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钢结构民居的应用设计

文章来源:www.gjgcj.cn   作者:顺捷钢结构编辑   发布时间:2019-02-22 16:12   浏览次数:

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施甸县摆榔乡布朗族整乡推进整乡帮扶尖山安置钢结构建设项目,地处施甸县摆榔乡政府东南侧约6 km,距县城约29 km;处M25县道公路东侧,除东南侧临近,其他三侧均为坡地,周围无管线管网,属新建场地。项目区规划总用地面积为37 100 m2,规划拟建筑物约70幢,均为两层框架结构民用建筑,层高均为3 m,考虑当地居民经济水平,建筑户型共12种,建筑面积为67~196 m2,其中67 m2、90 m2户型为单层建筑,其余为双层建筑,结构体系采用自装配式民居轻型组合支撑框架。

本工程结构的设计使用年限为 50年,建筑结构的安全等级为二级,结构重要性系数为1.0,设防烈度为8度(0.20g),设计地震分组为第二组,多遇地震作用下水平地震影响系数最大值为0.16,建筑场地类别为 Ⅱ 类,场地特征周期为0.45 s,基础设计等级为丙级,基础设计安全等级为二级,多遇地震时阻尼比为0.04。

1.结构布置

本工程建筑高7.9 m,共两层,首层和2层建筑层高均为3.0 m,建筑平面尺寸为11.4 m×9.9 m,屋面为轻质釉面仿古瓦屋面。结构嵌固端取-0.200 m(地梁顶),首层结构计算高度3.2 m,2层3 m,本工程结构采用钢框架结构支撑体系,柱采用矩形钢管柱,梁采用高频焊接工字钢,梁柱均采用Q235B材质,屋面为轻钢屋面体系,主檩条采用薄壁C型钢,结构1层楼板采用现浇混凝土板楼板。板厚为120 mm,钢柱截面主要为□150×150×6,钢梁主要截面为H250×125×3.2×6。

2.结构选型分析

1)本工程位于山顶上,进场道路为农村硬化村道,局部未硬化,交通运输十分不便利,雨天后路面湿滑泥泞,大型货车无法进入现场,现场运输不便。为了方便二次倒运,钢结构民居构件必须小型化、轻型化。传统受弯构件,型材构件质量大,故钢结构民居设计中框架柱尽量为二力杆。且梁采用板材比较薄的高频焊接工字钢,经多次调研最大柱构件质量不大于120 kg,最大梁构件质量不大于73 kg。故本工程采用钢框架支撑体系。

2)本工程为两层框架,梁柱位置传统为刚接,但是本工程采用钢框架支撑体系,框架承担的地震作用约为80%。框架抗侧力性能有限,此次结构体系考虑梁柱全部刚接和部分梁柱铰接,在满足位移角情况下对比两种结构方案的周期和基底剪力,具体结果详见表1。

由表1计算结果可知:梁柱全部刚接和部分铰接对整体基底剪力影响不大,框架侧向刚度有限,但是梁柱刚接和铰接对整体安装的造价影响较大。本工程为钢结构民居示范工程,云南省危房改造项目市场庞大,每年有50万套的危房改造任务,且大部分项目为统筹自建,无施工图、无监理、无控制、无验收、任务重大,为满足推广需求和在推广过程中严格控制质量,主体结构构件必须工厂预制,输出结构构件部品化,现场居民自装配式连接,现场无焊缝,因此梁柱全螺栓连接,梁柱全螺栓连接螺栓数量较大,考虑经济性和现场安装便宜本工程楼梯间梁柱刚接,其余梁柱连接点采用铰接体系。

3.多遇地震下计算分析

本工程结构总质量为97.061 t,最大柱截面为□150×150×6,最大梁截面为H370×120×4.5×6,抗震等级为三级,模拟施工加载1,考虑重力二阶效应,不考虑梁柱重叠部分的刚域效应。采用SATWE软件计算,多遇地震作用下计算结果见表2。从表2计算结果可以看出:结构在多遇地震作用下处于弹性状态。

4.加强措施

1)本工程楼梯间位置梁柱刚接,考虑结构用钢量和构件轻型化、小型化,框架梁为高频焊接工字钢,框架梁的宽厚比依据GB 50017—2003《钢结构设计规范》要求,突破了GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》要求。根据此项突破框架梁进行补充加强,框架梁和框架柱的强度和稳定承载力必须满足2倍地震承载力的要求。

2)本工程采用钢框架支撑体系,由于梁柱铰接,造成支撑的刚度较大,框架的刚度较小,结构底部剪力主要为支撑承担,这种情况,结构在地震作用下,支撑体系由于受拉变形过大,经内力重分布后,框架会承担比较大的地震作用,框架部分承担的剪力增大,为满足二道防线概念设计,框架部分承担的剪力必须满足GB 50011—2010第8.2.3条要求,框架部分按刚度分配计算得到地震作用应乘以调整系数,达到不小于总地震作用力的25%和框架部分计算层剪力1.8倍的较小值。调整结果详见表3。

3)本工程中2层框架柱Y方向连接的为斜梁,SATWE计算过程中柱计算长度不准确可信,为准确得到与斜梁连接的框架柱的计算长度系数,采用式(1)、式(2)计算[4]:

(2)式中:Pcr为柱失稳的极限荷载;L为构件计算长度;μ为构件计算长度系数;L0为构件几何长度。

本工程通过MIDAS/Gen软件对斜梁连接的框架柱施加单元荷载,通过屈曲分析得到构件失稳的极限荷载,通过式(1)、式(2)反算得出构件的计算长度系数,代入SATWE计算数据中复核该类型柱的承载力。

4)本工程铰接梁均考虑组合梁设计,民居墙体由当地施工队伍施工,墙体材料为当地自选材料,施工质量水平有限,且钢结构与墙材容易开裂,为防止梁受荷后下挠过大导致墙体与梁开裂,本工程严格控制梁挠度,略高于GB 50017—2003要求。具体详见表4。

5)本工程2层结构为单跨结构,且为人字形坡屋面,见图4所示,框架柱截面和人字形梁刚度、截面均较小,因此本工程采用PKPM复核2层人字形结构体系。

分析得出屋面梁受弯荷载较大、轴力较小,人字形屋面挠度较大,框架柱与1层框架梁交接处弯矩较大,人字形结构对框架柱顶侧推力较大,考虑本工程尽量采用二力杆,在柱顶、人字形屋面梁底设置张紧的圆钢。改变屋面梁和框架柱受力模式,减小柱截面尺寸和梁截面尺寸。

5.结论

1)钢结构民居设计区别于传统钢结构设计,构件必须做到轻型化。小型化、易装配化设计,通过大量使用二力杆和梁柱铰接节点满足钢结构民居易推广和易控制质量需求。2)本工程框架梁采用薄板焊接而成高频焊接工字钢,相比较于型材,钢材的力学性能得到更充分的利用,传统型材腹板的剪应力远小于钢材的力学性能指标。通过降低腹板的板厚降低含钢量和构件质量。3)云南为多民族地区,建筑外观必须遵循当地民居特色和风俗习惯,相较于其他结构体系更容易也更合理地满足了这一需求。4)本工程框架梁的板材宽厚比、高厚比突破了GB 50011—2010的规定限值,通过控制多遇地震作用构件应力和满足2倍地震作用结果,满足构件在罕遇地震作用下的延性需求。

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