钢结构住宅降低用钢量方法

1钢结构建筑结构设计要点和降低用钢量方法结题报告宝钢建筑系统集成有限公司二○一三年三月2钢结构建筑结构设计要点和降低用钢量方法结题报告技术指导：高光虎、孙绪东项目负责人：田海项目研究人员：田海宝钢建筑系统集成有限公司二○一三年三月声明:本作品权益属宝钢建筑系统集成有限公司所有。所含信息、专有技术应予保密。未经本公司书面许可，不得修改、复制、提供或泄漏给任何第三方。3目录第1章概述……………………………………………………………………11.1控制钢结构用钢量的意义……………………………………………11.2本报告研究的对象……………………………………………………1第2章建筑、结构的概念和方案的优化设计………………………………42.1自然条件的精确掌握…………………………………………………42.1.1抗震设防分类标准……………………………………………42.1.2荷载……………………………………………………………92.2平面布置原则………………………………………………………232.3平面的长宽比………………………………………………………242.4高宽比………………………………………………………………252.5建筑层数和高度的影响……………………………………………262.6立面形状……………………………………………………………26第3章结构规范体系的选择…………………………………………………27第4章结构选型………………………………………………………………334.1钢框架体系…………………………………………………………334.2钢管混凝土柱框架体系……………………………………………334.3钢框架（钢管混凝土柱框架）－支撑体系…………………………344.4钢框架－内藏钢板支撑剪力墙体系………………………………364.5钢框架－钢板剪力墙体系…………………………………………374.6交错桁架体系………………………………………………………384.7钢框架－钢筋混凝土核心筒体系…………………………………394第5章材料……………………………………………………………………415.1高层建筑用钢要求…………………………………………………415.2焊接H型、高频焊接H型钢、热轧H型钢三者的比较…………415.3圆管和方管截面的选用原则………………………………………42第6章结构分析和软件实现技巧……………………………………………446.1PKPM（STS）中和钢结构用钢量设计相关的参数选择……………446.2弱支撑框架弹性稳定计算的实用方法……………………………47第7章构件设计………………………………………………………………497.1框架梁………………………………………………………………497.2非框架梁………………………………………………………………527.3框架柱………………………………………………………………547.4支撑…………………………………………………………………54第8章楼板设计………………………………………………………………57第9章构造要求和细节……………………………………………………609.1次梁和主梁的连接…………………………………………………609.2方管柱和H钢梁的连接节点…………………………………………609.3十字型柱的截面构造…………………………………………………6351第1章概述1.1控制钢结构用钢量的意义建筑钢结构的经济性能一直是大家最为关注的一个问题。如何控制工程造价，充分发挥钢结构建筑技术经济上的综合优势，工程设计是一个非常重要和关键的阶段，据权威资料统计分析，在方案和初步设计阶段，影响工程造价的可能性为75%~95%；在技术设计实施阶段，影响工程造价的可能为35%~75%；在施工图设计阶段，影响工程造价的可能性5%~35%。因此控制设计各阶段的质量、进行相应的设计优化对工程造价将产生直接的影响。1.2本报告研究的对象钢结构建筑的应用范围很广，主要包括厂房钢结构、低多层轻钢结构、多高层钢结构、大跨度钢结构、高耸和塔桅钢结构、桥梁钢结构以及一些移动钢结构。从建筑的使用功能上来讲，建筑类型可分为民用建筑、工业建筑和农业建筑三大类型。民用建筑又分为居住建筑和公共建筑两大类。居住建筑指供生活起居用的建筑，如住宅、宿舍、酒店式公寓等；公共建筑指进行社会活动的非生产型建筑，如办公建筑、文教建筑、医疗建筑、商场建筑、观演建筑、展览建筑、交通通讯建筑、园林建筑等。本手册主要关注采用低多层轻钢结构和多高层钢结构为载体的民用建筑的结构优化设计。民用建筑中采用的大跨度钢结构包括网架、网壳、空间桁架、张弦等结构形式不在本报告的研究之范围。在确定了本报告的研究范围之后，有必要对相关建筑类型从现行的建筑和结构规范的角度加以梳理和分类，以方便后续结构优化设计的方法讨2论。按《民用建筑设计通则》（GB50352-2005）第3.1.2条之规定：民用建筑按地上层数或高度分类划分应符合下列规定：（1）住宅建筑按层数分类：一层至三层为低层住宅，四层至六层为多层住宅，七层至九层为中高层住宅，十层及十层以上为高层住宅；（2）除住宅建筑之外的民用建筑高度不大于24m者为单层和多层建筑，大于24m者为高层建筑（不包括建筑高度大于24m的单层公共建筑）；（3）建筑高度大于100m的民用建筑为超高层建筑。《建筑设计防火设计规范》GB50016-2006和《高层民用建筑设计防火规范（2005版）》GB50045-95也有对于上述划分的相同规定。但是突出了将首层设置商业服务网点的住宅也归于居住建筑的规定。其中《建筑设计防火设计规范》GB50016-2006中第1.0.2条对建筑的高度和层数有如下具体规定：（1）建筑高度的计算：当为坡屋面时，应为建筑物室外设计地面到其檐口的高度；当为平屋面（包括有女儿墙的平屋面）时，应为建筑物室外设计地面到其屋面面层的高度；当同一座建筑物有多种屋面形式时，建筑高度应按上述方法分别计算后取其中最大值。局部突出屋顶的瞭望塔、冷却塔、水箱间、微波天线间或设施、电梯机房、排风和排烟机房以及楼梯出口小间等，可不计入建筑高度内。（2）建筑层数的计算：建筑的地下室、半地下室的顶板面高出室外设计地面的高度小于等于1.5m者，建筑底部设置的高度不超过2.2m的自行车库、储藏室、敞开空间，以及建筑屋顶上突出的局部设备用房、出屋面3的楼梯间等，可不计入建筑层数内。住宅顶部为两层一套的跃层，可按1层计，其它部位的跃层以及顶部多于2层一套的跃层，应计入层数。由上述建筑规范可见，住宅、宿舍等居住类建筑是按层数来划分是否为高层，其他类建筑按照建筑实际高度来划分是否为高层。结构规范中涉及到上述内容的有《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第1.0.2条，本规程适用于10层及10层以上或房屋高度大于28m的住宅建筑以及房屋高度大于24m的其他高层民用建筑混凝土结构。该规程中第11章规定混合结构的结构设计，其中有一部分涉及到钢结构的相关规定。另《高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程》CECS230-2008中第1.0.2条规定本规程适用于10层及10层以上或房屋高度超过28m的高层建筑钢-混凝土混合结构的设计。上述两本结构规程对高层建筑的界定并不完全统一。综合上述建筑和结构规范，建议高层建筑的界定如下：（1）对于住宅（包括首层设置商业服务网点的住宅）、宿舍、酒店式公寓等居住建筑，当建筑物层数为10层及10层以上，或房屋高度大于28m时，认定为高层建筑；（2）对于带两层及两层以上商业的住宅、其他多层民用公共建筑，当房屋高度大于24m时，认定为高层建筑。房屋高度为自室外地面至房屋主要屋面的高度，不包括突出屋面的电梯机房、水箱、构架等高度。4第2章建筑、结构的概念和方案的优化设计在民用建筑设计中，往往建筑方案确定后，结构的成本也基本确定了60%～70％，剩下的30%～40％的成本可通过结构方案的优化和精细化设计来控制。控制结构用钢量是成本控制的首要问题，必须从方案阶段着手，重视结构的概念设计。概念设计，是指设计人员在从结构选型、布置，分析计算，截面设计到细部处理的整个设计过程中，对所遇到的问题依据建筑结构在各种情况下工作的一般规律（主要是建筑、结构专业的基础理论），结合实践经验，综合考虑各方面因素，确定合理的分析、处理方法，力求得到最为经济、合理的结构设计方案。宏观上把握方案，无论是建筑和结构专业，可以从以下方面入手。2.1自然条件的精确掌握2.1.1抗震设防分类标准对《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223-2008）进行深入理解后发现，建筑工程抗震设防类别划分的基本原则是从抗震设防的角度进行分类，即根据建筑遭遇地震破坏后，可能造成人员伤亡、直接和间接损失、社会影响的程度及其在抗震救灾中的作用等因素，将各类建筑划分为不同的抗震设防类别，采取不同的设计要求。而在一个较大的建筑中，区别对待有不同使用功能的建筑区段，分别划分其设防类别，即为“按区段设置结构抗震设防类别”的思想。分类对待、突出重点是在现有技术和经济条件下减轻地震灾害的重要对策之一。“区段”是一个最为重要的概念。“一个区段”指的是：具有同一建筑功能的相关范围，考察的是人员的聚集程度（注意，人流是否密集是关键），5与结构是否设置防震缝并无直接关系（防震缝作为区段的划分标志是有条件的，只有当防震缝两侧结构单元因建筑功能不同而被建筑隔墙隔开时，防震缝两侧的结构单元才可分为不同区段），而与建筑功能分区及不同区段出口设置有关。结合工程实际，不同区段主要有以下情况：（1）防震缝分开的不同结构单元；（2）同一结构单元，上下楼层建筑功能显著不同，划分为不同区段；（3）同一结构单元，平面内使用功能显著不同，划分为不同区段。情况（1）：防震缝分开的结构单元，抗震设防类别的划分（a）各结构单元可根据本单元的建筑功能单独划分其抗震设防类别。防震缝分开的结构单元，若各单元功能单一且有单独的疏散出入口，各单元独立承担地震作用，彼此之间没有相互作用，地震发生时人流疏散较容易，因此可按本单元的建筑功能单独划分其抗震设防类别。（b）对于需按功能面积、人流量、座位数等要素确定抗震设防类别时（如商业建筑、影剧院等），可根据本单元的统计值划分其类别。对于面积较大的多层商业建筑，若设置防震缝将其分成若干个结构单元，且各单元满足相关消防规范要求，有单独的疏散出入口，则各单元可根据本单元的人流量、商业面积来划分其抗震设防类别。由此可见，合理设置防震缝，不仅能改善结构的平面规则性、竖向规则性，也可能影响抗震设防类别的划分，直接影响建筑功能、结构安全及工程造价。例如：某多层大型商业，总建筑面积4.78万平方米，远大于建筑面积1.7万平方米或营业面积7000m2的要求。若设计为整体结构，本工程无疑应划为重点设防类；现按结合其建筑平面设置防震缝，将其划分为四个结6构单元，并有独立的人流疏散系统，各单元面积及人数均未达到“大型商场”的标准，设防类别均为标准设防类（图2.1）。图2.1某大型多层商业防震设置示意图（c）由防震缝分开的各结构单元并不能直接视为不同区段，分别划分其抗震设防类别；应根据规范提高抗震设防标准的目的，判断各结构单元是否能独立实现其设防目标，以此来判断各结构单元是否能作为区段分别划分其抗震设防类别。如商场、剧场等人员密集建筑，提高其设防类别是为了避免人员伤亡；因此各单元应有独立的人流疏散体系，保证人员安全，才能将由防震缝分开的各结构单元单独划分其抗震设防类别。基础设施建筑（如电力、通讯、交通、城市生活供给等建筑），规范提高抗震设防的标准是保证此类建筑在地震时使用功能不能中断或能尽快恢复，所以此类建筑设置防震缝时，主功能房结构单元除应满足建筑功能要求外，应具备满足基础设施正常使用的配套设备系统；如配套系统位于另一结构单元，则此结构单元的设防类别也应达到相应类别，并保证不因防震缝的设置影响设防目标。情况（2）：同一结构单元上下楼层建筑功能显著不同时，抗震设防类别的划分7（a）同一结构单元内，上下楼层建筑功能显著不同时，可将