钢结构住宅设计中的若干问题 
 
   一般规定
  １．钢结构，有低层和多层之分。低层一般不超过３层，用于别墅；多层用于公寓。本文介绍多层公寓住宅钢结构设计中一些问题。
  ２．超过９层为高层。１０～１２层又称小高层。抗震规范ＧＢ５００１１对１２层以下和１２层以上的房屋提出不同要求。住宅钢结构一般不宜超过１２层。
  ３．结构抗震性能与结构布置规则性有很大关系。结构布置不规则，地震时易损坏，而且除弹性设计外还要作弹塑性层间位移验算。因此应尽量使结构布置符合规则性要求。
  ４．住宅钢结构的平面布置应力求规则、对称。住宅钢结构常见的布置不规则，主要是平面不规则。如平面形状不规则，Ｌ形等，特别是支撑剪力墙偏置，明显不对称等。若楼层的{zd0}弹性水平位移超过质心水平位移的１．２倍就属于平面不规则 此时需对支撑剪力墙的配置进行调整。
结构体系选择
  １．５－６层以下的，可采用框架体系或框架－支撑体系，６层以上的可采用框架支撑体系或框架－混凝土剪力墙（核心筒）体系。多层房屋大多采用双重体系。
  ２．框架柱有Ｈ型钢柱，钢管砼柱和钢骨砼柱，后两种为组合柱。在小高层中，组合柱比Ｈ型钢柱省钢。
  ３．剪力墙比钢支撑的延性低，在大震时延性低的地震力大，延性好的地震力小，从抗大震的性能来说，钢支撑比砼剪力墙好。
  ４．钢框架－砼剪力墙体系属混合结构，对它的抗震性能目前研究还不够，未列入抗震规范，虽然现在应用较多，选用时应慎重。核心筒宜用小钢柱加强，也有利于安装。
楼板要求
  １．楼板除了承受竖向荷载并将它传给框架外，还将水平力传到各个柱上，因此楼板平面内的刚度、整体性和承载力也很重要。作为建筑要求，住宅楼板还应能隔音。
  ２．现在用得较多的是压型钢板组合楼板，叠合板加现浇层，现浇楼板等。这几种楼板的整体性都很好。钢梁宜形成组合梁，梁上要设置栓钉。
  ３．预制板中应设预埋件，与钢梁焊接。
  ４．在强震区或重要建筑，柱周边宜设置钢筋和箍筋，以免楼板在水平力下被柱子压坏。
抗震计算的基本要求
  １．对双重体系，框架部分独立承担的水平力不应少于结构底部剪力的２５％。其目的是检验框架作为抗震二道防线是否满足要求。检验方法是忽略支撑或剪力墙进行，仅对框架部分进行验算。有的单元式住宅柱子很少，用隔墙支撑钢梁，往往不满足此项要求。
  ２．验算是否符合强柱弱梁，这关系到结构倒塌机制，很重要。
  ３．框架柱长细比应符合规定。
  ４．验算节点域的稳定性、强度和屈服条件。
节点和支撑构造要求
  １．节点设计应符合抗震规范和《高钢规程》的要求。
  ２．柱通过小悬臂与梁拼接，可以绕过梁柱直接连接的构造困难，这是一个好办法。此时梁拼接大多采用翼缘焊接腹板拼接，也可采用全截面螺栓连接。在以上拼接中，腹板拼接要考虑弯矩。
  ３．翼缘的坡口全熔透焊缝，要求用一级焊缝以确保焊接质量。有的标准规定压力容器才用一级焊缝。这是一种误解。压力容器很重要，梁翼缘与柱连接同样很重要，不能用二级。
  ４．梁与钢管砼柱的刚性连接，现在用外加劲肋和内隔板的都有，都是可以的。但要注意钢管壁板与隔板或环板的厚度匹配。
  ５．７层以上时，框架－支撑体系中的框架梁柱应刚性连接。
  ６．支撑与钢管砼连接时，不应将节点板焊在钢管管壁上，以防管壁拉开。
  ７．不应在钢管支撑内灌砼，对抗震不利。
  ８．１２层以下可以不设地下室，但此时柱脚的计算反力要加大，严格说来要做到承受大震时的反力而不破坏。６、７度区允许采用外包式柱脚，但８度及以上时应采用埋入式柱脚。不允许用铰接柱脚。
  附：对框架结构的一般说明
１．房屋既要承受竖向荷载，又要承受水平力。承受竖向荷载靠梁、柱，承受水平靠抗侧力构件。
  ２．高层建筑结构的特点是，结构受水平位移控制，结构设计主要使水平位移不超过控制值。
  ３．在住宅钢结构中，抗侧力结构主要有三种：钢架、支撑框架、剪力墙。
  ４．住宅钢结构常用的结构体系是：钢架（纯框架）、框架－支撑，框架－剪力墙。
  ５．这里的″框架″都是指节点钢接的框架。严格说来，框架包含钢接和铰接框架，习惯叫法框架是指钢接的，铰接时则称为铰接框架。
  ６．纯框架体系最简单，它的延性好，抗震性能也是{zh0}的（２６层的北京长富宫饭店就采用纯框架）。它的缺点是用钢较多。但对多层建筑特别是两个方向开间较多的，纯框架用钢并不多。在日本６０米以下的钢结构大部分采用这种体系。
  ７．框架－支撑和框架－剪力墙是最常用的。它们都是双重抗侧力体系。
  在地震区，要求用双重抗侧力体系。不宜采用铰接框架加支撑（或剪力墙）。在非抗震区，可以用铰接框架加支撑或剪力墙。在强震区结延性很重要。混凝土剪力墙的性能不如支撑框架。
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）薄壁型钢组合墙板形式； 2）纯框架形式； 3）框架支撑形式； 4）型钢混凝土组合形式； 5）钢框架－混凝土抗震墙形式等等。
       这些结构形式各有特点，其中薄壁型钢组合墙板形式特别适宜定型产品，其体系是从墙板结构演变而来，即将薄壁型钢柱构件按大约600mm的间距布置形成竖向承重结构、型钢间设支撑系统以抵抗水平力，楼板根据竖向型钢的位置布置成密肋支撑结构，因上部结构为类墙板结构，其基础根据受力情况设成条形基础，对地基要求不高。薄壁型钢组合墙板住宅受密布结构的影响，对开间、门窗洞口、挑出构件尺寸均有一定限制。
        后面几种形式可以满足多高层住宅设计要求，但从使用的角度都存在一个共同问题，即梁柱突出对住宅内部观感的影响。住宅相对于其它建筑有其特殊性，办公、厂房可以采用较为固定柱网，层高也较高，其梁柱所占空间给人的感观是适宜的，柱网规则有利于梁的布置。相反住宅是一个变化多端的产品，根据建筑的要求，很少布置出规则的柱网，房内开间相对较小、变化较多，不利于钢框架布置。由于钢材的特点，它在住宅中只能形成框架体系或桁架体系，可以说框架体系如果适用于普通住宅，钢框架必然有其大显身手的地方，普通框架结构不能解决住宅应用问题的话，常规钢框架体系在普通住宅中应用也有相似的弱点。
        受短肢剪力墙结构的启发，笔者在钢结构住宅设计中将钢柱设计成异型柱形式，以配合建筑变化的要求，图1是两种异型钢柱截面，根据建筑墙体厚度减去面层厚度来设定翼缘宽度，框架梁与异型钢柱各个方向的翼缘刚接，图2为相应的节点连接详图。我们曾为北京某住宅项目三层样板间设计成异型钢柱纯框架结构，建筑采用砌块隔墙，建成后外部及室内观感均令人满意，与该住宅成品（混凝土剪力墙结构）实际效果一致，图3是样板间实景。在工业厂房设计中经常采用异型钢柱，采用排架受力体系时，异型钢柱经常设计成双轴对称或主受力方向单轴对称，厂房纵向采用支撑系统抵抗纵向水平力，系杆、支撑构件多连接于异型柱弱轴形心轴上，这样在结构概念设计及采用杆系软件计算容易处理。住宅中应用异型钢柱与厂房设计还是有很大区别的，图4是厂房梁柱连接方式与住宅梁柱连接方式的简单比较，可以看出在住宅中，梁柱的截面形心轴不在同一位置上，不符合常规设计理念，在采用杆系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，笔者认为异型柱是在原来较大的矩形框架柱截面或整片混凝土墙修改为的截面面积较小的异型截面，相应地也减少了截面特性，而异型钢柱是在一个工字钢截面上增加一个T型截面，相应地是增加了弱轴方向的截面特性，特别是将钢梁与钢柱弱轴的刚性连接节点转化为与柱翼缘连接，优于常见设计中工字钢柱在弱轴方向设外伸连接板的刚性连接，加强了工字钢柱弱轴稳定，对结构安全是很有利的。一般认为工字钢柱弱轴刚性连接不可靠，所以在很多构造手册上建议在弱轴采用铰接框架加支撑体系或者采用钢管柱设计方案，抗震规范[1]第8.3.4.2条也提出“柱在两个互相垂直的方向都与梁刚接时，宜采用箱形截面。当仅在一个方向刚接时，宜采用工字形截面，并将柱腹板置于刚接框架平面内。”规范中虽然没有明确说不可采用工字钢柱弱轴与钢梁刚接，但根据抗震规范[1]第8.2.5条节点抗震承载力验算要求，弱轴连接一般是无法满足相关条款要求的。异型工字钢柱相比箱形柱的节点加工容易、施工方便节约钢材，相比框架支撑体系减少了支撑部分的设置，从应用角度可灵活用于住宅墙体中，满足建筑师对住宅内无外露结构构件的要求。
        笔者认为异型钢柱在结构分析中存在以下问题：1)异型钢柱全截面受力情况分析，这里主要指在弱轴上增加T型构件，是否就相应的增加了这部分的截面特性，包括T型构件偏轴远近的影响，笔者认为钢柱类型不同，截面特性增加比例也会不同；2)异型钢柱局部稳定性计算，这点可以参考规范中柱板件宽厚比进行控制；3)梁柱节点与钢柱形心轴偏离时整体受力分析，采用普通杆系计算软件是不能解决这个问题的。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，但建模工作量太大了。
        笔者在设计中根据以下几个原则来确定柱截面：1）按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初选X,Y方向上工字钢截面,计算时不考虑腹板作用，初步确定异型柱截面；2）按工字钢柱方案进行结构分析，根据异型柱T型构件布置方向，设柔性支撑代替异型柱中T型构件在工字钢弱轴上的刚度影响，按有侧移钢框架计算，调整异型钢柱中工字钢截面尺寸；完成后调整工字钢及柔性支撑布置方向，验算T型构件与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，选取工字钢强轴所在的单榀框架进行抗震验算，只参考工字柱强轴应力计算结果，检验异型柱单向受力是否满足；4）根据上述计算结果，手工核算梁柱节点处抗震承载能力，基础设计时考虑偏轴引起的附加弯矩；5）以普通工字钢柱和方钢管柱按无支撑框架体系分别进行正常设计，其中钢梁按设计所选截面计算，根据合适的计算结果，统计钢柱用钢量以控制异型柱用钢量的上下限。
       上述方法没有可依据的计算公式及条文，对偏轴引起的附加弯矩对整体的影响没有更多处理，这也是笔者只在二三层住宅设计中应用，没在更高的工程里使用异型钢柱的原因。笔者提出异型钢框架方案，希望得到大家的批评指正。
二、设计细节的问题
        1、 整体计算时选取合适的结构阻尼比
        根据抗震规范要求，除专门规定外，建筑结构的阻尼比应取0.05[1]，当阻尼比不等于0.05时，地震影响系数曲线应进行修正，钢结构相关阻尼比选取值见表1。
表1  不同结构阻尼比应用值     
结构类型 阻尼比ξ 阻尼调整系数η2 曲线下降段衰减指数γ 直线下降调整系数段η1
一般混凝土结构 0.050 1.00 0.900 0.020
单层钢结构 0.050 1.00 0.900 0.020
12层以下钢结构 0.035 1.13 0.922 0.022
12层以上钢结构 0.020 1.32 0.950 0.024
罕遇地震钢结构 0.050 1.00 0.900 0.020
钢管混凝土结构 0.035~0.050 1.13~1.00 0.922~0.900 0.022~0.020
钢-砼混合结构 0.040 1.08 0.914 0.021
         从表1中数据可以看出，不同的钢结构体系有不同的地震影响系数，如果在结构分析时错误选择阻尼比对设计结果会产生较大影响,其中钢管混凝土和钢-砼混合结构由于是两种材料共同作用，在选取阻尼比时，应根据两种材料应用比例综合考虑阻尼比，结构整体刚度越柔，阻尼比选值越低。表2是按四种结构类型进行计算的结果对比，统一按五层框架结构建模，框架平面尺寸7.0mX7.0m各四跨计算，层高均为3.30m，编号1，2为混凝土结构，编号3，4为钢结构，抗震设防烈度八度，{dy}组，Ⅲ类场地土，结构计算采用PKPM系列软件。编号1，3，4采用相同楼面荷载，在编号2中将楼面{yj}荷载调整后使其荷载总质量与编号3相近，编号4的例子为多层钢框架结构，但阻尼比按0.050选取的计算结果；
        从表2的数据可以看出：在荷载总质量相同情况下（编号1，3相比），钢框架的基底总剪力及底部总弯矩要大于混凝土框架的结果；从编号3，4的计算结果可以看出，钢结构计算时选取阻尼比越大，则层间位移角、基底剪力和底部总弯矩越小，设计时会造成钢结构本身构件验算误差，还会造成基础设计失误。特别应注意，钢结构抗震计算以12层为计算分界点，阻尼比分别为0.020和0.035，笔者认为计算结果跨越太大，建议在8～11层的整体分析时，特别是高烈度地区应适当调整阻尼比数值，可采取插值法选取，或按0.035与0.020值进行对比补充验算。从表中还可以看出，在荷载总质量相同情况下（编号2，3相比），混凝土框架结构的地震效应计算结果小于钢结构，我们常说钢结构抗震性能优于混凝土结构，在计算设计上也是有区别的，规范[1]中第8.1.3条强制性条文就是强调这个问题。
表2   不同类型结构计算结果对比
编号 结构类型 阻尼比 荷载总质量（t） 主振型基底剪力(kN) 周   期 楼层号 {zd0}层间位移角 各层地震力统计
     {dy}周期（s） 第二周期（s） 第三周期（s）   F(kN) M(kN·m)
1 混 凝 土 框 架 0.050正确 3483标准 1824 1.0720 0.9281 0.3267 5 1/1150 783.5 2585.5
        4 1/723 606.3 6418.9
        3 1/554 609.9 11019.5
        2 1/505 614.6 16272.2
        1 1/797 469.7 22091.3
2 混 凝 土 框 架 0.050正确 2953荷载调整与3相同 1669 0.9855 0.8582 0.3008 5 1/1269 692.3 2284.7
        4 1/793 540.0 5755.4
        3 1/606 533.3 9993.5
        2 1/554 527.0 14854.5
        1 1/878 395.3 20203.5
3 方钢管 框 架 0.035正确 2946标准 2444 0.9478 0.8140 0.2990 5 1/1069 866.8 2860.4
        4 1/625 719.5 7700.4
        3 1/466 648.5 14002.9
        2 1/414 576.6 21351.2
        1 1/592 408.7 29290.2
4 方钢管 框 架 0.050错误 2946标准 2203 0.9478 0.8140 0.2990 5 1/1183 803.5 2651.7
        4 1/695 657.6 7047.0
        3 1/519 604.7 12699.9
        2 1/459 555.1 19271.4
        1 1/655 403.0 26399.6
        2、 整体计算时应考虑基础的影响
       这里主要指基础采用独立柱基的情况，在实际应用中，由于地质勘察条件的不同，设计人员根据持力土层深度确定基础的埋深和短柱的长度。而在整体计算时不考虑基础的存在，将首层钢柱固接在独立柱下基础上，认为基础为xx刚性，基础设计时再根据柱脚设计反力进行计算确定。但事实上土层本身是松软体，它提供给独立柱基的嵌固作用有限，会与计算假定不相符。钢结构计算中特别是纯钢框架，地震作用下层间位移角是一个重要的控制因素，如果不考虑基础的影响而计算结果又刚刚满足规范要求的话，那么考虑基础共同作用的情况下多半不满足规范限值要求，表3是在表2中方钢管框架的模型下增加一层2.0m高基础短柱的计算模型，基础部分按混凝土考虑，编号5为基础短柱上设基础联系梁，编号6按独立基础短柱计算。和编号3相比，首层层间位移角分别增加15％和20％，如果编号3计算模型在计算设计中按抗震规范中多、高层钢结构层间位移角限值1/300来控制，在图纸设计中采用独立柱基后有可能层间位移角只达到1/250，在许多建筑中首层层高比标准层要高，因此要注意独立柱基对整体计算的影响。编号5，6相比，基础短柱上设基础联系梁要优于独立基础短柱计算模型。
表3  计算时考虑基础影响时结算结果
编号 基础类型 阻尼比 荷载总质量（t） 钢构底层基底剪力(kN) 周   期 楼层号 {zd0}层间位移角 各层地震力统计
     {dy}周期（s） 第二周期（s） 第三周期（s）   F(kN) M(kN·m)
5 短柱+联系梁 0.035 3131 2483 0.9815 0.8425 0.3102 5 1/1097 851.6 2762.1
        4 1/641 687.3 7503.4
        3 1/476 629.9 13672.3
        2 1/414 559.1 20890.3
        1 1/514 378.2 28757.2
        -1 1/3439  
6 独立基础短柱 0.035 3026 2470 0.9920 0.8515 0.3135 5 1/1109 1141 2720.5
        4 1/647 755.5 7415.8
        3 1/479 591.5 13538.1
        2 1/414 427.5 20711.6
        1 1/490 263.5 28544.5
        -1 1/2593
         3、 刚接柱脚设计
         常见柱脚分埋入式、外包式、外露式。在住宅设计中多采用外露式，相比其它两种方式，其现场安装、定位方便。在设计时应注意，柱脚的刚度是靠底板的弹性变形或塑性变形来实现的，这就意味着整个结构变形包括钢结构本身变形及底板受拉变形后引起的整体变形，如在分析内力时视外露式为刚性柱脚，设计中要考虑层间位移角限值要有一定的富裕，同时应考虑底层钢柱弯矩反弯点下移引起的柱顶弯矩增大[2]。
        根据节点设计要求，为保证罕遇地震时不发生柱脚节点先于钢柱破坏，柱脚节点连接处的极限抗弯承载能力应大于1.2倍钢柱的全塑性受弯承载力（Wpnx·f）才可以，常见设计方法是根据柱脚反力来确定柱脚螺栓直径、连接焊缝,这样只能保证柱脚节点在多遇地震作用下具有一定强度而不破坏，而柱脚弯矩设计值所需截面抵抗模量一般小于钢柱本身截面抵抗模量（Wx），以H628X260X10X14工字钢为例，1.2·Wpnx/Wx=1.36倍，外露式很难保证这项设计要求。而采用其它两种柱脚方式在转递钢柱内力时很容易满足前项要求，设计中传力明确、计算容易、构造简单、节省钢材。
        插入式柱脚构造相比埋入式更简单，大部分书籍认为可靠性不如埋入式，建议用于单层钢结构厂房，不适合高层建筑钢结构。笔者认为在多层建筑钢结构可以采用，因为在许多工业项目中，单层厂房层高多在10～30m，厂房内设多台吊车及大量检修平台，单柱荷载及地震作用往往大于普通住宅的情况，多层住宅柱脚在概念设计和计算设计都满足规范要求的情况下，采用插入式是没有问题的。新钢结构规范[3]也增加了插入式柱脚的设计和构造规定。
        4、 楼板设计
       楼板有预制楼板、现浇楼板、组合楼板等。采用预制楼板时应考虑预制板由于温度变化、荷载分布等原因，造成楼板接缝处开裂形成的单侧翼缘附加弯矩影响，即钢梁平面内整体抗弯应力与翼缘平面外抗弯应力双向组合后要满足折算应力限值，有些项目将楼板搁置在下翼缘上尤其要注意这个问题。压型钢板组合楼盖在钢结构住宅中应用很多，整体分析时要考虑组合板的各向异性对框架梁的影响，包括根据楼板设置情况确定连续板或简支板、传力路径是单向还是双向、组合钢梁是按强边还是弱边组合造成的刚度差异；楼板设计时要避免集中单向布置楼板，使结构体系形成横向或纵向承重，做到合理布置组合楼板，尽量形成双向承重结构。
         5、梁柱刚性连接设计
        梁柱间刚性连接计算可按常用设计法或全截面受弯设计法进行，当钢梁翼缘的抗弯承载力大于整个截面承载力的70％时，可采用常用设计法进行设计，小于70％时，应采用全截面抗弯设计法[4]，在住宅设计中，钢梁多属于前者，常用设计法计算原则为翼缘和腹板分别承担弯矩和剪力，普遍认为计算容易，结果偏于安全。事实上根据多高层房屋钢结构梁柱刚性连接节点的抗震设计[5]和多高层房屋钢结构梁柱刚性节点的设计建议[6]  两篇文献 的介绍，不做任何处理的将钢梁与钢柱进行栓焊等强连接是很难达到强节点弱杆件的设计要求，文献从原理上介绍加强式连接原则，设计人员应认真学习该文献的内容，对刚接节点设计要有全新的认识，标准图集01SG519[7]对加强式节点设计有设计及构造详细说明，具体做法主要有三种方式：梁端翼缘加焊楔形盖板、梁端底部加腋、犬骨式连接。通过笔者在实际应用后认为，三者都存在增加施工难度的问题。文献中还推荐过第四种方式：梁端翼缘加宽方式，但在标准图集中不作为主推形式介绍，当建筑对梁宽没有要求的情况下，这种连接方式最为实用、便捷。

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