体系包括钢框架-抗剪桁架结构体系、钢框架-砼核芯筒结构体系(由管道井、电梯井或楼梯间墙体布置而成)、钢框架-抗剪钢板剪力墙结构体系等。新型抗侧力体系要求钢框架承担竖向荷载;剪力墙及剪桁架配合钢框架承担水平荷载,以保证建筑结构水平位移值满足设计要求及相关规范。抗侧力构件的形式以砼核芯筒、抗剪桁架、抗剪钢板剪力墙为主。
d.交错桁架结构体系
交错桁架结构体系组成成分主要是建筑外侧的若干柱子、桁架(建筑宽度与其跨度相等)组成,建筑层高等于桁架高度。桁架的布置:以相邻柱为上层及下层交错布置,楼板一端搁置于相邻桁架下弦、另一端搁置于桁架上弦。因建筑两开间设置一榀桁架、中间无柱子,则交错桁架结构体系在旅馆建筑或布置灵活的建筑中的应用效果最佳。此外,由于桁架布置形式为隔层布置,则因受到桁架弦杆的影响而出现的局部弯矩现象的明显减轻,从而将框架平面间柱子的弯矩值降至最低,并最终实现柱子断面尺寸减小、侧向位移降低及框架横向刚度增大。
2.设计原则
承重钢结构体系结构设计原则为
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