轻钢结构住宅框架结构体系的设计

【关键词】轻钢结构；住宅；框架结构；设计 

　　一、前言 

　　随着建筑设计行业的进步，轻钢结构住宅框架结构越来越流行，成为了当前建筑行业广泛使用的一种建筑结构体系。为了提高轻钢结构住宅框架结构使用效果，必须要分析其设计的要点。 

　　二、钢框架结构体系 

　　钢框架体系的主要受力构件是框架梁、框架柱，它们通过钢接共同抵抗竖向荷载和水平荷载。框架节点是结构整体性的关键部位，许多震害表明节点往往是导致结构破坏的薄弱环节，框架结构的侧向刚度小，属于柔性结构，在强震作用下，由于弹塑性变形所产生的水平位移较大，框架结构的自振周期长，自重小，地震荷载作用小，对抗震有利。但另一方面，高层框架由于侧向刚度小，在强震作用下的顶端水平位移和层间水平位移都过大，导致非结构构件如填充墙、建筑装修和设备管道等性破坏严重。在地震过程中，这些非结构性的破坏常常危及到生命财产的安全，而且震后的修复工作和投资往往也是很大的。 

　　钢框架体系在水平荷载的作用下产生水平位移，要满足规范的要求必须增大框架的抗侧力能力，框架体系的抗侧力能力主要取决于梁、柱刚度，要提高框架体系中梁、柱刚度，只有增大梁、柱的截面面积，而梁、柱的截面过大会影响住宅的建筑布局和室内空间，因此受水平位移限制的影响钢框架体系的住宅一般都在10层以下。 

　　三、钢结构建筑设计的原则 

　　针对钢结构建筑稳定问题，在实际设计中，我们必须遵循以下几个原则： 

　　1、结构整体布局必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求。目前结构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架和框架都是如此。为保证这些平面结构不致出平面失稳，需要从结构整体布置来解决，亦即设计必要的支撑构件。这就是说，平面结构构件的出平面稳定计算必须和结构布局相一致。 

　　2、结构计算简图和计算方法所依据的简图相一致，这对框架结构的稳定计算十分重要。目前在设计单层和多层框架结构时，经常不作框架稳定分析而是代之以框架柱的稳定计算。在采用这种方法时，计算框架稳定时用到的柱计算长度系数，自应通过框架整体稳定分析得出，才能使柱稳定计算等效力框架稳定计算。然而，实际框架多种多样，而设计中为了简化计算工作，需要设定一些典型条件。 

　　四、轻钢结构体系的主要类型 

　　针对低、高层钢结构建筑的需求，当前主要采用的几种典型轻钢结构体系类型包括以下几类： 

　　1、冷弯薄壁型钢结构体系 

　　这种结构体系的构件采用薄钢板冷弯成为C形、Z形、U形等结构件，能够的按度使用，同时也可以组合使用由于各个杆件之间的连接采用自攻螺钉进行连接，因此这种钢结构体系节点的刚性难以得到保证，其抗侧能力较差，通常只适合于1～2层的低层建筑或者是别墅 

　　2、框架结构体系 

　　当前，框架结构体系广泛的应用在多层钢结构住宅的建设当中由于其纵向与横向都设置有钢制框架，且门窗的设置较为灵活，能够提供空间较大的开间，利于住户的二次设计，能够很好的满足多种生活需求钢框架结构体系在设计的过程中充分考虑到了楼盖的组合作用，并将之应用到多层建筑当中，能够很好的满足建筑的抗侧需求但是，由于当前框架柱主要以H型钢为主，其轴向的梁柱连接刚度不足，所以在设计施工过程中需要予以谨慎处理 

　　五、轻钢结构住宅框架结构体系设计要点 

　　1、纯框架结构体系的设计 

　　纯框架结构体系是钢结构住宅的基本体系，不设置柱间竖向支撑，可以采用较大的柱距和获得较大的使用空间，结构自振周期长，对地震作用不敏感，有很好的延性。框架的梁柱连接应该采用刚接节点，以便形成抵抗风荷载以及水平地震作用的抗侧力结构。对于结构内部的一些次要的构件，如局部的平台及楼梯间等的梁柱节点，也可以采用铰接连接而不形成抗侧力结构，这样既可以简化连接构造和灵活布置，且由于仅承受竖向荷载，使构件截面尺寸相应减小。钢框架结构的侧向刚度较柔，在风荷载和水平地震作用下，将产生较大的水平位移。虽然强度也是设计时要考虑的重要条件，但是，一般情况下，由于钢材这种材料的高强度和很好的柔韧性，只要满足了《高层民用建筑钢结构技术规程》对结构层间位移限值的要求，结构构件的强度要求一般也可以满足，结构的刚度会在设计中起决定作用。目前，框架体系多用于2～3层的商场、别墅、住宅等建筑。 

　　2、框架中心支撑体系的设计 

　　当框架体系层数较多时，由于侧向作用力的增大，使得梁柱等构件尺寸也相对较大，失去其经济合理性。这时宜增设支撑，形成框架支撑体系。中心支撑体系包括十字交叉支撑、单斜杆支撑、人字形或V形支撑。 

　　K形支撑的交点位于柱中，地震时，因受压斜撑屈曲或受拉斜撑屈服引起较大的侧向变形，柱容易首先破坏，因此地震区很少采用。单斜杆支撑应该在结构中相向对称布置，并且每层中不同方向斜杆的截面面积在水平方向的投影，相差不得超过10%。交叉支撑和人字形支撑在弹性工作阶段，具有较大的刚度，层向变形小，能很好地满足正常使用的功能要求。 

　　交叉支撑在往复荷载作用下，杆件的屈曲变形只在交叉节点的一侧发展，其滞回曲线呈反S滑移形。随着循环次数的增加，其承载力下降多次循环后承载力趋于稳定，最后因低周疲劳而破坏。按支撑仅能承受拉力设计的中心支撑钢框架，其受力性能较差，抗震结构不宜采用。同时承受拉压的支撑，通过受压屈曲或者受压屈曲和受拉屈服来耗散能量，从而构成较复杂的滞回性能。 

　　人字形或V形支撑的滞回性能同样呈反S滑移形。与刚度较大的横梁相连的人字形支撑体系，在首次达到水平极限荷载后，有明显的承载力下降现象，但降幅不大。而与有限刚度横梁相连的人字形支撑体系，在往复荷载作用下，承载力下降幅度甚大，只有原来的40%左右，在设计时应该特别注意。这种体系在设计时，人字形支撑横梁应该有足够的刚度，使其在受压支撑屈曲后横梁不至弯折。 

　　3、框架偏心支撑体系的设计 

　　偏心支撑框架（EBF）是指支撑偏离梁柱节点的钢结构框架，是近二十年来发展起来的抗震结构。这种体系有很好的刚度，有极好的耗能能力以抵抗大的地震作用。它比框架中心支撑体系和纯框架体系，有相对较小的侧向位移和更均匀的层间分布。由于偏心支撑具有非常有效的控制变形能力，使得偏心支撑框架比纯框架节省钢材25%～30%，比中心支撑框架节省钢材18%～20%。设计EBF有三个变量：支撑形状、耗能梁段长度和耗能梁段的截面特性。一般先初选一个结构外形，根据抗剪设计的近似计算，选择耗能梁段的长度和截面，然后用弹性分析程序算出房屋自振周期、底部剪力、剪力沿高度的分布、结构弹性位移和框架构件的内力分布等，对支撑和柱进行合理优化。 

　　六、结束语 

　　总而言之，轻钢结构住宅框架结构体系的设计一定要更加科学合理，结合轻钢结构体系的特点，以及现代住宅的设计需要，制定合理的施工方案，提高结构设计的科学性。 

　　【参考文献】 

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　　[2]岳洪军，梁延峰.漫谈施工组织设计施工方案和技术交底[J].黑龙江科技信息.2012（04） 

　　[3]范光强，许贞亮.建筑框架一支撑结构体系探讨[J].科技风.2010（06）