浅谈中高层住宅的钢结构技术设计

摘要：随着社会的发展、科学技术的进步和人们需求的不断变化，房屋建筑也日益多样和复杂化，它们在使用功能、建筑材料、建筑艺术和建筑结构等方面都有了很大的发展。钢材作为一种独特的建筑材料，在我国各类建筑中的应用日益广泛，由钢材形成的构件进而到结构，因其具有强度高、自重轻、抗震性能好、构件截面小、建筑空间大而灵活、施工工期短、可实现装配化及绿色环保等优点，越来越多地应用在中高层住宅建筑中。

关键词：钢结构住宅；建筑设计；结构设计

中图分类号：TS958文献标识码： A

前言

中高层住宅钢结构是以钢结构做为骨架，配合各种复合材料的轻型墙体拼装而组成，所耗用材料为工厂标准化、系列化、批量化生产，从而改善了传统住宅的钢筋混凝土建筑砖、瓦、沙、石现场施工，是住宅产业现代化的一个醒目标志。

中高层住宅钢结构的设计是钢结构建筑区别于其它结构体系建筑的一大特色，在相当大程度上影响着建筑设计的结果。中高层住宅钢结构建筑的绝大多数是露明的，露明的钢结构节与中国传统木结构建筑的榫卯结构惊人的相似。复杂的处理显示出结构的合理性，具有基于建筑技术之上的特有的结构美感。为了钢结构防火的需要，有些建筑师会在钢结构节点处辅以一定的防火措施，比如用防火涂料涂刷，或是将节点用防火板材完全封闭。后者把钢结构特有的节点封闭了起来，难以体现钢构件节点的结构美；而前者既起到了防火的目的，又保持了钢格连接节点的原有特点，应当能得到众多工程师的认可及推广。

1、中高层住宅建筑设计

中高层住宅的钢结构根据使用功能、建筑总平面、建筑面积、建筑朝向、防火防烟分区等多方面的要求，经多次优化进行了本建筑的平、立、剖面设计，每一户住房中的卫生间、厨房、卧室、客厅均有较好的自然采光和通风，均可满足住宅的建筑使用要求。

2、中高层住宅结构设计

2.1 设计资料

设计标高：室内设计标高0.00m，室内外高差0.3m。基本风压：wo---0.35kN/m2。地质资料：建筑场地至地下9in 范围内为粉质黏土，地基承载力特征值为150kN/m2。地震设防烈度为7度。

2.2 建筑布置及计算简图的确定

(1)结构体系。综合考虑设计资料、建筑功能及受力合理的要求，本建筑采用框架结构体系。(2)计算简图。从结构平面布置图中取出最不利一榀框架，作为该结构的计算模型。(3)截面的初步确定。根据荷载和跨度的要求，框架梁柱承受的荷载都比较大，故在材料选用时应优先考虑强度较高的钢材，本工程主梁和柱子采用Q345B钢材，材料性能应满足《低合金高强度结构钢》(GB/T1591)的要求。柱采用宽翼缘的H型钢，梁采用中翼缘的H型钢，据所选梁柱截面可以确定相应截面的几何参数。

2.3 荷载计算

(1)恒载计算。主要考虑屋面、楼面均布荷载，并得到恒载作用下结构的计算简图。(2)活载计算。根据《建筑结构荷载规范》得到非上人屋面的活荷载标准值以及各楼层活荷载标准值，进而通过计算，得到了活载作用下的计算简图。(3)风荷载计算。根据《建筑结构荷载规范》，将风荷载换算成作用于每一层节点上的集中荷载，从而建立风荷载作用下的结构计算简图。(4)地震荷载计算。本工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第二组，Tk=0.40S，根据底部剪力法公式可得地震荷载作用在每一层节点上的集中荷载，从而得到地震荷载下的结构设计简图。

2.4 内力计算

(1)恒载作用下内力计算。力法、位移法、弯矩分配法、无剪力分配法均可用来计算框架结构内力和侧移，但是多层钢结构往往杆件较多，超静定次数很多，采用这些方法比较费时，因此实际计算时一般用近似方法分别计算结构在竖向荷载和水平荷载作用下的内力和位移。框架结构在竖向荷载作用下的计算方法有分层法、迭代法、二次弯矩分配法等。

根据精确法的计算结果可以知道，在竖向荷载的作用下，框架的侧移很小，并且竖向荷载只对受荷的构件和与之相连的构件影响较大。因此，可采用如下假定：

假定一：在竖向荷载作用下，框架的水平位移忽略不计；

假定二：每层梁上的荷载对其他各层的梁以及非相邻层的柱的影响可以忽略不计。所以，多层框架在竖向荷载作用下的内力可以分层计算。采用分层法，即框架在竖向荷载作用下，假定作用在某一层框架梁上的竖向荷载只对本楼层的梁以及与本层梁相连的框架柱产生弯矩和剪力。采用分层法的时候要注意，弯矩是进行了两次分配，一次传递。(2)活载作用下内力计算。活荷载作用下的内力计算也采用内力分层法，取满跨活载的最不利布置，得到相应的弯矩、剪力和轴力图。(3)风荷载作用下内力计算。框架结构在水平荷载作用下的近似计算方法有反弯点法、D值法、门架法等。采用D值法，主要是用于梁柱线刚度较为接近，或梁的线刚度小于柱的刚度，即柱的抗侧移刚度和柱的线刚度及层高有关，也与梁的线刚度等因素有关，故采用D值法比较接近实际。风荷载作用下结构层间侧移≤h／400(h 为层高)，结构顶层质心的侧移值H≤H／500(H 为结构总高)。(4)水平地震作用下内力计算。据《建筑抗震设计规范》可知，此设计需要考虑水平地震作用。由于结构高度H

据荷载效应基本组合公式，在恒、活、风以及地震作用下结构构件承载力计算的组合式如下：

第一组合式：1.35恒+1.4x0.7 活

1.2 恒+1.4 活

1.0 恒+1.4 活

第二组合式：l.2恒+1.4 风

1.0 恒+1.4 风

第三组合式：1.2 恒+l.4活+0.6x1.4 风

1.0 恒+1.4 活+0.6x1.4 风

第四组合式：1.2 恒+1.4 风+0.7×1.4 活

1.0 恒+l.+0.7x1.4 活

第五组合式：1.2(恒+0.5 活)+1.3风

1.0(恒+0.5 活)+1.3风

2.5 构件设计

据内力计算组合结果，即可选择各截面的最不利内力进行梁柱截面设计。设计公式为S≤R和S≤R/yRE(地震作用参与的组合)。

柱的截面设计考虑强度、刚度、平面内整体稳定、平面外整体稳定以及局部稳定等方面。主梁设计模型按多跨连续梁考虑。截面设计考虑强度、刚度、局部稳定等方面(由于采用压型钢板组合楼板，且有牢靠的连接，故不必验算整体稳定)，次梁截面按两端简支考虑，由强度、刚度、稳定等综合确定。

3、中高层住宅钢结构理念设计

中高层住宅钢结构中需要运用新技术、新材料、新的构造形式来满足使用者的各项生理和心理需求。现行的建筑设计趋势即是要求住宅遵循“以人为本”的宗旨和根据使用者特征而细腻设计这一特点。“以人为本”的设计理念运用钢结构这一新鲜的结构形式，住宅中将会倍感变化，而他们的认同，才是新的住宅建筑结构形式是否得到承认的关键所在。相比于其他的建筑类别，住宅更应该体现“以人为本”的设计理念。每一种住宅是为特定人群量身定做的建筑类别，其形式和建筑风格要贴切反映使用者使用方式、生活方式、审美取向。

中高层住宅钢结构有进行模数化设计的需要。模数化设计是现代建筑产业化和工业化生产的特殊要求，摒弃传统的手工作业的局面，提高建筑业从业人员的就业环境质量，降低劳动强度，为此在设计阶段就采用建筑模数化设计。模数化设计带动了配套构件的工业化生产，改变了相关产品的生产模式，是促进建筑业及相关产业生产发展的动力。

4、结语

中高层住宅钢结构作为一种新型的结构形式，具有自重轻、结构空间大等优点，十分适合应用于中高层民用建筑中。同时，钢材具有非常好的延性。抗震性能优于其他任何一种材料，钢结构作为一种承重结构有不同于其他结构形式的独特之处，只是其配套体系有待于进一步开发和完善。随着我国国民经济的发展和综合国力的增强,我国的中高层建筑会越来越多的采用钢结构。