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　　从设计角度分析了钢结构住宅体系的特点，介绍了异形钢柱住宅项目的设计思路。 对框架结构中采用不同阻尼比、基础方案等问题进行数据对比分析的设计中常见问题的归纳设计标准提出不同意见。

　　一.钢结构住宅体系选择

　　从已建成的钢结构住宅来看，主要有：

　　1 )薄壁型钢组合梁面板形式；

　　2 )纯框架形式

　　3 )车架支撑形式；

　　4 )型钢混凝土组合形式；

　　5 )钢骨-混凝土抗震墙形式等。

　　这些结构形式各有特点，其中薄壁型钢复合墙板形式特别适合定型件，其体系是从墙板结构发展而来的。 即薄壁型钢柱构件间隔约600mm形成竖向承重结构，型钢之间设置支撑体系以承受水平力，楼板根据竖向钢位置配置密肋支撑结构。 由于上部结构为板壁结构，其基础根据受力情况形成条形基础，对基础要求不高。 型钢复合墙板住宅受密集结构的影响，檩条、门窗洞口、现浇构件的尺寸受到一定的限制。

　　后几种形式可以满足高层住宅的设计要求，但从使用角度看都存在共同的问题。 也就是说，梁柱的突出对住宅内部外观的影响。 住宅相对于其他建筑具有特殊性，办公、现场可采用较固定的柱网，层高也高，梁柱所占空间适宜，柱网规律有利于梁的布置。 相反住宅是变化多端的产品，根据建筑要求，很少布置规整的柱网，室内开间比较小，变化多端，不利于钢结构的布置。 由于钢材的特点，住宅只能形成框架体系或桁架体系。 可以说，只要框架体系适用于普通住宅，钢结构就一定有其发展空间。 如果普通框架结构不能解决住宅应用问题，普通钢结构体系在普通住宅中的应用也存在同样的薄弱环节。

　　受短肢剪力墙结构的启发，将钢柱设计成异形柱，以适应建筑变化的要求。 图1为两种异形钢柱截面，建筑墙体厚度减去面层厚度设定翼缘宽度，框架梁与异形钢柱各方向翼缘正好相接。 图2是相应节点的联接详图。

　　异形柱示意图

　　异形柱梁柱节点详图

　　某住宅项目三层样板间设计为异形钢柱纯框架结构，建筑采用砌块隔墙。 建成后，外部和室内外观均令人满意，与该住宅成品(混凝土剪力墙结构)的实际效果相吻合。 工业厂房设计中经常采用异形钢柱。 异形钢柱多设计为复轴对称或主受力方向单轴对称。 现场竖向采用支撑系统抵抗竖向水平力，连接杆、支撑构件多与异形柱弱轴形心轴连接，便于结构概念设计和采用杆系软件计算处理。 住宅应用异形钢柱与厂房设计有较大不同。 下图是厂房梁柱连接方式与住宅梁柱连接方式的简要比较可见，住宅中梁柱的截面形芯轴不在同一位置，不符合常规设计理念，使用条形软件计算时无法解决偏轴问题。 尽管如此，与短肢剪力墙结构相比，异形柱是将原来的大矩形框架柱截面和混凝土墙整体修正为截面积小的异形截面，相应地截面特性也减少了。 另一方面，异形柱是在一个h型钢截面上追加了t形截面，相应地增加了弱轴方向的截面特性，特别是将钢梁与钢柱的弱轴的刚性连结节点转换为与柱凸缘的连结，比在一般设计中的h型钢柱的弱轴方向上外设更好，一般来说， 由于h型钢柱弱轴的刚接不可靠，许多结构手册建议弱轴采用铰接框架和支撑体系，或采用钢管柱设计方案。 抗震规范《柱在两个相互垂直的方向上与梁刚连接时，宜采用箱形截面。 只在一个方向连接时，最好采用截面字形，将柱腹板放置在刚连接后的框架平面内。 ”规范中未明确表示不能采用工字钢柱的弱轴与钢梁刚耦合，但根据抗震规范节点抗震承载力验算要求，弱轴耦合一般不能满足相关条款的要求。 异形钢柱便于箱形柱节点加工，施工方便节约钢材，与框架支撑体系相比减少了支撑部分的设置，从应用角度看可以灵活用于住宅墙体，满足建筑师住宅内无外露结构构件的要求。

　　异形柱在结构分析中存在以下问题。

　　1 )分析异形钢柱全截面受力情况。 这里主要指的是在弱轴上增加t形构件，是否相应地增加了这部分的截面特性。 包括t型构件偏轴远近的影响在内，如果钢柱类型不同，则截面特性的增加比例也不同。

　　2 )异形钢柱局部稳定性的计算。 这可以参考规范的中柱板材的宽与宽之比进行控制

　　3 )梁柱节点与钢柱形心轴错位时的整体受力分析，普通杆系计算软件无法解决这一问题。 理想的计算模型应该采用有限元整体建模方式进行内力分析，可以解决上述问题，但建模工作量太大。

　　设计中，根据以下原则确定柱的截面。

　　1 )根据方钢管柱方案进行结构分析，根据计算应力比结果接近0.9的情况选定框架梁截面尺寸，根据方钢管截面特性选取第一个x、y方向的h型钢截面，计算时不考虑腹板作用，初步确定异形柱截面；

　　2 )根据工字钢柱方案进行结构分析，对异形柱t形构件的布置方向，采用柔性支撑代替异形柱中t形构件在工字钢弱轴上的刚度影响，根据有侧移钢框架计算，调整异形柱中工字钢截面尺寸； 完工后，调整工字钢和柔性支撑布置方向，控制由t形件和工字钢腹板组成的工字钢截面尺寸；3 )根据上一步建立的模型，选择汉字钢强轴所在的单乐框架进行抗震验算，仅参考汉字柱强轴应力计算结果，检查异形柱单向受力是否满足；

　　4 )根据上述计算结果，手工计算梁柱节点抗震承载能力，基础设计时考虑偏轴产生的附加弯矩；

　　5 )用普通工字钢柱和方钢管柱在无支撑框架体系中分别进行正常设计，其中钢梁按设计选择的截面计算，根据合适的计算结果统计钢柱用钢量，控制异形柱用钢量的上下限。

　　上述方法没有依据的计算公式和条文，偏轴引起的附加弯矩对整体的影响没有进一步处理。 这是笔者仅应用于二、三层住宅设计，在更高的工程中不使用异形钢柱的原因。 笔者提出了异形钢框架方案，希望得到大家的批评和指正。

　　二.设计细节问题

　　1、总体计算时应选用合适的结构阻尼比，除按抗震规范要求专门规定外，建筑结构阻尼比应为0.05。 阻尼比在0.05以下时，应修正地震影响系数曲线。 钢结构相关阻尼比的选取值见表1

　　表1不同结构阻尼比的适用值

　　从表1的数据可以看出，不同钢结构体系的地震影响系数不同，在结构分析中选择阻尼比错误可能会对设计结果产生较大影响。 其中钢管混凝土和钢骨混凝土的混合结构是两种材料共同作用的，在选择阻尼比时应根据两种材料的适用比例综合考虑阻尼比，结构整体刚度越软，阻尼比选取值越低。

　　立柱支腿的设计

　　常见的柱脚为埋入式、外包式、外露式。 住宅设计中多采用外露式，与其他两种方式相比，更容易现场安装、定位。 设计时应注意的是，柱脚的刚度是通过底板的弹性变形或塑性变形实现的。 也就是说，结构整体变形包括钢结构自身变形和底板受拉变形后发生的整体变形。 例如，在分析内力时，应将露出公式视为刚性柱脚，考虑层间位移角限值有一定裕度，同时考虑基础钢柱弯矩逆弯矩引起的柱顶弯矩增大。

　　根据节点设计要求，在罕遇地震情况下，为了避免柱脚节点先于钢柱发生破坏，柱脚节点连接处的极限抗折承载力应大于1.2倍钢柱的全塑性抗弯承载力(Wpnxf  )。 常用的设计方法是根据柱脚反力确定柱脚螺栓直径，通过焊接连接，只能保证柱脚节点在地震多发时具有一定的强度，不受破坏。 柱脚弯矩设计值所需截面电阻率一般小于钢柱自身截面电阻率(Wx  )，以H628X260X10X14型钢为例，为1.2 ) wpnx/wx=1.36倍，暴露公式难以保证这一设计要求。 采用另外两种柱脚方式在传递钢柱内力时容易满足前款要求，设计中传递力明确，便于计算，结构简单，节约钢材。嵌入式柱脚结构比嵌入式简单，大多数书籍认为可靠性比嵌入式差，推荐用于单层钢结构现场，不适合高层建筑钢结构。 我们认为多层建筑钢结构是可以采用的。 许多工业项目单层厂房层高多为10~30m，厂房内设有多台吊车和大量检修平台，单柱荷载和地震作用往往大于普通住宅。 多层住宅柱脚在概念设计和计算设计符合规范要求的情况下，采用插入式也没有问题。 新的钢结构规范也增加了插入式柱脚的设计和结构规定。