钢结构体系在住宅建筑中的施工技术重点

薛源

【摘要】：本文重点分析钢结构体系再多高层住宅建筑中的应用，并对钢结构住宅表现的主要危害特征、结构布置和选型以及对主要构造设计和措施做了相应的阐述。

【关键词】：钢结构体系 住宅建筑 施工技术

中图分类号：TU74文献标识码： A 文章编号：

虽然钢结构房屋具有很多优点，但应用于多层民用钢结构房屋时，由于构件截面小，刚度弱，纯钢结构的侧移较大，对抗力体系、楼板、墙体的要求较高。因此，结构体系、抗震技术、连接节点、楼盖技术等仍需进一步完善理论研究，如何发挥钢结构的优势，亟待我们进行更深入的研究和应用创新技术的开发。

一、多高层钢结构住宅的主要震害特征

在同等场地、同等条件下，钢结构房屋的震害较钢筋混凝土结构房屋的震害要小。主要表现为节点连接破坏（①框架梁柱节点破坏②支撑连接破坏）、构件破坏（①支撑压屈 ②梁柱局部失稳③钢柱脆性断裂）、结构倒塌。

节点链接破坏，其中发生以支撑链接破坏危害最大。支撑是框架-支撑结构中最主要的抗侧力部分，一旦地震发生它将首当其冲承受水平地震作用，如果某层的支撑发生破坏，将使该层成为薄弱楼层，造成严重后果。

构件破坏的支撑压屈主要表现为：地震时支撑所受的压力超过其屈曲临界力时，即发生压屈破坏；梁柱局部失稳表现为：梁或柱在地震作用下反复受弯，在弯矩最大截面处附近由于过度弯曲可能发生翼缘局部失稳现象，进而引发低周疲劳和断裂破坏。

二、多高层钢结构的体系与结构布置和选型

我国建筑抗震设计规范对钢结构的抗震措施，一般以12层为界区分。有抗震要求的多高层钢结构的体系主要有框架体系、框架-支撑(抗震墙板)体系、筒体体系(框筒、筒中筒、桁架筒、束筒等)或巨型框架体系。

1、 多高层钢结构体系与结构布置

①框架-支撑体系是在框架体系中沿结构的纵、横两个方向均匀布置一定数量的支撑所形成的结构体系。又分中心支撑和偏心支撑两种。

②框架-抗震墙板体系是以钢框架为主体，并配置一定数量的抗震墙板。由于抗震墙板可以根据需要布置在任何位置上，布置灵活。另外抗震墙板可以分开布置，两片以上抗震墙并联体较宽，从而可减小抗侧力体系等效高宽比，提高结构的抗推和抗倾覆能力。抗震墙板主要有以下三种类型：钢抗震墙板、内藏钢板支撑抗震墙板和带竖缝混凝土抗震墙板。

③筒体体系是根据筒体的布置、组成、数量的不同，筒体结构体系可分为框架筒、桁架筒、筒中筒以及束筒等。

④巨型框架体系：一般高层钢结构梁、柱、支撑为一个楼层和一个开间内的构件，如果将梁、柱、支撑的概念扩展到数个楼层和数个开间，则可构成巨型框架结构。其由柱距较大的立体桁架柱及立体桁架梁构成。立体桁架梁应沿纵横向布置，并形成一个空间桁架层，在两层空间桁架层之间设置次框架结构，以承担空间桁架层之间的各层楼面荷载，并将其通过此框架结构的柱子传递给立体桁架梁及立体桁架柱。这种体系能在建筑中提供特大空间，具有很大的刚度和强度。

2、钢结构房屋的结构选型

钢结构房屋适用的最大高度(m)表1.

结构类型 6、7度 8度 9度

框架 110 90 50

框架-支撑(抗震墙板) 220 200 140

筒体(框筒、筒中筒、衍架筒、束筒)和巨型框架 300 260 180

注：①房屋高度指室外地面到主要屋面板板顶的高度(不包括局部突出屋顶部分)；②超过表内高度的房屋，应进行专门研究和论证。

多高层钢结构的平面布置宜符合下列要求：

(1)建筑平面宜简单规则，并使结构各层的抗侧力刚度中心与质量中心接近或重合，同时各层刚心和质心接近在同一竖直线上；建筑的开间、进深宜统一。

(2)为避免地震作用下发生强烈的扭转振动或水平地震力在建筑平面上的不均匀分布，建筑平面的尺寸关系应符合下表和下图。当钢框筒结构采用矩形平面时，其长宽比不宜大于1.5：1，不能满足此项要求时，宜采用多束筒结构。

(3)由于钢结构可承受的结构变形比混凝土结构大，故高层建筑钢结构不宜设置防震缝，但薄弱部位应采取措施提高抗震能力。当建筑平面尺寸大于90米时，可考虑设温度伸缩缝，抗震设防的结构伸缩缝应同时满足防震缝要求。需要设置防震缝时，缝宽应不小于相应钢筋混凝土结构房屋的1.5倍，框架-支撑体系结构的防震缝宽度可取此数值的70%；筒体体系及巨型结构体系结构的防震缝宽度可取此数值的50%，但均不宜小于70毫米。

(4)结构平面应尽量避免扭转不规则、凹凸不规则、楼板局部不连续等布置形式。在平面布置上具有下列情况之一者，也属平面不规则结构：①结构平面形状有凹角，凹角的伸出部分在一个方向的长度，超过该方向建筑总尺寸的25%；②楼面不连续或刚度突变，包括开洞面积超过该层总面积的50%；③抗水平力构件既不平行于又不对称于抗侧力体系的两个互相垂直的主轴。属于上述情况第③项者应计算结构扭转的影响，属于第②项者应采用相应的计算模型，属于第①项者应采用相应的构造措施。

三、多高层住宅体系的其他钢结构构造设计和措施

1、钢结构房屋的地基、基础和地下室

(1)高层建筑钢结构的基础形式应根据上部结构、工程地质条件、施工条件等因素综合确定，宜选用筏基、箱基、桩基或复合基础。当基岩较浅、基础埋深不符合要求时，应采用岩石锚杆基础。

(2)钢结构高层建筑宜设地下室。抗震设防建筑的高层结构部分，基础埋深宜一致，不宜采用局部地下室。设置地下室时，框架-支撑(抗震墙板)结构中竖向连续布置的支撑(抗震墙板)应延伸至基础；框架柱应至少延伸至地下一层。

多高层建筑钢结构的抗震设计采用两阶段设计方法，即第一阶段设计应按多遇地震计算地震作用，第二阶段设计应按罕遇地震计算地震作用。第一阶段设计时，地震作用应考虑下列原则：

(1)通常情况下，应在结构的两个主轴方向分别计入水平地震作用，各方向的水平地震作用应全部由该方向抗侧力构件承担；

(2)当有斜交抗侧力构件时，宜分别计入各抗侧力构件方向的水平地震作用；

(3)质量和刚度明显不均匀、不对称的结构，应计入水平地震作用的扭转效应；

(4)按9度抗震设防的高层建筑钢结构，或者按8度和9度抗震设防的大跨度和长悬臂构件，应计入竖向地震作用。

2、多高层建筑钢框架结构抗震构造措施

多高层钢结构的阻尼比较小，按反应谱法计算多遇地震下的地震作用时，超过12层的钢结构建筑的阻尼比可取为0.02，不超过12层的钢结构建筑的阻尼比可取为0.035。但计算罕遇地震下的地震作用时，考虑结构进入弹塑性，多高层钢结构的阻尼比均可取为0.05。

(1)框架柱的长细比

烈度 6度 7度 8度 9度

长细比 不超过12层 120 120 120 100

超过12层 120 80 60 60

注：框架柱长细比限制表2. 表中所列值适用于Q235钢，其他钢号应乘(235/fay)1/2。

(2)梁柱连接的构造要求

为防止大震作用下柱和梁连接的节点域腹板局部失稳，在柱与梁连接处，柱应设置与梁上下翼缘位置对应的加劲肋，使之与柱翼缘相包围处形成梁柱节点域。节点域柱腹板的厚度，一方面要满足腹板局部稳定要求，另一方面还应满足节点域的抗剪要求。梁与柱的连接宜采用柱贯通型连接方式。柱在两个互相垂直的方向都与梁刚接时，宜采用箱形截面。当仅在一个方向刚接时，宜采用工字形截面，并将柱腹板置于刚接框架平面内。梁与柱的连接应采用刚性连接，也可根据需要采用半刚性连接。梁与柱的刚性连接，可将梁与柱翼缘在现场直接连接，也可通过预先焊在柱上的梁悬臂段在现场进行梁的拼接。

(3)框架柱接头构造措施

框架柱的接头一般是刚性节点，位置宜设在框架上方1.1m～1.3m附近。柱对接接头应采用全熔透焊缝，柱拼接接头上下各100mm 范围内，工字形截面柱翼缘与腹板间及箱形截面柱角部壁板间的焊缝，应采用全熔透焊缝。

(4)钢柱脚

钢结构的柱脚分埋入式、外包式和外露式三种。超过12层钢结构的刚接柱脚宜采用埋入式，外包式柱脚在地震中性能欠佳，一般只有6度、7度时可采用。仅传递垂直荷载的铰接柱脚可采用外露式柱脚。埋入式柱脚和外包式柱脚的设计和构造，应符合有关标准的规定。

参考文献：

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注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。