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鋼框架結構體系以H型鋼或矩形鋼管做為梁、柱,以梁柱組成縱橫兩個方向的框架形成的結構體系。它同時承受豎向荷載和水平荷載。其主要優(yōu)點是建筑平面布…
鋼框架結構體系以H型鋼或矩形鋼管做為梁、柱,以梁柱組成縱橫兩個方向的框架形成的結構體系。它同時承受豎向荷載和水平荷載。其主要優(yōu)點是建筑平面布置靈活,可形成較大的建筑空間,建筑立面處理比較方便。可應用于辦公樓、學校等公共建筑。
冷彎薄壁型
鋼結構體系是一種密肋型板墻體系,源于輕木結構。該體系以上下對齊的“肋”(間距一般為400~600 mm的冷彎型鋼墻柱、樓蓋梁和屋蓋梁)承受豎向荷載,以“板”(各類剪力墻板)抵抗水平荷載,“肋”同時可作為“板”的加勁件。
相比于上述鋼框架結構體系,冷彎薄壁型鋼結構體系具有加工及施工簡單等優(yōu)點,在低層建筑領域有較廣泛的應用,但冷彎薄壁型鋼構件截面小,當底層因功能需要大空間,如會議室,大門廳時,僅依靠冷彎薄壁型鋼構件難以滿足計算要求。當在冷彎薄壁型鋼房屋中局部采用H型鋼梁柱時,應該如何計算?本文結合力學相關原理及工程設計經驗,在此給出設計建議。
房屋結構除了需抵抗自重,樓面的家具、人流荷載等豎向力外,還需要抵抗風荷載及地震荷載產生的水平側向力,風荷載及地震荷載都屬于動力荷載,在低層建筑中,通常簡化為靜力荷載計算。首先了解一下房屋結構抗側力的幾種體系:
如上圖所示,三根桿件互相鉸接且與基礎鉸接,在水平力的作用下保持穩(wěn)定,這就是我們熟悉的三角形穩(wěn)定原理。但我們局住的房屋不可能像金字塔一樣,應該是矩形的。
如果是矩形,節(jié)點間仍是鉸接,顯然上述矩形在水平力的作用下會變成平行四邊形,不能抵抗水平力。
如果要讓矩形具備抵抗水平力的能力,可以在矩形對角線加設交叉的桿件,在門式剛架廠房經??吹竭@種斜撐。
也可在桿件四周圍成的區(qū)域蒙一塊薄鋼板,這種體系就是我們在冷彎薄壁型鋼房屋中的主要抗側力體系,冷彎薄壁型鋼房屋建筑是由墻體來抗側力,抗剪墻由密肋型立柱及蒙皮板(OSB板、水泥纖維板、薄鋼板)組成。
也可將矩形的上部兩個角由鉸接變成剛接,桿件間不能相對轉動,這樣就成了框架結構體系,在水平力作用下,其變形如下圖:
門式剛架在橫向一般是這種抗側力體系,在縱向一般是第一種交叉斜撐抗側力體系。
在薄壁
冷彎型鋼房屋中加設一榀H型梁柱,首先要確定這榀梁柱是否承擔側向力,兩種的計算方式有所不同,先看不承擔側向力的情況:
當房屋兩個方向沒有門窗洞口的墻體足夠多,僅有局部房間大開間時,可假定側向力全部由抗剪墻體承擔,此時柱與基礎,柱與梁計算均可按鉸接,計算可用PKPM工具箱基本構件柱模塊計算、簡支梁模塊計算,柱應考慮梁柱連接節(jié)點偏心產生的附加彎矩。柱平面內、平面外計算長度均可取基礎頂部至冷彎薄壁型鋼樓面梁頂部的距離,梁平面外計算長度可取兩倍冷彎薄壁型鋼樓面梁間距,由于梁的最大彎矩在跨中部位,因此梁的凈截面系數可取1。柱以受軸力為主,截面可采用小截面矩形鋼管,不凸出墻面。
本工程為二層辦公樓,除大廳外兩個方向墻體較多,大廳左右的墻體間距8.4米,不適合用冷彎薄壁型鋼樓面梁,設計時在兩道墻體上加3榀鋼架,考慮到懸挑雨篷,在入口軸線上的柱采用H型鋼,型鋼結構布置如下圖:
再看
H型鋼梁柱承擔側向力的情況,如果建筑在某一方向墻體較少,或兩側墻體布置極不均勻,應考慮梁柱承擔側向力,即梁柱節(jié)點剛接,否則可能導致建筑物抗剪承載力不足或地震時產生明顯的扭轉效應。
如圖所示為某二層黨群服務中心的一層布置圖,X方向墻體明顯偏少,且中間墻體偏向下部,此時應考慮梁柱承擔側向力。
如圖所示,在二層墻體對應位置處布置一榀梁柱,梁柱剛接,為減小基礎造價,柱與基礎鉸接,計算時可采用PKPM框排架計算模塊,根據受荷面積計算出梁上的線荷載,在計算左風時,左側梁柱節(jié)點力可按基礎以上至屋頂受風面積*基本風壓*0.8(體型系數),右側梁柱節(jié)點力可按基礎以上至屋頂受風面積*基本風壓*0.5(體型系數),當屋面為坡屋面時,應將墻面與屋面分開計算體型系數及受風面積。并考慮水平地震作用。
梁柱的平面外計算長度設置同梁柱鉸接,梁柱的剛接節(jié)點采用栓焊結合的方式,梁的凈截面系數可取0.85。鋼柱一般僅考慮單方向平面內受力,因此宜采用H型鋼。
上述計算方法忽略了樓板剛度對于水平力分配的影響,也可按樓板剛性樓蓋假定,計算出抗剪墻及鋼框架的等效抗側剛度,房屋受到的總風力及總地震力,按剛度分配水平力,最后取兩種計算方法的包絡值。
綜上所述,在冷彎薄壁型鋼房屋局部大空間中采用H型鋼梁柱時,梁柱鉸接時連接構造簡單,柱截面小,可以隱藏在墻體內。當房屋兩個方向墻體布置較多且均勻時,宜優(yōu)先采用此方案;當墻體平面布置不滿足要求時,應采用梁柱剛接方案。為便于采購,成品H型鋼設計時應選用Q235強度等級。