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浅谈小高层钢结构住宅建筑与结构设计摘要：以某12层住宅建筑为例，介绍了该楼的建筑设计，详细分析了结构设计中钢结构框架体系在恒载、活载、风载及水平地震作用下的内力，并对构件进行了验算。关键词：小高层钢结构住宅；建筑设计；结构设计随着社会的发展、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，越来越多地应用在高层住宅建筑中。1建筑设计某12层住宅楼建筑面积6 2 m2，地上12层为住宅房间，地下1层为设备间及停车场。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结构设计1设计资料设计标高：室内设计标高00 m，室内外高差30 m。基本风压：wo＝35 kN/m2。地质资料：建筑场地至地下9 m范围内为粉质黏土，地基承载力特征值为150 kN/m2。地震设防烈度为7度。2建筑布置及计算简图的确定（1）结构体系。根据建筑设计可知，该住宅为地上12层，地下1层。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/T 1591）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。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》，已知基本分压w0＝35 kN/m2。由wk＝βzμsμz w0可知风荷载标准值。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10 g，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第二组，Tg＝40 s，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。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，主要是由于梁柱线刚度较为接近，或梁的线刚度小于柱的线刚度，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。由《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＜60 m，且平面和竖向布置较规则，故采用底部剪力法计算水平地震作用。结构在地震作用下的层间侧移≤h/300（h为层高）。（5）内力组合。据恒、活、风以及水平地震荷载作用下的内力计算结果，即可进行框架各梁柱各控制截面上的内力组合。其中梁的控制截面在梁的两端，柱的控制截面在柱的上下端。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：35恒＋4×7活2恒＋4活0恒＋4活第二组合式：2恒＋4风0恒＋4风第三组合式：2恒＋4活＋6×4风0恒＋4活＋6×4风第四组合式：2恒＋4风＋7×4活0恒＋4风＋7×4活第五组合式：2（恒＋5活）＋3地0（恒＋5活）＋3地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/γRE（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。6经济指标分析本设计耗钢量为5 kg/m2，同国内外同类建筑相比略显保守。原因是设计中充分考虑了地震作用的影响，保证了7度抗震设防条件下结构的安全性。总之，本设计建筑方案简洁大方，结构体系合理，计算方法正确，十分适合在大中城市推广发展。3结语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。
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浅谈--轻型钢结构组合房屋的应用及问题 一、轻型钢结构组合房屋的发展和应用 1、国外轻型钢结构组合房屋应用点滴 在美国、欧洲、日本等地轻型钢结构组合房屋得到广泛应用,轻型钢结构组合房屋的专业生产厂家也很多,有的规模还很大。法国ALGECO公司是法国乃至欧洲最大的轻型钢结构组合房屋销售租赁公司。 在柱子断面设计中考虑了设置水落管和电线。该公司根据客户的要求研究开发了多种产品系列,轻型钢结构组合房屋广泛用于各种临时办公、住宿、医院、教室、健身房及贮物仓库等;用于小卖部、报亭和售票处等商业建筑;洗手间、保安等特殊用房;用于各种紧急状态、救灾等用房。也可以按照客户要求进行内外装修建成高档的组合房屋。 该公司的轻型钢结构组合房屋是以盒子单元组成的1~3层房屋。房间内部可以由几个盒子组成使用灵活的大空间,也可以用轻质板材隔断成小房间。组合房屋可以设有外廊、外楼梯或室内楼梯。单个盒子单元,是由轻型H型钢,槽钢,方钢管组成的底座;柱子,纵梁横梁采用特殊形状的冷弯薄壁型钢做成;屋面采用彩色压型钢板,保温材料和彩钢吊顶板;墙板采用彩钢夹芯板。 日本有很多轻型钢结构组合房屋的专业厂家,其中NAGAWA公司是盒子单元体系轻型钢结构组合房屋生产,销售,租赁的专业厂家,属业界第一。日本东海租赁株式会社是盒子单元和框架支撑体系轻型钢结构组合房屋生产,销售,租赁的专业厂家,1988年进入中国,先后在福建、上海、北京、西安、东莞等地投资建厂成立公司。NAGAWA公司的组合房屋主要有三种类型: a 单个盒子单元:有6种尺寸规格不同的盒子单元,可拼成各种不同型式的单层、两层组合房屋; b 连排盒子结构集成房屋:标准盒子单元的尺寸为:长度4m,6m,2m三种;宽度33m;高度697m;8种标准盒子单元可组成各种功能的单层两层组合房屋。 c 按照客户要求设计加工的高档组合房屋:组合房屋的结构仍是盒子单元,仅内外装修橱房卫生间等采用高档产品,可提供单层两层的组合房屋。 日本NAGAWA公司组合房屋具有以下优点:现场安装快捷,简单的三十分钟,复杂的一天之内可以安装完毕;可拆除可搬迁;丰富新颖的外观造型可满足不同客户的要求;抗震、抗风性能好,强度高耐久性好 组合房屋广泛用于建筑工地的临时办公室,事务所,简易仓库及储物间;用于举办大型活动的各种简易店铺;用于台风地震等救灾临时住房高档的组合房屋广泛用于旅游度假住房,事务所店铺等 日本东海工业株式会社的预制装配式轻型钢结构组合房屋可以做成1~3层房屋。其结构型式为盒子结构或框架支撑结构 盒子单元结构可以组成单层单栋、横向纵向联排组合房屋;两层横向纵向联排组合房屋,并配置各种内外楼梯。框架支撑结构体系:组合房屋标准定型,长度方向和宽度(跨度)方向均以K为模数，1K=1820mm；高度方向以P为模数，1P=895mm（墙板的宽度）。也可以按照客户的要求提供非标准规格的组合房屋。 1、国内轻型钢结构组合房屋的应用 改革开放以来我国经济高速发展、大规模的城市化建设正在进行，各个领域各种行业都处在高发展阶段，在大量的永久性建筑、构筑物及道路桥梁交通设施等建设中需要大量的临时性建筑与其配套;另外长期需要野外工作、露天工作的行业;在紧急需要、抗震救灾时;在旅游、节日人流高峰时都需要有满足不同要求的临时房屋。所以各种临时性建筑应运而生，随着时代的进步，劳动条件的改善，构建和谐社会的需要，国家对临时性建筑的安全、适用和居住条件的改善有了高的要求。其中轻型钢结构组合房屋用的越来越多,因为轻型钢结构组合房屋作为临建房屋具有很多优点。轻型钢结构组合房屋一般是指采用轻型H型钢,冷弯薄壁型钢,圆钢,小角钢及压型钢板,夹芯板组成的1~3层临时性建筑。这种轻型钢结构组合房屋是最简单也是工业化程度最高的轻型钢结构房屋。 轻型钢结构组合房屋按照结构型式不同分为板式结构,框架支撑结构,框架结构和盒子单元结构等轻型钢结构组合房屋有以下特点: 1、重量轻:组合房屋重量约为15~30kg/ 2、组装简便快速:房屋所有的构件,板材都在工厂预制好,运到现场采用螺栓,自攻螺丝,拉铆钉等连接件组装房屋建造速度很快,根据房屋型号不同,一般1个工人1天可以安装20~一栋两层200平方米的组合房屋6个工人一天半就可以安装完毕,马上即可投入使用，是工业化程度最高的钢结构建筑。 3、组合房屋属环保型建筑,施工中无建筑垃圾。 4、可以销售也可以租赁的灵活经营模式,为用户提供多种选择和服务。 5、设计标准定型,组合灵活多样;构件制作工厂化生产,加工精度高,质量好。 6、房屋可拆装,可搬迁,运输组装简便一台汽车可以装运组合房屋500平方米左右。 7、轻型钢结构组合房屋重量轻,基础简单工作量少,抗震性能好。 由于以上优点轻型钢结构组合房屋在建筑工程,铁路公路建设,石油化工,水利建设及军事工程及抗震救灾等领域的临时建筑中得到广泛应用另外在临时办公用房,临时宿舍和临时小厂房仓库等;在商店,报厅,餐馆,电话厅等商业建筑;度假房屋等旅游建筑;交通岗厅,收费站等交通设施以及环卫建筑等方面也得到了广泛的应用 去年汶川大地震后，建设部根据党中央和国务院抗震救灾工作的部署和要求，组织十几个省市为灾区建设过渡安置房,选择的结构型式就是轻型钢结构组合房屋（简称彩钢活动板房）。短短3个月，50万套活动房屋拔地而起，用作宿舍、医疗、商店、学校、办公等，在救灾中发挥了巨大作用，也充分展示了轻钢组合房屋的优点。经过二十多年轻型钢结构组合房屋得到了迅猛的发展，生产厂家大小上千家，规模大质量好的专业厂家有几十家,以雅致公司及榕东、诚栋为代表的轻型钢结构拼装式活动板房、以三河莲山为代表的移动箱型房屋、以中天房车为代表的房车型房屋、以宝钢彩钢发展公司为代表的旅游别墅房，较大的厂家有雅致、榕东、诚栋、恒鑫等。雅致集成房屋股份有限公司致力于新型集成房屋的开发与经营，在深圳及全国各地设有大型生产及配送基地，年生产能力达500万平方米，销售及服务网络覆盖全国几十个重点城市，已形成全国性经营格局。该公司己成为我国轻型钢结构组合房屋生产规摸和产量、销售和租赁最大的厂家，该公司轻型钢结构组合房屋在北京奥运场馆、广州地铁、成都新建工程的临建房屋中得到大量应用。去年汶川大地震首先捐助2万平方米活动房屋到灾区，而后在过渡安置房的建设中承建了171万平方米活动房，作出了巨大贡献，胡锦涛总书记曾视察该公司廊坊工厂，对他们的救灾工作给予很高评价。榕东活动房股份有限公司是合资公司,全套引进日本组合房屋的先进技术和设备，在漳州、北京、上海及西安均设有分公司及工厂，是目前技术水平高、实力较强的活动房屋公司。其房屋在福建沿海、北京、上海及西北地区得到大量应用。北京诚栋房屋制造有限公司是国内最早生产活动房屋的专业厂家。该公司研究开发能力强、技术水平先进，其产品销往海外十多个国家，是国内活动房屋行业外贸出口经营业绩最好的企业之一。在北京建国五十周年阅兵训练用房、小汤山应急医院及青藏铁路建设的临建房屋中得到大量应用，其质量得到一致好评。在汶川大地震后捐赠了灾区第一所轻钢房屋学校，而后又建造了22万平方米活动房屋，在抗震救灾中作出很大贡献。 二、轻型钢结构组合房屋的问题及建议 1、规范市场、加强质量管理，保证房屋安全使用 如上所述临时性建筑的需要量很大而且逐年增加，是一个相当大的市场。但是，目前国内临建市场比较混乱，房屋良莠不一，安全质量事故时有发生。有的临建在使用中突然倒塌，有的被风吹倒了，有的发生火灾烧毁了，有的在安装或拆卸时倒坍了等等，造成人员伤亡和财产损失，所以保证临建房屋的安全使用迫在眉睫。国内外的实践经验证明轻型钢结构组合房屋是一项很有发展前途的新技术新产品，但是由于在我国应用时间不长，在设计标准和加工质量上管理欠缺，反映在使用中的主要问题有：屋面漏水、柱子、梁和屋架等钢构件加工安装质量不高,钢构件锈蚀问题，防火问题等等。这些问题和轻型钢结构组合房屋的设计和加工不规范有很大关系。 2、尽快解决设计依据和产品标准问题 轻型钢结构组合房屋属于临时性建筑，按照国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-2001的规定，组合房屋设计使用年限为5年，结构在规定的设计使用年限内应满足安全、适用、耐久等使用功能要求，为保证建筑结构具有规定的可靠度，除应进行必要的设计计算外，还应对材料性能、施工质量、使用和维护进行相应的控制。对控制的具体要求，应符合有关设计施工标准的专门规定。目前我国对于临建用的轻型钢结构组合房屋还没有专门的标准、规定和参考图集。目前这种房屋处于设计随意或缺失，市场混乱产品质量难以保证。只有北京市建委编制了《建设工程施工现场临建房屋技术规程（轻型钢结构部分）》DBJ01-98-2005，中国标准化协会《拆装式活动房屋》CAS154-2007，这两本标准还有待完善，国内大部分地区的组合房屋还处于临时建筑不被重视或无人管理状态，所以使用中倒坍、火灾、风灾损毁的情况时有发生，有的还非常严重造成人员伤亡财产损失。所以为了满足国内使用和出口的要求，尽快组织编制建设部轻型钢结构组合房屋产品标准和标准图集十分必要。 3、积极开展轻型钢结构组合房屋的研究开发 为了使轻型钢结构组合房屋这个产品健康发展，目前要组织厂家进行以下方面研究： a 尽快组织编制轻型钢结构组合房屋标淮，使该产品设计、制作、安装、使用有章可循。尽快组织编制轻型钢结构组合房屋通用或标准图集，以规范市场保证质量。这种房屋产品虽小虽简单不被重视，但任其恶性竞争也会造成损失并最终被淘汰。 b 在学习国外先进技术的基础上,结合我国具体情况研究开发适合于不同地区、不同行业的系列产品，提高轻型钢结构组合房屋的标准化、定型化和工厂化水平，保证房屋质量。另外，可租可售的灵活经营符合节能减排文明施工的方针也值得推广。 c 进行活动房屋防火性能研究，例如夹芯板内侧不用彩钢板改为防火性能好的板材，内隔墙不用彩钢夹芯板改用其它防火性能好的板材，柱和屋架采用防火板包覆等，保温材料可否改用防火性能好的岩棉等等。对改进部分进行必要的防火性能试验。 4、对轻型钢结构组合房屋防火问题的探讨：最近一段时间不断发生二三层活动房屋宿舍火灾事故，造成人员伤亡财产损失，为此有的地区消防部门提出彩钢板活动房不适合用于宿舍，更有甚者说区内凡发现彩钢板建筑该拆就拆，该改就改。这说明彩钢活动房屋的防火研究及规范设计施工、规范市场己到了刻不容缓的地步。在目前还没有活动房屋专业标准的情况下，轻型钢结构组合房屋的防火仍应遵守国家标准《建筑设计防火规范》GBJ16-87（2001年版）的有关规定。 轻型钢结构组合房屋属于临时性建筑，可以按照规范第1条规定，耐火等级为四级，最多允许层数2层，防火分区间最大允许长度60米，每层最大允许建筑面积600平方米。备注要求对于学校、食堂、菜市场、托儿所、幼儿园、医院等不应超过一层。 另外，按照规范第1条表1的规定，对于耐火等级为四级的建筑物其构件的燃烧性能和耐火极限为：多层柱子为难燃烧体，耐火极限5小时，单层柱子可为燃烧体；梁为难燃体，5小时；楼板为难燃烧体，25小时；屋顶承重构件、疏散楼梯及吊顶均为燃烧体；墙体：非承重外墙、疏散走道两侧的隔墙及房间隔墙为难燃烧体，25小时。 按此规定目前轻型钢结构组合房屋在层数上3层是不符合防火要求的；作为学校、食堂超过一层的也不符合规定；2层3层组合房屋钢柱和无吊顶的钢梁耐火极限达不到5小时要求；不少活动房屋的防火区间和每层建筑面积都超过规范规定的防火区间最大允许长度60米和每层最大允许建筑面积600平方米的规定，而且对于疏散楼梯的间距数量也为省钱随意减少。 另外在保温材料的性能质量、电线设置安全及使用规定等方面都存在不少问题。这些防火隐患必须尽快组织研究解决，否则会影响轻钢组合房屋的生存和健康发展。总之，当今社会活动房现象越来越多了，集装箱改装房也越来越多了。
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