钢结构住宅设计的几点总结（二）

       二、设计细节的问题
       1、 整体计算时选取合适的结构阻尼比
       根据抗震规范要求，除专门规定外，建筑结构的阻尼比应取0.05[1]，当阻尼比不等于0.05时，地震影响系数曲线应进行修正，钢结构相关阻尼比选取值见表1。
表1  不同结构阻尼比应用值    
结构类型 阻尼比ξ 阻尼调整系数η2 曲线下降段衰减指数γ 直线下降调整系数段η1
一般混凝土结构 0.050 1.00 0.900 0.020
单层钢结构 0.050 1.00 0.900 0.020
12层以下钢结构 0.035 1.13 0.922 0.022
12层以上钢结构 0.020 1.32 0.950 0.024
罕遇地震钢结构 0.050 1.00 0.900 0.020
钢管混凝土结构 0.035~0.050 1.13~1.00 0.922~0.900 0.022~0.020
钢-砼混合结构 0.040 1.08 0.914 0.021
         从表1中数据可以看出，不同的钢结构体系有不同的地震影响系数，如果在结构分析时错误选择阻尼比对设计结果会产生较大影响,其中钢管混凝土和钢-砼混合结 构由于是两种材料共同作用，在选取阻尼比时，应根据两种材料应用比例综合考虑阻尼比，结构整体刚度越柔，阻尼比选值越低。表2是按四种结构类型进行计算的 结果对比，统一按五层框架结构建模，框架平面尺寸7.0mX7.0m各四跨计算，层高均为3.30m，编号1，2为混凝土结构，编号3，4为钢结构，抗震 设防烈度八度，第一组，Ⅲ类场地土，结构计算采用PKPM系列软件。编号1，3，4采用相同楼面荷载，在编号2中将楼面永久荷载调整后使其荷载总质量与编 号3相近，编号4的例子为多层钢框架结构，但阻尼比按0.050选取的计算结果；
       从表2的数据可以看出：在荷载总质量相同情况 下（编号1，3相比），钢框架的基底总剪力及底部总弯矩要大于混凝土框架的结果；从编号3，4的计算结果可以看出，钢结构计算时选取阻尼比越大，则层间位 移角、基底剪力和底部总弯矩越小，设计时会造成钢结构本身构件验算误差，还会造成基础设计失误。特别应注意，钢结构抗震计算以12层为计算分界点，阻尼比 分别为0.020和0.035，笔者认为计算结果跨越太大，建议在8～11层的整体分析时，特别是高烈度地区应适当调整阻尼比数值，可采取插值法选取，或 按0.035与0.020值进行对比补充验算。从表中还可以看出，在荷载总质量相同情况下（编号2，3相比），混凝土框架结构的地震效应计算结果小于钢结 构，我们常说钢结构抗震性能优于混凝土结构，在计算设计上也是有区别的，规范[1]中第8.1.3条强制性条文就是强调这个问题。
表2   不同类型结构计算结果对比
编号 结构类型 阻尼比 荷载总质量（t） 主振型基底剪力(kN) 周   期 楼层号 最大层间位移角 各层地震力统计
    第一周期（s） 第二周期（s） 第三周期（s）   F(kN) M(kN·m)
1 混 凝 土 框 架 0.050正确 3483标准 1824 1.0720 0.9281 0.3267 5 1/1150 783.5 2585.5
       4 1/723 606.3 6418.9
       3 1/554 609.9 11019.5
       2 1/505 614.6 16272.2
       1 1/797 469.7 22091.3
2 混 凝 土 框 架 0.050正确 2953荷载调整与3相同 1669 0.9855 0.8582 0.3008 5 1/1269 692.3 2284.7
       4 1/793 540.0 5755.4
       3 1/606 533.3 9993.5
       2 1/554 527.0 14854.5
       1 1/878 395.3 20203.5
3 方钢管 框 架 0.035正确 2946标准 2444 0.9478 0.8140 0.2990 5 1/1069 866.8 2860.4
       4 1/625 719.5 7700.4
       3 1/466 648.5 14002.9
       2 1/414 576.6 21351.2
       1 1/592 408.7 29290.2
4 方钢管 框 架 0.050错误 2946标准 2203 0.9478 0.8140 0.2990 5 1/1183 803.5 2651.7
       4 1/695 657.6 7047.0
       3 1/519 604.7 12699.9
       2 1/459 555.1 19271.4
       1 1/655 403.0 26399.6


       2、 整体计算时应考虑基础的影响
       这里主要指基础采用独立柱基的情况，在实际应用中，由于地质勘察条件的不同，设计人员根据持力土层深度确定基础的埋深和短柱的长度。而在整体计算时不考虑 基础的存在，将首层钢柱固接在独立柱下基础上，认为基础为完全刚性，基础设计时再根据柱脚设计反力进行计算确定。但事实上土层本身是松软体，它提供给独立 柱基的嵌固作用有限，会与计算假定不相符。钢结构计算中特别是纯钢框架，地震作用下层间位移角是一个重要的控制因素，如果不考虑基础的影响而计算结果又刚 刚满足规范要求的话，那么考虑基础共同作用的情况下多半不满足规范限值要求，表3是在表2中方钢管框架的模型下增加一层2.0m高基础短柱的计算模型，基 础部分按混凝土考虑，编号5为基础短柱上设基础联系梁，编号6按独立基础短柱计算。和编号3相比，首层层间位移角分别增加15％和20％，如果编号3计算 模型在计算设计中按抗震规范中多、高层钢结构层间位移角限值1/300来控制，在图纸设计中采用独立柱基后有可能层间位移角只达到1/250，在许多建筑 中首层层高比标准层要高，因此要注意独立柱基对整体计算的影响。编号5，6相比，基础短柱上设基础联系梁要优于独立基础短柱计算模型。


表3  计算时考虑基础影响时结算结果
编号 基础类型 阻尼比 荷载总质量（t） 钢构底层基底剪力(kN) 周   期 楼层号 最大层间位移角 各层地震力统计
    第一周期（s） 第二周期（s） 第三周期（s）   F(kN) M(kN·m)
5 短柱+联系梁 0.035 3131 2483 0.9815 0.8425 0.3102 5 1/1097 851.6 2762.1
       4 1/641 687.3 7503.4
       3 1/476 629.9 13672.3
       2 1/414 559.1 20890.3
       1 1/514 378.2 28757.2
       -1 1/3439  
6 独立基础短柱 0.035 3026 2470 0.9920 0.8515 0.3135 5 1/1109 1141 2720.5
       4 1/647 755.5 7415.8
       3 1/479 591.5 13538.1
       2 1/414 427.5 20711.6
       1 1/490 263.5 28544.5
       -1 1/2593


        3、 刚接柱脚设计
         常见柱脚分埋入式、外包式、外露式。在住宅设计中多采用外露式，相比其它两种方式，其现场安装、定位方便。在设计时应注意，柱脚的刚度是靠底板的弹性变形 或塑性变形来实现的，这就意味着整个结构变形包括钢结构本身变形及底板受拉变形后引起的整体变形，如在分析内力时视外露式为刚性柱脚，设计中要考虑层间位 移角限值要有一定的富裕，同时应考虑底层钢柱弯矩反弯点下移引起的柱顶弯矩增大[2]。
       根据节点设计要求，为保证罕遇地震时不发 生柱脚节点先于钢柱破坏，柱脚节点连接处的极限抗弯承载能力应大于1.2倍钢柱的全塑性受弯承载力（Wpnx·f）才可以，常见设计方法是根据柱脚反力来 确定柱脚螺栓直径、连接焊缝,这样只能保证柱脚节点在多遇地震作用下具有一定强度而不破坏，而柱脚弯矩设计值所需截面抵抗模量一般小于钢柱本身截面抵抗模 量（Wx），以H628X260X10X14工字钢为例，1.2·Wpnx/Wx=1.36倍，外露式很难保证这项设计要求。而采用其它两种柱脚方式在转 递钢柱内力时很容易满足前项要求，设计中传力明确、计算容易、构造简单、节省钢材。
       插入式柱脚构造相比埋入式更简单，大部分书籍 认为可靠性不如埋入式，建议用于单层钢结构厂房，不适合高层建筑钢结构。笔者认为在多层建筑钢结构可以采用，因为在许多工业项目中，单层厂房层高多在 10～30m，厂房内设多台吊车及大量检修平台，单柱荷载及地震作用往往大于普通住宅的情况，多层住宅柱脚在概念设计和计算设计都满足规范要求的情况下， 采用插入式是没有问题的。新钢结构规范[3]也增加了插入式柱脚的设计和构造规定。
       4、 楼板设计
      楼板有 预制楼板、现浇楼板、组合楼板等。采用预制楼板时应考虑预制板由于温度变化、荷载分布等原因，造成楼板接缝处开裂形成的单侧翼缘附加弯矩影响，即钢梁平面 内整体抗弯应力与翼缘平面外抗弯应力双向组合后要满足折算应力限值，有些项目将楼板搁置在下翼缘上尤其要注意这个问题。压型钢板组合楼盖在钢结构住宅中应 用很多，整体分析时要考虑组合板的各向异性对框架梁的影响，包括根据楼板设置情况确定连续板或简支板、传力路径是单向还是双向、组合钢梁是按强边还是弱边 组合造成的刚度差异；楼板设计时要避免集中单向布置楼板，使结构体系形成横向或纵向承重，做到合理布置组合楼板，尽量形成双向承重结构。
        5、梁柱刚性连接设计
        梁柱间刚性连接计算可按常用设计法或全截面受弯设计法进行，当钢梁翼缘的抗弯承载力大于整个截面承载力的70％时，可采用常用设计法进行设计，小于70％ 时，应采用全截面抗弯设计法[4]，在住宅设计中，钢梁多属于前者，常用设计法计算原则为翼缘和腹板分别承担弯矩和剪力，普遍认为计算容易，结果偏于安 全。事实上根据多高层房屋钢结构梁柱刚性连接节点的抗震设计[5]和多高层房屋钢结构梁柱刚性节点的设计建议[6]  两篇文献 的介绍，不做任何处理的 将钢梁与钢柱进行栓焊等强连接是很难达到强节点弱杆件的设计要求，文献从原理上介绍加强式连接原则，设计人员应认真学习该文献的内容，对刚接节点设计要有 全新的认识，标准图集01SG519[7]对加强式节点设计有设计及构造详细说明，具体做法主要有三种方式：梁端翼缘加焊楔形盖板、梁端底部加腋、犬骨式 连接。通过笔者在实际应用后认为，三者都存在增加施工难度的问题。文献中还推荐过第四种方式：梁端翼缘加宽方式，但在标准图集中不作为主推形式介绍，当建 筑对梁宽没有要求的情况下，这种连接方式最为实用、便捷。