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鋼結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)安全性分析

文檔作者：張浩蔣華董奇品張曉文檔來源：西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月16日
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Sichuan Building Materials
Vol.41，No.2
April，2015
第41卷第2期
2015 年4 月
鋼結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)安全性分析
張　浩, 蔣　華, 董奇品, 張　曉
(西華大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院, 四川成都　610039)
作者簡介:張浩(1989 - ),男,河北石家莊人,在讀碩士研究生。
　　摘　要: 鋼結(jié)構(gòu)住宅以其高強(qiáng)、輕質(zhì)、結(jié)構(gòu)尺寸小、施
工速度快、抗震性能好及工業(yè)化程度高等特點(diǎn), 在許多工業(yè)
發(fā)達(dá)國家得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)住宅相比, 鋼結(jié)構(gòu)住宅
具有良好的抗震性能以及高效環(huán)保等明顯優(yōu)點(diǎn)。本文結(jié)合國
內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展情況, 從結(jié)構(gòu)的安全性角度對比分析鋼
結(jié)構(gòu)住宅與傳統(tǒng)住宅, 展望鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展前景。
　　關(guān)鍵詞: 鋼結(jié)構(gòu); 住宅; 安全性
　　中圖分類號: TU391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
文章編號:1672 -4011(2015)02 -0052 -03
DOI:10. 3969/ j. issn. 1672 -4011. 2015. 02. 026
Structure Security Analysis on Steel
Structure Housing
ZHANG Hao, JIANG Hua, DONG Qipin, ZHANG Xiao
(School of Architecture and Civil Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, China)
Abstract: Steel structure housing with its high strength,
light weight, the structure of small size, fast construction
speed, good seismic performance and high industrialization degree,
is widely applied in many developed countries. Compared
with traditional structure housing, steel structure residence has
obvious advantages such as good seismic performance and efficient
environmental protection. Steel structure residential development
situation at home and abroad, this paper, from the point
of view of the safety of the structure analysis of the steel structure
housing and traditional residence, outlook for steel structure
housing development prospect. Key words: steel structure; residence; security
0　前　言
隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與技術(shù)提升, 國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)建筑得到越來
越多的應(yīng)用, 例如大跨度、大懸挑空間結(jié)構(gòu), 超高層, 工
業(yè)廠房, 體育場館等。目前鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)是發(fā)達(dá)國家的主導(dǎo)
建筑結(jié)構(gòu)。在美國、歐洲、日本等地, 鋼結(jié)構(gòu)住宅更是代
替?zhèn)鹘y(tǒng)住宅占據(jù)絕對優(yōu)勢。與發(fā)達(dá)國家相對比我國鋼結(jié)構(gòu)
還處于發(fā)展初期, 尤其鋼結(jié)構(gòu)住宅需進(jìn)一步發(fā)展。鋼結(jié)構(gòu)
住宅自重輕, 降低基礎(chǔ)造價; 工業(yè)化程度高、施工快, 縮
短工程周期; 投資回收快, 施工過程環(huán)境污染少、可回收、
住宅利用率相對較高, 經(jīng)濟(jì)環(huán)保等效益良好。聯(lián)合國的人
居環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定, 安全性需首要考慮, 可見安全性在建筑
設(shè)計、施工和使用過程中是關(guān)注的重點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)因其自身
的優(yōu)點(diǎn), 應(yīng)用到住宅可以保障建筑結(jié)構(gòu)的安全性。
1　國內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展現(xiàn)狀
1． 1　國外鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展現(xiàn)狀
美國、日本、歐洲等工業(yè)發(fā)達(dá)國家, 建筑用鋼占鋼材
總量的50% 以上。鋼結(jié)構(gòu)住宅經(jīng)歷長期發(fā)展, 在歐、美、
日等地形成標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、商品化程度高的住宅體系。
1． 1． 1　美　國
美國是世界上最早采用鋼框架結(jié)構(gòu)建造住宅的國家,
鋼結(jié)構(gòu)住宅市場發(fā)展完善。在北美金屬結(jié)構(gòu)協(xié)會促進(jìn)下,
結(jié)合新編輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范, 形成集輕鋼結(jié)構(gòu)、新型建材、
節(jié)能保溫、防火隔聲、設(shè)計施工于一體高度集成化的多層
輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系[1] 。
1． 1． 2　日　本
日本是世界上鋼結(jié)構(gòu)建筑數(shù)量最多的國家, 鋼結(jié)構(gòu)建
筑占建筑總量的50% 以上。從可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)資源的戰(zhàn)
略角度出發(fā), 日本社會對發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑高度重視。在民
用住宅領(lǐng)域, 鋼結(jié)構(gòu)同樣占據(jù)相當(dāng)大的比例。據(jù)2011 年日
本住宅結(jié)構(gòu)形式統(tǒng)計, 全國新建房屋總量83． 4 萬戶, 木結(jié)
構(gòu)占55%, 鋼筋混凝土占25%, 鋼結(jié)構(gòu)占17%, 鋼管混凝
土占6% [2] 。
1． 1． 3　歐　洲
歐洲各國鋼結(jié)構(gòu)住宅經(jīng)歷特定社會背景, 使其發(fā)展領(lǐng)
先一步。法國是領(lǐng)先世界最早推行建筑工業(yè)化的國家之一。
法國住宅體系經(jīng)過30 多年的發(fā)展完善, 為鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)
化的全面發(fā)展奠定基礎(chǔ)。瑞典作為世界上住宅工業(yè)最發(fā)達(dá)
的國家, 其輕鋼結(jié)構(gòu)住宅預(yù)制構(gòu)件達(dá)到95%。意大利為提
高鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域, 推出BASIS 工業(yè)化建筑體系, 該體系
適用于建筑8 層及以下鋼結(jié)構(gòu)住宅, 在歐洲、非洲、中東
等地廣泛應(yīng)用, 受到好評[3] 。
1． 2　國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展現(xiàn)狀
鋼結(jié)構(gòu)住宅在我國推廣的比較早, 但發(fā)展十分緩慢。
根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2014 -2018 年中國鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)
市場需求預(yù)測與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》的數(shù)據(jù)指出: 2012
年我國鋼結(jié)構(gòu)年產(chǎn)量達(dá)到約35 000 萬t, 占鋼產(chǎn)量比重僅為
5%左右。2012 年全國房屋建筑施工面積達(dá)到57 億m2 , 而
鋼結(jié)構(gòu)建筑僅占大約6%左右。與發(fā)達(dá)國家相比, 我國鋼結(jié)
構(gòu)仍需進(jìn)一步發(fā)展。根據(jù)我國建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)“十二五”規(guī)
劃, 深入貫徹科學(xué)發(fā)展觀, 推行綠色節(jié)能建筑, 通過技術(shù)
引領(lǐng)、設(shè)計優(yōu)化, 逐步實(shí)現(xiàn)年建筑鋼結(jié)構(gòu)用量占全國鋼產(chǎn)
量的10%左右, 鋼結(jié)構(gòu)住宅建設(shè)占房屋總建設(shè)面積的15%
左右[4] 。目前, 我國鋼結(jié)構(gòu)主要用于國家重大工程、體育
場館、大跨度橋梁等, 鋼結(jié)構(gòu)住宅在我國屬于發(fā)展初期,
我國居民傳統(tǒng)觀念更偏愛砌體結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu), 對鋼結(jié)
構(gòu)建筑持懷疑態(tài)度, 尤其是認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)建筑不夠安全。但
鋼結(jié)構(gòu)住宅以其自身的優(yōu)點(diǎn), 經(jīng)過一定發(fā)展必將獲得大眾
的青睞。
2　鋼結(jié)構(gòu)住宅安全性分析
我國傳統(tǒng)住宅主要建造體系為: 磚混結(jié)構(gòu)及混凝土鋼
架結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)住宅在設(shè)計造型、生產(chǎn)管理、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、技
術(shù)設(shè)備等方面比較成熟, 在一定時期內(nèi)是符合我國基本國
情的建筑體系。但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 社會的進(jìn)步, 人們對
可持續(xù)發(fā)展認(rèn)識得更加全面, 對資源與環(huán)境地有效利用與
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保護(hù)更加重視。傳統(tǒng)住宅浪費(fèi)資源, 污染環(huán)境, 勢必會被
新型建筑結(jié)構(gòu)所取代。下面分別從強(qiáng)度、抗震性和節(jié)點(diǎn)安
全探討鋼結(jié)構(gòu)住宅與傳統(tǒng)住宅的結(jié)構(gòu)安全性, 分析鋼結(jié)構(gòu)
取代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可能性。2． 1　鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度
與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式相比, 承受相同的荷載, 鋼結(jié)構(gòu)所需
截面最小; 選用相同截面, 鋼結(jié)構(gòu)的承載能力最大。一般
梁主要抵抗由彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力, 鋼結(jié)構(gòu)梁因其具有良好
的抗拉性能, 截面選型方便, 可滿足特殊構(gòu)造需要?；炷?
土抗壓強(qiáng)度高, 鋼筋混凝土中的鋼筋能增強(qiáng)構(gòu)件的抗拉強(qiáng)
度, 一般柱主要抵抗壓應(yīng)力, 傳統(tǒng)觀念認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)抗壓能
力不足, 但是鋼結(jié)構(gòu)通過修改截面類型可滿足壓應(yīng)力需要。
鋼筋混凝土柱截面驗(yàn)算結(jié)果輸出如下:
1) 設(shè)計條件。
設(shè)計規(guī)范: GB50010 -10
單位體系: kN, m
構(gòu)件號: 1 (PM), 1 (剪力)
材料數(shù)據(jù): fcu =30000, fyk =335000, fvk =300000 kPa
柱高: 1 m
截面: 1 (號: 1)
鋼筋布置: 4 -2 - d18
總配筋量Ast = 0． 001018 m ^ 2 ( Rhost =
0． 025)
Z
y
0.2
0.2
0.025
2) 截面內(nèi)力
荷載組合: 1 (位置: I)
N =480． 000 kN
My =0． 00000, Mz =24． 6875 kN - m
M = SQRT (My^2 + Mz^2) =24． 6875 kN - m
3) 軸力和彎矩驗(yàn)算。
最大軸力承載能力　Nr - max =789． 660 kN
軸力比
N/ Nr =480． 000/502． 805 =0． 955 <1． 000……O． K
驗(yàn)算比
M/ Mr =24． 6875/26． 1867 =0． 943 <1． 000……O． K
My/ Mry =0． 00000/0． 00000 =0． 000 <1． 000……O． K
Mz/ Mrz =24． 6875/26． 1867 =0． 943 <1． 000……O． K
4) M - N 相關(guān)圖。
N/kN
M(kN-m)
790 777 Theta=90.00Deg.
N.A=90.00Deg.
(503.26)
(480.25)
900
655
532
410
287
165
420
-80
-202
-325
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40
Nr(kN) Mr(kN-m)
877.40
721.16
617.48
515.02
416.33
328.85
275.27
256.54
222.30
177.95
125.43
-42.63
-305.40
0.00
12.61
19.68
25.54
30.53
34.69
37.18
37.05
36.50
35.16
32.70
20.60
0.00
5) 剪切驗(yàn)算。
剪力　V =0． 00000 kN (荷載組合: 2)
設(shè)計抗剪能力
Vc + Vs =55． 8057 +37． 0912 =92． 8970Kn(As - H_use =
0． 00079m^2/ m,2 - d10@200)
驗(yàn)算比　V/ Vcs =0． 000 <1． 000……O． K
Steel Checking Result
1)設(shè)計條件
設(shè)計規(guī)范:GB50017 -03
單位體系:kN,m
構(gòu)件號:2
材料:Q345(號:2)
(Fy =345000,Es =206000000)
截面名稱:2(號:2)
構(gòu)件長度:1． 00000
0.2
0.000
0.2
0.006
y
z
高度0. 20000 腹板厚度0. 00600
翼緣寬度0. 20000 上翼緣厚度0. 00600
腹板中心0. 10000 下翼緣厚度0. 00600
面積0. 00466 Asz 0. 00240
Qyb 0. 01412 Qzb 0. 00970
lyy 0. 00003 Izz 0. 00001
Ybar 0. 10000 Zbar 0. 10000
Wyy 0. 00029 Wzz 0. 00014
ry 0. 07924 rz 0. 05414
2) 截面內(nèi)力
軸力　Fxx = -480． 00 (LCB: 1, POS: I)
彎矩　My =0． 00000, Mz =24． 0000
端部彎矩　Myi =0． 00000,Myj =0． 00000(for Lb)
Myi =0． 00000,Myj =0． 00000(for Ly)
Mzi =24． 0000,Mzj =24． 0000(for Lz)
剪力　Fyy =0． 00000(LCB: 1,POS:I)
Fzz =0． 00000(LCB:1,POS:I)
3) 設(shè)計參數(shù)
自由長度　Ly =1． 00000　Lz =1． 00000　Lb =1． 00000
計算長度系數(shù)　Ky =1． 0　Kz =1． 0
等效彎矩系數(shù)　Beta_ my =0． 85, Beta_ mz =0． 85
4) 強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果
長細(xì)比　KL/ r =18． 5 <123． 8……O． K
軸向應(yīng)力驗(yàn)算　N/ Nrc = 480． 00/1388． 68 = 0． 346 <
1． 000……O． K
彎曲應(yīng)力驗(yàn)算
My/ Mry =0． 0000/90． 6238 =0． 000 <1． 000……O． K
Mz/ Mrz =24． 000/42． 3050 =0． 567 <1． 000……O． K
整體穩(wěn)定驗(yàn)算
Rmax1 = N/ {f?MIN (Phi_ y, Phi_ z) ?A} + My/
(f?Gammay?Wny) + Mz/ (f?Gammay?Wny)
Rmax = Rmax1 =0． 000 <1． 000……O． K
剪切強(qiáng)度驗(yàn)算　Vy/ Vry =0． 000 <1． 000……O． K
Vz/ Vrz =0． 000 <1． 000……O． K
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上述表格是相同偏心壓力下, 實(shí)腹鋼筋混凝土構(gòu)件與
帶翼緣的箱型鋼構(gòu)件對比分析結(jié)果。結(jié)果數(shù)據(jù)表明上述鋼
構(gòu)件極限抗壓強(qiáng)度是混凝土構(gòu)件的2． 5 倍, 極限抗彎強(qiáng)度
是混凝土構(gòu)件的2 倍。2． 2　鋼結(jié)構(gòu)住宅的抗震
鋼結(jié)構(gòu)自身延性好, 能夠吸收一部分地震所產(chǎn)生的動
能, 自重輕, 也可以減輕地震對結(jié)構(gòu)的影響, 一般自重降
低一半, 相當(dāng)于降低一級抗震設(shè)防烈度。
朱曉偉[5] 曾對濟(jì)南某小區(qū)兩棟樓進(jìn)行對比。兩樓采用
同一平、立、剖面圖, 一棟是鋼結(jié)構(gòu), 一棟是鋼筋混凝土
結(jié)構(gòu)。采用PKPM 系列結(jié)構(gòu)軟件, 進(jìn)行模擬分析。根據(jù)規(guī)
范規(guī)定: 鋼結(jié)構(gòu)住宅, 在地震作用下, 層間位移應(yīng)≤1/
250; 鋼筋混凝土框剪結(jié)構(gòu)住宅, 在地震作用下, 層間位移
應(yīng)≤1/800。對比分析結(jié)果見表2。表2
結(jié)構(gòu)形式工況層間位移△u/ h
鋼結(jié)構(gòu)X 向地震1/1 446
Y 向地震1/2 741
鋼筋混凝土結(jié)
構(gòu)
X 向地震1/2 102
Y 向地震1/2 920
(1/1446) / (1/250)≈0． 17,(1/2102) / (1/800)≈0． 38;
(1/2741) / (1/250)≈0． 09,(1/2920) / (1/800)≈0． 27,鋼結(jié)
構(gòu)的抗震性能明顯優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)。2． 3　鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)安全
結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)部位受力相對復(fù)雜, 在框架結(jié)構(gòu)中, 節(jié)點(diǎn)能
傳遞和分配內(nèi)力, 連接梁柱保障結(jié)構(gòu)整體性, 因此, 節(jié)點(diǎn)
在設(shè)計上有更高要求。
鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接是通過焊縫、螺栓、鉚釘?shù)确椒?
將單個構(gòu)建組裝成整體結(jié)構(gòu)。按照連接節(jié)點(diǎn)的受力性能可
分為: 剛性連接、鉸支連接和半剛性連接。根據(jù)節(jié)點(diǎn)設(shè)計
及受力情況, 選擇合適的連接方式。國內(nèi)外許多鋼結(jié)構(gòu)設(shè)
計軟件都能提供鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計優(yōu)化, 以及復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的深
化設(shè)計, 指導(dǎo)生產(chǎn)管理, 提高節(jié)點(diǎn)的安全性和可靠度。通
過合理的設(shè)計計算, 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)完全能夠滿足不同結(jié)構(gòu)體
系相應(yīng)的強(qiáng)度, 剛度和延性要求。
3　結(jié)　語
鋼結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)安全性滿足建筑要求, 在強(qiáng)度和抗
震方面優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。與國外相比我國鋼結(jié)構(gòu)住宅體系還
很不成熟, 為加速鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展, 政府應(yīng)加大扶持力
度, 完善鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、制作、施工規(guī)范, 加大科研投入,
培養(yǎng)專項(xiàng)人才。鋼結(jié)構(gòu)住宅符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略路線,
作為建筑現(xiàn)代化發(fā)展的重要標(biāo)志之一, 鋼結(jié)構(gòu)住宅在我國
有著廣泛的前景。
[ID: 001762]
參考文獻(xiàn):
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算將由環(huán)形牛腿支撐面上的混凝土局部承壓強(qiáng)度決定的受
剪承載力調(diào)整為: Vu1 = ω × β2 × fc × A1 (式中符號意義見
《規(guī)程》6． 2． 7 條)
此處將由環(huán)形牛腿上部混凝土的直剪(或沖切)強(qiáng)度決
定的受剪承載力調(diào)整為: Vu4 = B × l ×2ft
式中, B 為混凝土框架梁的寬度; l 為直剪面的高度;
ft為混凝土抗剪強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)剖面圖見圖1。
B/2 B/2
B/2 B/2
1
1
B/2 B/2
B/2
1
1
B/2
B
1-1
l
環(huán)形牛腿
圖1　結(jié)構(gòu)剖面圖
2． 2　構(gòu)造特點(diǎn)
本工程采用的RC 環(huán)梁- 環(huán)形牛腿節(jié)點(diǎn)將環(huán)形牛腿下移
至框架梁下部鋼筋處, 便于RC 框架梁鋼筋與環(huán)形牛腿焊接
連接; 同時在框架梁的上部鋼筋位置處設(shè)置T 型牛腿與梁
鋼筋焊接。這種節(jié)點(diǎn)方式無需對STCC 柱開孔穿筋; 對
STCC 柱的損傷小, 彎矩傳遞直接, 剪力傳遞路徑清晰、直
接且具有較大的節(jié)點(diǎn)剛度, 節(jié)點(diǎn)承載力高。
這種節(jié)點(diǎn)連接方式的缺點(diǎn)在于: 環(huán)梁箍筋施工時會產(chǎn)
生較大的焊接(或穿孔)工作量, 另外穿筋對環(huán)形牛腿的力
學(xué)影響及穿筋對環(huán)梁的影響, 尚有待于進(jìn)一步研究確定。
3　結(jié)　語
1) 在STCC 柱與RC 梁的諸多連接方式中, RC 環(huán)梁-
環(huán)形牛腿的連接方式剪力傳遞路徑直接, 傳遞方式可靠,
節(jié)點(diǎn)剛度大, 彎矩分配能力強(qiáng), 計算模型清晰, 力學(xué)性能
良好; 建議根據(jù)工程實(shí)際采用此類節(jié)點(diǎn)。
2) 進(jìn)行RC 環(huán)梁- 環(huán)形牛腿節(jié)點(diǎn)設(shè)計時, 可分別將環(huán)
形牛腿下翼緣板設(shè)置在RC 框架梁下部鋼筋上側(cè), T 型連接
板設(shè)置在框架梁上部鋼筋下側(cè), 便于鋼筋錨固; 同時可以
有效避免節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋密集、人員不便操作及混凝土難以澆
筑困擾。[ID: 001858]
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