建筑工程室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)加層設(shè)計(jì)

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前言

建筑的主要功能之一便是舒適度，因此，在建筑工程滿(mǎn)足安全和舒適度的同時(shí)，在對(duì)室內(nèi)加層的設(shè)置時(shí)，需要滿(mǎn)足建筑凈空的要求，這就要求設(shè)計(jì)合理的室內(nèi)加層結(jié)構(gòu)形式，并選取合適的結(jié)構(gòu)材料和結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面，從而保證建筑功能的最大限度的實(shí)現(xiàn)。而鋼筋混泥土和鋼材是現(xiàn)代建筑的主要原材料，由于室內(nèi)加層受到整個(gè)主體建筑的布局和設(shè)計(jì)載荷等因素的制約，這就要求室內(nèi)加層需要有較輕的自重，并且需要強(qiáng)度高、截面小，同時(shí)還需要滿(mǎn)足環(huán)保的要求。而鋼結(jié)構(gòu)室內(nèi)加層技術(shù)具有布局靈活、自重輕、輕度高、延性好、截面小、對(duì)主體結(jié)構(gòu)影響小等特點(diǎn)，并且材料可回收利用，符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，使得鋼結(jié)構(gòu)成為室內(nèi)加層結(jié)構(gòu)的理想選擇。

1建筑室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)加層設(shè)計(jì)的應(yīng)用工程實(shí)例

1～2層為裙房，商業(yè)用途，3～12層為商住綜合用途。建筑的主體結(jié)構(gòu)柱、墻等豎直構(gòu)件混凝土強(qiáng)度為C40，梁、板等水平構(gòu)件為混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，鋼梁、鋼柱采用Q235。

2建筑室內(nèi)加層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究方法

建筑工程室內(nèi)加層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要有鋼框架和混凝土框架兩種結(jié)構(gòu)形式，通常我們可以通過(guò)以下方法來(lái)對(duì)室內(nèi)加層鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究:

(1)多方案理論對(duì)比研究法。與鋼結(jié)構(gòu)室內(nèi)加層結(jié)構(gòu)相比，鋼筋混凝土室內(nèi)加層結(jié)構(gòu)的自重和剛度都較大，這樣可能會(huì)導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)的部分構(gòu)件如柱、強(qiáng)等荷載增大，延性減小，抗震性能有所減弱，安全效果不理想。通常我們可以通過(guò)對(duì)不同的室內(nèi)加層結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行方案對(duì)比，從而給定設(shè)計(jì)的參數(shù)和準(zhǔn)則，這樣有利于設(shè)計(jì)的計(jì)算和技術(shù)的推

(2)數(shù)值計(jì)算模擬仿真分析法。該種分析方法主要運(yùn)用相關(guān)軟件對(duì)不同的室內(nèi)加層結(jié)構(gòu)方案建立計(jì)算模型，并進(jìn)行比較分析研究。通?？梢韵扔肞KPM軟件建立計(jì)算模型，然后用SATWE軟件進(jìn)行計(jì)算。

3鋼框架結(jié)構(gòu)和混凝土框架結(jié)構(gòu)室內(nèi)加層設(shè)計(jì)的對(duì)比研究

通過(guò)上述研究方法，我們對(duì)上述工程實(shí)例進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)的室內(nèi)加層設(shè)計(jì)，進(jìn)而對(duì)比兩者加層后的效果。

(1)鋼框架結(jié)構(gòu)室內(nèi)加層方案。針對(duì)建筑的實(shí)際條件和主體結(jié)構(gòu)的布置，使用鋼結(jié)構(gòu)來(lái)對(duì)室內(nèi)加層。為了鋼設(shè)置鋼柱腳底板的方便與可靠，在主體建筑結(jié)構(gòu)體系的框架梁上設(shè)置鋼柱，并根據(jù)建筑室內(nèi)的額分隔來(lái)設(shè)置鋼柱柱網(wǎng)，使鋼柱截面寬與隔墻厚度保持一致，取值20cm，保證鋼柱的的布置不影響建筑的效果。同時(shí)為了保證建筑凈空的高度，多數(shù)鋼梁截面高應(yīng)小于等于35cm。加層結(jié)構(gòu)的水平方向跨度相對(duì)較大為11m，并且剛度較弱，則，在加層設(shè)計(jì)時(shí)需要加強(qiáng)該方向的抗震性設(shè)計(jì)。而在EH軸和3、4軸，5、6軸之間的區(qū)域，應(yīng)加大箱型鋼柱截面的厚度，與中間的核心筒形成雙口型加強(qiáng)區(qū)。口型外連接的箱型鋼柱截面厚度也應(yīng)加大。其余鋼柱截面厚度滿(mǎn)足需求即可。

(2)混凝土框架結(jié)構(gòu)室內(nèi)加層設(shè)計(jì)方案。選取混凝土框架柱截面的最小寬度為30cm，由于加層結(jié)構(gòu)混凝土柱底荷載較大，容易導(dǎo)致建筑主體結(jié)構(gòu)樓面難以承受，依據(jù)主體結(jié)構(gòu)的平面布置，可不另設(shè)混凝土柱，框架梁截面寬度取20cm。同樣水平跨度較大為11m，需要加強(qiáng)該方向的抗震設(shè)計(jì)。而水平方向的加層結(jié)構(gòu)易加大框架梁截面高度。由于混凝土框架結(jié)構(gòu)的自重較大，這樣容易增加建筑的基礎(chǔ)載荷，截面高度大，很難滿(mǎn)足凈空的要求，也不方便以后室內(nèi)的改造。

4建筑室內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)加層與混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的比較

我們通過(guò)以下技術(shù)指標(biāo)來(lái)對(duì)比兩種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)缺點(diǎn):

(1)總的自重。根據(jù)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算可得，鋼框架室內(nèi)加層結(jié)構(gòu)體系的活載總質(zhì)量為2917t，恒載總質(zhì)量為30485t，結(jié)構(gòu)總質(zhì)量33402t，而混凝土框架室內(nèi)價(jià)加層結(jié)構(gòu)體系的活載總質(zhì)量2919t，恒載總質(zhì)量為31588t，結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為34507t。其中，活載總質(zhì)量為折減后的結(jié)果，而恒載總質(zhì)量包含自重和外恒載。

(2)鋼比重。通過(guò)計(jì)算，鋼結(jié)構(gòu)加層結(jié)構(gòu)體系的水平和豎直鋼比重分別為:12.23、33.79;混凝土框架的加層結(jié)構(gòu)體系的水平和豎直鋼比重分別為:12.25、33.13。其中，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定驗(yàn)算結(jié)構(gòu)宜大于1.4或2.7;鋼框架與混凝土框架鋼比重相等。

(3)基本周期的比較。鋼結(jié)構(gòu)加層架構(gòu)體系的水平和豎直方向以及扭轉(zhuǎn)基本周期分別為:1.2234s、0.7284s、0.8087s;混凝土框架的水平、豎直方向和扭轉(zhuǎn)的基本周期分別為:1.2275s、0.7398s、0.8377s。其中，兩種結(jié)構(gòu)的基本振動(dòng)周期相等。

(4)有效質(zhì)量系數(shù)的比較。通過(guò)計(jì)算鋼框架加層結(jié)構(gòu)體系的水平和豎直方向的有效質(zhì)量系數(shù)分別為:98.63、98.95;混凝土框架加層結(jié)構(gòu)體系的水平和豎直方向的有效質(zhì)量系數(shù)分別為:98.61、98.92。其中，有效質(zhì)量系數(shù)應(yīng)當(dāng)大于90%，且兩者該系數(shù)近似相等。

(5)剪重比。剪重比在每層都有，是反映主體結(jié)構(gòu)剛?cè)岢潭鹊闹笜?biāo)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，鋼結(jié)構(gòu)框架的水平和豎直方向的剪重比分別為:5.69、8.65;混凝土結(jié)構(gòu)的則分別為:5.69、8.59。二者的剪重比相等。

(6)地震下頂點(diǎn)的位移。經(jīng)計(jì)算，鋼框架水平和豎直方向的頂點(diǎn)位移分別為:42.3、23.2，;混凝土框架結(jié)構(gòu)則分別為:42.4、23.6。通過(guò)上述綜合技術(shù)指標(biāo)計(jì)算的數(shù)據(jù)可知，雖然采用兩種方案的有效質(zhì)量系數(shù)均滿(mǎn)足大于90%的要求，并且剪重比也滿(mǎn)足大于3.2%的要求，但，鋼結(jié)構(gòu)的總重較輕，對(duì)于主體結(jié)構(gòu)的承重有利，并且不會(huì)增大主體結(jié)構(gòu)的載荷。

5結(jié)論

綜上所述，通過(guò)對(duì)比鋼結(jié)構(gòu)室內(nèi)加層與鋼筋混凝土室內(nèi)加層多個(gè)技術(shù)指標(biāo)的分析可以得出如下結(jié)論:

(1)鋼結(jié)構(gòu)室內(nèi)加層設(shè)計(jì)和鋼筋混凝土室內(nèi)加層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)主體結(jié)構(gòu)均無(wú)不利影響。

(2)從結(jié)構(gòu)材料來(lái)看，兩種設(shè)計(jì)方案都能夠滿(mǎn)足安全的性能，但是鋼結(jié)構(gòu)自重較輕，每層約有1.4kN/㎡，并且強(qiáng)度高，截面小，能夠有效的滿(mǎn)足室內(nèi)凈空的要求。

(3)鋼結(jié)構(gòu)室內(nèi)的加層更加容易拆除，材料還可回收，相比于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)更加環(huán)保，雖然混凝土結(jié)構(gòu)在室內(nèi)加層中可行，但整體效果明顯不如鋼結(jié)構(gòu)。因此，建筑鋼結(jié)構(gòu)室內(nèi)加層設(shè)計(jì)比較合理，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)主體結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況來(lái)設(shè)計(jì)科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)方案，進(jìn)而保證這個(gè)加層甚至是建筑的質(zhì)量。

作者：張玉 單位：合肥工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院