多层混合结构

多层混合结构（精选八篇）

多层混合结构 篇1

多层混合结构房屋是指用普通黏土砖、烧结多孔黏土砖和混凝土小型空心砌块等砌体做墙体,并采用装配的或整浇的钢筋混凝土楼盖及屋盖的房屋。由于这种房屋具有构造简单、施工方便、可就地取材等优点,故是目前我国房屋建筑中一种应用最为广泛的结构形式。但是,由于其所用材料的脆性性质,抗拉、抗剪和抗弯的能力很低。因而,在地震中抵抗地震灾害的能力较差,特别是未经抗震设计的多层砌体房屋在地震中的破坏更为严重。

1 多层混合结构房屋震害特点及原因

在混合结构房屋中,砖墙是主要的承重构件,它不仅承受垂直方向的荷载,也承受水平和垂直方向的地震作用,受力是复杂的,加之砌体自身的脆性性质,地震时在砖墙上很容易产生裂缝。在反复地震作用下,裂缝将不断发展、增多、加宽,最后导致墙体崩塌,楼盖坍落,房屋破坏。砖房震害的大体情况如下:

1)房屋倒塌。

当结构底层墙体不足以抵抗强震作用下的剪力时,则易造成底层倒塌,导致房屋整体破坏。当房屋上部自重大、刚度差或砌体强度差时,则易造成上部倒塌。当个别部位整体性差,连接不好或平面、立面处理不当时,则易造成局部倒塌。

2)墙体裂缝、破坏。

墙体裂缝形式主要是水平裂缝、斜裂缝、交叉裂缝和竖向裂缝等。严重的裂缝可导致墙体破坏。

斜裂缝主要是由于在地震剪力作用下,墙体抗主拉应力的强度不足而产生的。当地震反复作用时,又可形成交叉裂缝,因为建筑物底部的地震剪力较建筑物上部的大,故底层裂缝较上层严重。在房屋的横向,山墙上最易出现这种裂缝,主要是因为山墙的刚度大,分配的地震作用大,而其上的压力又较小的缘故。在纵向的窗间墙上也易出现这种交叉缝。

水平裂缝大都发生在外纵墙窗口的上下截面处。其产生原因主要是当楼盖刚度差、横墙间距大时,横向水平地震剪力不能通过楼盖传到横墙,引起纵墙在出平面外受弯、受剪而形成的。在墙体与楼板连接处有时也产生水平裂缝,这主要是因为楼盖与墙体锚固差。当纵横墙交接处连接不好时,则易产生竖向裂缝。

3)墙角破坏。

这种破坏形式在震害中较为常见,其产生的主要原因是墙角位于房屋尽端,房屋整体对其约束作用差,纵、横墙产生的裂缝往往在墙角处相遇,加之在地震作用下所产生的扭转效应使墙角处于较为复杂的应力状态,应力也较为集中。特别是当房屋尽端处布置空旷房时,横墙少,约束更差,更易产生这种形式的破坏,甚至造成建筑物角部局部倒塌。

4)纵横墙连接破坏。

这种形式的震害也较为常见。一般是因为施工时纵横墙没有很好的咬槎,连接差,加之地震时两个方向的地震作用,使连接处受力复杂、应力集中,这种破坏可导致整片纵墙外闪甚至倒塌。

5)楼梯间破坏。

主要是墙体破坏,而楼梯本身很少破坏。这是因为楼梯在水平方向的刚度大,不容易破坏,而楼梯间的墙体在高度方向缺乏有力支撑,空间刚度差,特别是在顶层空间,墙高而稳定性差,更容易造成破坏。若楼梯设在房屋尽端,其破坏更为严重。

6)楼盖与屋盖的破坏。

楼盖与屋盖是房屋建筑的主要构件,它将建筑物垂直方向的荷载和水平地震作用传给墙体,再由墙体传给基础。无论是整浇或装配式楼盖,在地震中较少因楼盖(或屋盖)本身承载力、刚度不足而造成破坏。整浇楼盖往往由于墙体倒塌而破坏。装配式楼盖则可能因在墙体上的支承长度过小,或由于板与板之间缺乏足够的拉结而塌落。楼盖的梁端则可能因支承长度过短而自墙内拔出,造成梁的塌落。或梁端无梁垫、或梁垫尺寸不足,在垂直方向地震作用下,梁下墙体出现垂直裂缝或将墙体压碎。

7)附属构件的破坏。

由于这些构件与建筑物本身连接较差等原因,地震时造成大量破坏。如凸出屋面的小烟囱、女儿墙、门脸或附墙烟囱大量倒塌;无筋砖过梁开裂、下坠;板条抹灰平顶开裂、剥落;隔墙的顶端和两侧边出现裂缝等。

2 震害预防措施

1)建筑布置与结构选型。

包括合理的建筑和结构布置,房屋高度、层数的限制、纵横墙间距等,主要目的是使房屋在地震作用下各构件均匀受力,不产生过大的内力和应力。

2)抗震强度验算。

包括地震作用及抗震强度的计算,确保房屋墙片在地震作用下不发生破坏。

3)抗震构造措施。

主要包括加强房屋整体性好构件连接强度的措施,如构造柱、圈梁、拉结钢筋的布置;对墙体间咬砌和楼板搁置长度的要求等。

4)隔震与消能减震技术。

通过结构减震控制的方法,防止或减轻建筑物上部结构发生非线性变形,提高结构物的抗震能力。

实践证明,凡是认真进行抗震设计或在构造上进行加强,并严格按设计进行施工的混合结构房屋就能不同程度地抵抗地震的破坏。因此,认真总结震害规律,进行合理的抗震和减隔震设计,提出切实可靠的抗震构造措施,保证施工质量对提高混合结构房屋的抗震能力是极为重要的。

参考文献

多层厂房结构综合加固技术 篇2

哈尔滨市某厂总装车间，建筑面积3716.71m2，长102m，宽16.20m，2层（局部3层）。

二、三层间设沉降缝一道，三层屋面板标高12.30m，二层为内框架结构，三层为混合结构，承重外墙厚49cm，内墙厚24cm，毛石条基，设有基础圈梁。竣工不久发现三层12~20轴间的36.54m区段内承重墙体严重裂缝、窗间墙开裂错位、墙体倾斜、梁板及楼梯开裂并倾斜、外墙钢窗变形、圈梁裂缝，已不能安全使用，须及时加固处理。

第1章 结构加固前状况

承重墙体裂缝。内外墙体裂缝264道，裂缝宽度1~28mm，裂缝长度600~2800mm，均为45斜裂缝。6个承重窗间墙（厚49cm）裂缝，其中2个窗间墙裂透失稳。

内外墙各l处 倾斜，墙体沿裂缝方向错位20~30mm。梁板、楼梯、圈梁共有裂缝41道，裂缝宽度0.1~0.3mm。

楼板倾斜，倾斜后高差120mm，由于楼板倾斜，大部分内门不能开关。外侧钢窗变形后成为平行四边形，窗户不能开启。底层室内水泥地面下沉，室外散水坡下沉塌陷。

经基础开挖后详细观察，地基持力层下陷，严重处基础悬空，其下出现距离基底148cm的坑穴。

该区段建筑处于危险状态，厂方已作出拆除重建的决定。

第2章 产生问题的原因

经全面调查，该厂房12~20轴区间内有一丁字形防空通道，通道顶标高距自然地面9m，在离12~20轴外墙3m附近有一防空洞入口，由于整个建筑物坐落在地势最低洼处，雨后地表水聚集流入防空洞内，其土质具有湿陷性，长期受水浸后逐层塌落而沉陷，致使上部结构遭到严重破坏。-第3章 补强加固措施

厂房的补强加固共分两部分，基础部分采用钢筋混凝土灌注桩加承台梁的方法，并采用了石灰挤密桩进行地基加固。上部结构的补强加固是在基础部分加固10个月后，确认基础沉降基本稳定的情况下进行的，为加强结构的整体性，采用了拉杆加固法；开裂失稳的窗间墙则采用先包后灌加固法；混凝土构件裂缝、墙体裂缝采用化学灌浆补强法；最后进行侧窗整形、楼板提升找平及重新装修。为减少经济损失，加固工作是在不停产的情况下进行的，现就上部结构综合加固法作一简要介绍。

9-20-3-1拉杆加固

为加强结构的整体性，在厂房的12~17轴，沿横墙在每层楼板面层标高处设置φ20预应力拉杆（图9-20-1），螺杆为φ22（d=22mm螺母），采用千斤顶施加预应力，预应力拉杆穿墙钻孔必须使用冲击钻，禁止人工凿孔，拉杆垫板采用∟75×10角钢，以使拉杆与墙体共同工作。，9-20-3-2钢筋混凝土短梁加固

承重砖墙裂缝宽度超过5mm以上，或开裂后错位的墙体，在进行楼面支顶后，采用钢筋混凝土短梁进行加固。即每隔50cm，以裂缝处为中点向两边各延伸50~75cm，将高50cm范围内的墙体拆除，配主筋4￠12，箍筋￠6@200，支模后，灌注C15号混凝土，捣制混凝土短梁，见图9-20-2。

9-20-3-3化学灌浆补强加固

对混凝土构件（楼板、圈梁、楼梯）裂缝及承重砖砌体裂缝宽度大于0.1mm、小于0.5mm的墙体，采用建筑结构化学灌浆法进行补强，该方法是将一定的化学灌浆材料配制成浆液，用压送设备将其灌入缝隙内，使其充分扩散，经凝结固化，达到补强目的。

环氧树脂具有强度高，粘结力强，收缩小，化学稳定性好，可在室温条件下固化等优点。采用环氧树脂作为建筑结构灌浆材料进行补强，可以收到下列技术经济效果：能有效地恢复结构的整体性，而且具有封闭防渗作用，补强后结构外观好；补强时一般不需要停产，不影响建筑物的正常使用；与其他方法相比施工简便，速度快，能使建筑物很快恢复使用，可用这种加固方法修复其他方法很难处理的混凝土裂缝，施工费用低，综合经济效果好。

化学灌浆补强中采用的灌浆材料由下列多种材料配制而成。

1.主剂。以环氧树脂作主剂，采用双酸A型环氧树脂，它是由环氧氯丙烧与双酚A在苛性钠作用下缩聚而成的。平均分子量为300~700，软化点小于50℃，为珑泊色或淡黄色的粘稠液体。双酸A型环氧树脂的主要性能：

（1）粘结力强。环氧树脂分子中所含的极性基团，容易使其分子与和它接触的界面产生极性相互作用，使它具有独特的粘结能力。

（2）稳定性高。环氧树脂在未固化前是热塑性的，受空气、光、热等影响较小，稳定性好。（3）收缩小。因其在液态时就有高度缔合，固化过程中没有副产物生成，所以固化收缩小。（4）化学稳定性好。固化后的环氧树脂有稳定的分子结构，可耐侵蚀。（5）电绝缘性及物理力学性能优良。常用的国产环氧树脂有E51（618号）、E44（6101号）、E42（634号）、E33、E28等。

2.固化剂。固化剂是一种使未固化的环氧树脂呈热塑性的线结构进行交联固化反应的化学掺剂。固化剂的种类很多，常用的多为多元胺类。胺类固化剂的特征是在常温下使环氧树脂凝结、固化，反应时放出热量多，放出来的热量能加速环氧树脂的固化。胺类固化剂的用量可按下式计算：

胺类固化剂用量（g/100g树脂）=

常用的胺类固化剂有乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺等。

3.稀释剂。稀释剂主要用来降低环氧材料的粘度，使之在灌浆时有很好的可灌性，粘结时有较好的浸润力。稀释剂的另外一个作用是控制环氧树脂与固化剂的反应热，延长使用时间，可以增加较多的填充料而降低成本。稀释剂分活性稀释剂和非活性稀释剂两种，该工程结构化学灌浆补强中采用非活性稀释剂。非活性稀释剂不参与环氧材料固化过程中的反应。常用非活性稀释剂有丙酮、甲苯、二甲苯等。

4.增塑剂。加入增塑剂的目的，主要是减少环氧树脂硬化后的脆性，由于加入增塑剂，可降低大分子之间的相互作用力，提高材料的韧性、抗冲击强度和耐寒性能，同时还有降低反应放热温度和延长使用时间的作用，但抗拉强度、弹性模量、软化点都相应降低。增

627 塑剂分活性增塑剂与非活性增塑剂两种，该工程结构化学灌浆补强中采用非活性增塑剂。常用的增塑剂有邻苯二甲酸二丁酯、磷酸三乙酯等。

5.填料。环氧材料中加填料，可使固化物的一些性能得到改善，如降低热膨胀系数、收缩率、放热温度，提高粘度，抗冲击性能等。同时还可以减少环氧树脂用量，降低成本。常用的填料有石棉纤维砂、石英粉、瓷粉、小石子等。

6.反应促进剂。由于粘结工艺要求尽快结束固化反应，以缩短操作时间，因此，在配制浆液时需要添加各种促进剂，加速固化剂与环氧基的反应。常用胺类固化剂的促进剂有苯酚、煤焦油、聚酰胺等。

环氧树脂灌浆材料的组成可分为三大类，该工程采用的是非活性稀释剂体系。设计了在常温条件下的环氧基液配合比组分：环氧树脂主剂、增塑剂、稀释剂、固化剂；环氧胶泥配合比组分：环氧树脂主剂、增塑剂、固化剂、促进剂、吡啶、稀释剂、水泥；环氧灌浆浆液配合比组分：环氧树脂主剂、增塑剂、释稀剂、固化剂。经试验浆液凝固后的抗压强度为63.5MPa，粘结强度为l.9MPa。

目前国内尚无定型的专用化学灌浆设备，为此自行设计加工两套压力灌浆罐，并配备空气压缩机（国家定型产品）、管道、灌浆嘴、冲击钻、天平、配浆器具组成灌浆设备。这两套化学灌浆设备具有下列性能：可灌满混凝土构件裂缝宽度在0.1mm以上的裂缝；灌浆压力可达lMPa，一般0.2~0.4MPa即可满足化学灌浆的要求；灌浆设备功能齐全，移动灵活，便于维修保养。

9-20-3-4化学灌浆一般工艺流程

缺陷调查→缺陷部位处理→埋设灌浆嘴→封闭处理→试漏→配浆→灌浆→封口→养护

1.缺陷调查。对混凝土构件及承重砖砌体的裂缝长度、宽度、深度及走向进行调查并作好记录。

2.缺陷部位处理。用钢丝刷等工具将混凝土构件裂缝表面及承重砖砌体裂缝部位表面的灰尘、浮渣等污物清除，沿裂缝两侧2~3cm处涂刷环氧基液，为封闭处理准备好基底。

3.钻孔。在裂缝上钻骑缝孔，以便使灌浆具有较广的通路，而且能使浆液进入裂缝的深部，提高浆液的充盈度，钻孔孔径为机0mm，砖砌体裂缝孔距40~60cm（混凝土结构裂缝孔距应为30~50cm），钻孔后应用压缩空气将孔内粉尘与碎屑吹净。

4.埋设灌浆嘴。灌浆嘴位置设在裂缝较宽处及裂缝端，在贯通裂缝上必须两面交叉设置，并考虑了一定数量的排气孔，灌浆嘴可用普通（I级钢）圆钢或塑料制作，用环氧树脂胶泥封闭。

5.封闭。用环氧树脂胶泥沿裂缝两侧2~3cm的部位刮平进行封闭处理，特别要注意灌浆嘴周围的封闭质量，确保密封效果。

6.试漏。用环氧树脂胶泥封闭1d后，即可进行试漏，试漏前沿封闭部位涂刷一层肥皂水，从灌浆嘴通入压缩空气（压力与灌浆压力相同）。若封闭不严，产生漏气时肥皂水会起泡。如发现漏处则可用环氧树脂胶泥堵漏。

7.配浆。环氧树脂浆液的配制方法是按确定的灌浆配合比，先将环氧树脂加热，使其能较好地与其他外加剂搅拌混合。外加剂的掺加次序是：稀释剂、增塑剂、促进剂，最后加入固化剂，搅拌必须均匀。浆液配制后最好能予以冷却，使其反应速度缓慢，粘度增长不致太快。

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8.灌浆。灌浆前用压缩空气将孔道（通过灌浆嘴）吹干净（达到无水、干净状态），然后进行灌浆。灌浆压力可控制在0.2~0.4MPa，压力升高应缓慢，防止骤升骤降。以下述三方面为进行终止灌浆的控制条件，即压力罐上的压力表稳定2min以上；排气灌浆嘴冒出浆液，从透明压浆管观察到浆液停滞。终止灌浆后立即用木楔将灌浆嘴塞严。

9.养护。养护温度以l5~25℃为宜，夏季养护期为2d，冬期（采暖）则需7d以上。养护期间不应受冲击和振动。

灌浆效果检查。采用压水试验，压力值一般为灌浆压力的70%~80%，压水试验至基本不进水，且不渗漏时，即认为合格。

采用上述化学灌浆补强方法，共加固处理混凝土构件裂缝41条，承重砖砌体裂缝105条，效果良好。其余159条缝宽度小于1mm的裂缝则采用抹刮环氧树脂胶泥进行加固处理。

9-20-3-5窗间墙加固

窗间墙的加固采用“先包后灌”的方法。即在窗间墙四角沿墙高设置4根∟75×10的角钢，角钢四周设￠10@l50mm的套箍，角钢之间配5￠10纵向钢筋，并与套箍点焊形成钢筋网。套箍经预热后焊接，从而使其冷却产生预应力。浇水湿润后抹M10水泥砂浆厚50mm，同时沿裂缝处埋设灌浆嘴。养护7d后，对窗间墙进行环氧树脂压力灌浆加固，灌浆工艺同前述，见图9-20-3。

9-20-3-6楼板提升找平

楼板倾斜后高差120mm，因此门不能正常开启。刨除水泥砂浆面层及预制空心板的灌缝混凝土后，采用千斤顶加横梁的方法，逐块将预制空心板提升到原有位置并找平坐浆后重新灌缝做水泥砂浆面层。

9-20-3-7门窗整形，油漆粉刷

多层轻钢框架结构房屋的设计 篇3

【关键词】多层轻钢结构；框架体系；点设计/施工；组合楼盖；抗剪连接件

1 前言

随着国家可持续发展战略的实施，高能耗、破坏环境的建筑材料将逐步退出市场，取而代之的将是低耗、高效、环保的新型建材。钢材做为可再生利用和高效的材料，具有好多优点：自重轻、强度高、韧性好、抗震性能优越、工厂化程度高、施工速度快等等。这些都为在建筑领域大量推广钢结构提供了前提条件，过去只能在工业建筑中才广泛使用的钢结构，现在民用建筑中已经在大量采用，特别是近年来我国生产能力和生产品质的大幅提高，可以大量生产宽翼缘、中翼缘、窄翼缘等多种型号的H型钢和各种截面的冷弯薄壁型钢、压型钢板、夹芯板，并开发了成熟的设计施工技术，这些材料都为钢结构建筑迅猛发展奠定了基础。不过多层轻钢结构的研究还处于起步阶段，在设计和施工中还存在一些问题，有必要开展进一步的讨论和研究，以利多层轻钢结构在我国的健康发展。

2 多层轻钢框架结构的设计

由于框架结构体系可提供较大空间、门窗设置灵活、受力简洁易形成纵横框架，并且框架可与楼盖组合共同抵抗水平荷载作用，因而，在多层轻钢结构中得到广泛应用。

在框架结构体系中，框架梁及楼面次梁多采用组合工字钢梁，柱采用H型钢，楼面采用压型钢板------现浇混凝土组合楼板。框架梁柱内力分析时的计算简图和混凝土框架大体一致，只是节点有所不同，框架梁柱仍采用刚接节点，而柱基不宜采用固端嵌固而采用铰接节点，内力和变形计算中应考虑楼盖与钢梁的组合作用，以减少主梁的计算挠度和柱顶位移。

根据截面受力，按照现行的《钢结构设计规范》，合理设计框架梁柱、墙梁、檩条、屋面板、墙面板、屋面支撑、柱间支撑、楼面次梁和压型钢板组合楼盖等，框架柱间距宜在6-9米之间，应根据建筑设计合理布置柱网。采用空间有限元软件进行计算，保证结构在竖向荷载、风荷载和地震荷载作用下结构满足强度、刚度和稳定的要求。

楼层可采用主次梁体系及压型钢板组合楼盖。在组合楼盖中，楼板与钢梁间要设置抗剪连接件，以提高结构整体刚度和承载能力，抗剪连接件有抗剪栓钉、抗剪槽钢和抗剪弯筋等，但常用抗剪栓钉，栓钉的大小和配置数量应根据规程[2]计算确定，并要满足相应的构造要求；为保证钢板与混凝土结合面上能可靠传递梁内的纵向剪力，对无痕开口式压型钢板，根据计算设置剪力钢筋并要满足相应的构造要求。

3 设计中易出现的问题

设计中的问题

多层轻钢结构的应用还处在起步阶段，相关技术规范、规程还在完善之中，设计、构造和施工仍存在着有待解决的问题，如多层轻钢结构承重结构体系、施工和安装技术、新型维护结构体系、承重与维护结构的连接方法和相互作用等方面的设计问题都在研究之中，其中在设计杆件节点和组合楼盖方面的出现的问题较普遍。

3.1 柱支座的计算简图。对框架结构一般将柱支座设计为固端连接，实际工程中，现浇钢筋混凝土结构的柱很容易实现固端连接，但对于钢结构而言就不一定了。如果采用外漏式柱脚，由于施工中锚栓的安装的误差、二次浇注的混凝土质量不容易保证、钢材的腐蚀在所难免、基础不均匀沉降等都会使柱脚节点很难实现完全固接。

解决办法：设计时采用埋入式柱脚或外包式柱脚，这两种柱脚形式能够实现完全钢接使计算模型与实际完全吻合。

3.2 压型钢板与混凝土组合楼盖的设计。根據规程[2]要求，在组合楼盖中，当采用有痕、加劲肋或冲孔的压型钢板时，可以不设剪力连接钢筋，叠合面上的纵向剪力通过这些刻痕而传递。但是，在施工中由于钢板的不透水性和防腐层的存在，大大削弱了接触面的结合作用，而此处的混凝土由于局部的高水灰比导致强度下降，使混凝土与压型钢板的咬合力小于计算值。

解决办法：为了有效地避免上述情形的发生，建议不论何种情况均应设置剪力连接筋，剪力连接筋的设置满足计算和构造要求。

3.3 强连接设计。因为建筑物在地震力作用时，保证梁的破坏先与梁与柱连接的破坏，避免建筑物倒塌，所以要进行强连接设计，使梁、柱连接处的强度高于梁的强度，它是保证建筑物大震不倒塌的重要环节。而在很多钢结构框架的实际工程中往往忽略了这一设计内容。

解决办法：国内常用的办法是按照《建筑抗震设计规范》GB50011-2010规范的公式来计算，即：

Mu > ηj*Mp

如果不满足此公式，需要用在两端上下翼缘处加盖板方式来加强连接根部。

日本的钢结构工程中常用的办法是在距两端的一个区域设计成狗骨式，即对此范围内的梁的上下翼缘进行削弱，满足狗骨部位的强度低于梁柱连接处的强度，保证结构在地震作用下狗骨部位的破坏先于梁柱连接处的破坏。

3.4 节点抗震承载力的设计。，节点的抗震设计是保证结构在受到地震作用的时候节点的破坏在结构梁、柱破坏之后，真正做到强节点。而在好多工程中，节点的抗震承载力设计是一个容易忽略的问题，使节点处不满足抗震承载力要求，即便有些工程验算了，也未对其进行处理。

解决办法：按照《建筑抗震设计规范》GB50011-2010规范的公式来计算，并满足规范对节点处的构造要求；对于不满足计算公式的节点，采用补强处理。常用的节点补强处理有三种：1.在柱的节点范围内采用厚的钢板作为钢柱的腹板（适用于焊接型钢柱），钢板的厚度满足规范规定的构造要求；2.在节点处设加劲肋，通过加劲肋来加强钢柱的腹板；3.对钢柱在节点部位采用贴钢板的方法使钢柱腹板加厚，附加的钢板与钢柱腹板连接采用打孔塞焊（适用于热轧型钢柱）。

钢结构在我国已进入快速发展期，多层钢框架结构房屋将会广泛普及，新问题的不断出现，应注意研究、开发和经验总结，使建筑设计、结构设计、制作和安装技术在未来有较大的发展，使我国的轻钢结构技术赶上国外的先进水平。

以上是笔者对多层轻钢框架结构房屋的设计中对于设计同行容易忽略和需要注意的问题的一些总结，希望对大家能够有所帮助。

参考文献

[1]唐柏鉴、刘兴业,多层轻钢结构住宅设计

[2]钢-混凝土组合楼盖结构设计与施工规程 YB9238-92

[3]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010

作者简介：

王长柏、男、吉林四平人、1981年生、大学本科学历、工程师。

多层混合结构 篇4

关键词：多层砌体结构,裂缝,房屋

在多层砌体混合结构房屋中, 砌体出现裂缝是常见的质量通病, 引起裂缝的原因有地基不均匀沉降、温度应力、地震力、膨胀力、冻胀力、设计和构造处理不当和施工质量等等, 现就地基不均匀沉降和温度应力等引起的砌体裂缝特征分析如下:

1 地基不均匀沉降引起的裂缝

1.1 当地基发生不均匀沉降后, 沉降大的

部分砌体与沉降小的部分砌体会产生相对位移, 从而使砌体中产生附加的拉力或剪力, 当这种附加内力超过砌体的强度时, 砌体中便产生相对裂缝。这中裂缝一般都是斜向的, 且多发生在门窗洞口上下。这种裂缝的特点是:

1.1.1 裂缝一般呈倾斜状, 说明系因砌体内主拉应力过大而使墙体开裂;

1.1.2 裂缝较多出现在纵墙上, 较少出现在横墙上, 说明纵墙的抗弯刚度相对较小;

1.1.3 在房屋空间刚度被削弱的部位, 裂缝比较集中。

1.2 为防止地基不均匀沉降在墙体上产生的各种裂缝而采取的措施有:

1.2.1 合理设置沉降缝将房屋划分成若干

个刚度较好的单元, 或将沉降不同的部分隔开一定距离, 其间可设置能自由沉降的悬挑结构。

1.2.2 合理地布置承重墙体, 应尽量将纵

墙拉通, 尽量做到不转折或少转折。避免在中间或某些部位断开, 使它能起到调整不均匀沉降的作用, 同时每隔一定距离设置一道横墙, 与内外纵墙连接, 以加强房屋的空间刚度, 进一步调整沿纵向的不均匀沉降。

1.2.3 加强上部结构的刚度和整体性, 提

高墙体的稳定性和整体刚度, 减少建筑物端部的门、窗洞口, 设置钢筋混凝土圈梁, 尤其是要加强地圈梁的刚度。

1.2.4 加强对地基的检测, 发现有不良地基应及时妥善处理, 然后才能进行基础施工。

1.2.5 房屋体形应力求简单, 横墙间距不宜过大。

1.2.6 合理安排施工顺序, 宜先建较重单元, 后建较轻单元。

2 收缩和温度变化引起的裂缝

2.1 热胀冷缩是绝大多数物体的基本物理

性能, 砌体也不例外。由于屋盖系统温度变化出会使砖墙产生裂缝, 由于温度变化不均匀使砌体因不均匀收缩产生裂缝, 或由于钢筋混凝土圈梁与砖墙伸缩量不同也会产生裂缝。

2.1.1 屋盖系统温度变化时使墙体产生的裂缝:

这类裂缝较典型和普遍的是建筑物 (特别是纵向较长的) 顶层两端内外纵墙上的斜裂缝, 其形态呈“八”字或“X”型, 且显对称性, 但有时仅一端有轻微者仅在两端1~2个开间内出现, 严重者会发展重房屋两端1/3纵长范围内, 并由顶层向下几层发展。此类裂缝对那种刚性屋面的平屋顶, 未设变形缝、隔热层的房屋就更易发生。产生的直接原因是混凝土结构屋面的伸缩变形牵引其下砖砌体超过其材料抗拉强度的结果。一般来说, 在阳光照射下, 屋面板温度可高达60~70℃, 而其下的砌体仅为30~35℃, 温差引起的砌体主拉应力大于砌体本身的抵抗力的50%~300%不等。又加上房屋两端为自由端, 水平约束力小, 上部砌体垂直压力较小, 如无相应措施, 则上述裂缝在所难免。当屋面向两端热胀时, 会使下部砌体出现正“八”字裂缝, 当冷缩时, 就会出现倒“八”字缝, 一胀一缩则易出现“X”型缝。

2.1.2 由于温度变化不均匀使砌体产生不均匀收缩产生的裂缝:

由于房屋过长, 室内外温差过大, 因钢筋混凝土楼盖和墙体温度变形的差异, 有可能使外纵墙在门窗洞口附近或楼梯间等薄弱部位发生向竖向贯通墙体全高的裂缝, 这种裂缝有时会使楼盖的相应部位发生断裂, 形成内外贯通的周圈裂缝。另外, 当房屋空间高大时, 墙体因受弯在截面薄弱处 (如窗间墙) 会出现水平裂缝。

2.1.3 由于钢筋混凝土圈梁与砖墙伸缩量不同产生的裂缝:

当材料随时间发生收缩变形和界温度发生变化时, 由于钢筋混凝土和墙砌体材料收缩系数和线膨胀系数的不同, 会在房屋的墙体及楼盖结构中引起因约束变形而产生的附加应力, 当这种附加应力过大时会在墙体上产生局部竖向裂缝。

2.2 防止收缩和温度变化引起裂缝的主要措施有:

2.2.1 在墙体中设置伸缩缝。将过长的房

屋伸缩缝应设在因温度和收缩变形可能引起应力集中、砌体产生裂缝可能性最大的地方。

2.2.2 隔缝的间距不宜大于6m, 并与女儿

墙隔开, 其缝宽不小于30mm。屋面施工宜避开高温季节。

2.2.3 楼 (屋) 面板下设置现浇钢筋混凝土

圈梁, 并沿内外墙拉通, 房屋两端圈梁下的墙体宜适当设置水平钢筋。

2.2.4 遇有较长的现浇屋面混凝土挑檐、

圈梁时, 可分段施工, 预留伸缩缝, 以避免砼伸缩对墙体的不良影响。

3 设计上对房屋的设计和构造处理不当而引起的裂缝

3.1 有一些砌体结构的房屋的设计是套用

图纸, 时未经校核;有时了别的图纸, 但荷载增加了或截面减少了而未作;有的虽然作了计算, 但因少算或漏算荷载, 使实际设计的砌体承载力不足;有的虽然进行了墙体总的承载力计算, 但忽视了墙体高厚比和局部承压的计算。如果砌体的承载力不足, 则在荷载作用下将出现各种裂缝, 以致出现压碎、断裂、倒塌等现象, 这类裂缝的出现, 很可能导致结构的失效。

3.2 预防措施

3.2.1 细心认真地设计。对拟建砌体结构

的房屋, 要做到力学模型准确, 传力清楚;荷载统计无误;大梁下砌体要设垫块并进行验算;加强对圈梁的布置和构造柱的设置, 以提高砌体结构的整体安全性。

3.2.2 裂缝一旦出现, 要注意观测裂缝的

宽度及长度的情况, 并及时采取相应的有效措施, 如灌缝, 封闭等, 必要时要进行结构加固。

4 施工质量不合格、使用材料不合格而引起的裂缝

4.1 当施工质量出现, 砂浆稠度过大, 吸水

后干缩、砂浆不饱满或砂浆稠度不够时, 会在平拱砖过梁处产生沿砖缝斜向的裂缝。

砖的质量不合格, 砂浆强度不够, 这些都会造成整个砌体的强度不够, 而造成砂浆强度偏低的原因是使用了不合格的水泥, 施工配合比不准确, 施工时不润湿砖等。当砌体质量较差, 砌体灰缝饱满度不当时也会到砌体的强度。而这些都可能在砌体结构中产生裂缝。

4.2 预防措施

提高施工质量, 保证结构所使用的材料, 严格按照施工工艺进行施工。

结束语

影响建筑物出现裂缝的原因很多而且复杂, 以上所述的仅是一些常见情况, 由于砌体的抗拉, 抗剪强度较小, 在很大的程度上只能预防。一旦出现裂缝则要注意观察, 必要时采取灌浆或加固措施以阻止裂缝的开展并加强结构的薄弱环节, 提高其抗拉强度等技术措施。

多层混合结构 篇5

一、大跨空间混合结构的分类

从不同的研究方向来说, 大跨空间混合结构在分类上存在一定的差异, 比如, 按照结构材料进行分类, 可以将其划分为铝合金结构、钢筋结构、木质结构、复合材料结构等等。而要是依照空间结构的布置形式进行分类, 则可以将其划分为平面结构和空间结构这两种基本形式。要是从结构的形态进行划分, 则又可以分为实体结构、骨架结构以及面系结构。由于大跨空间混合结构的类型众多, 在实际的工程, 需要结合工程实际选择适当的结构进行施工。

二、设计方法

(一) 并列式结构

所谓并列式结构, 其实质就是指双亲子或是多亲子结构在受力情况下都保持良好的完整和齐全状态, 混合结构在此种情况下会按照子结构的基本特点对其受力进行传递, 以此完成力量的传递、载荷的接收、负荷的释放等工作, 突出了互补协调、取长补短的优势。在实际的设计中, 双亲子结构或是多亲子结构在多层大跨超长混合结构中的距离是比较近的, 因此在支点位置的设计上基本保持一致。依照弹性支点的不同形式进行分类, 并列式结构在设计上可以分为吊挂式和支撑式这两种并列设计形式, 这两种设计形式存在一定的差异, 在实际工作中需要仔细辨别。

支撑式并列, 主要是指子结构的支点, 是由下部支撑的方式提供的, 其中多亲子和双亲子结构都是实体刚体, 而且与其相连的构建也是实体刚体。根据功能需求和审美目的的不同, 可以对子结构之间的关系进行确定, 是垂直还是平行。在对力流和形态进行双重考量的基础上, 可以通过拱单元体系结构提供多个弹性支点, 为其他单元体系结构起到可靠的支撑作用。支撑式并列不仅自身力学指标良好, 而且跨越能力优秀, 在设计工作中广受青睐。

吊挂式并列在形式上和支撑式并列是相反的, 其就是将支撑式并列直接翻转过来进行设计, 在供力方式上存在不同, 提供弹性支点的子结构不是实体刚体, 而是软性实体。悬挂体自身从性质上来说就可以看成是一个单点质量块, 并且有一定的尺度结构。因此, 绝大部分情况下, 就可以将混合吊挂体系作为吊挂式并列结构的一种。和支撑式并列结构相比较, 吊挂式并列结构在形式上更加自由, 可以实现多种变化, 像桁架承载体系、钢拱承载体系、混凝土搭柱承载体系以及钢珠承载体系等。对吊挂式并列而言, 其还可以具体细分为斜拉式和悬挂式两种, 斜拉式可以进一步分为五种形式。对于多层大跨超长混合建筑结构的设计而言, 如此丰富的结构形式, 给设计工作提供了的多样化的渠道, 能够组合得出多种建筑风格和性能共用。

(二) 连接式的结构设计创作手法

多层大跨超长混合建筑结构设计中的连接 (Coupling) 指的是多亲子结构或双亲子结构在受力情况和基本形态维持不变的情况下, 根据各段的力学需求以及受力特点, 可以通过不同的连接方式进行设计。比如, 在向量作用或者是截面作用下, 混合结构体系可以表现出索形态作用、悬臂式特点以及膜形态作用, 在此基础上进行混合结构的设计, 使得其可以表现出轻质性的特点, 并且从中创新出和传统混合结构不一样的新形态。在多样的连接方式中, 设计师们青睐的是单侧悬臂式连接和双侧支点式连接这两种主要的连接手段。两种连接的创作手段在连接方式上存在较为显著的差异区别, 在实际的设计中, 必须清楚认识到两者之间的不同之处, 然后在混合结构中体现出具体区别。

单侧悬臂式连接, 在混合建筑结构的设计中, 可以开辟一条全新的渠道。通过对结构中起作用长度上的各个段落在力学上不同的要求进行比较, 不同类型的单侧悬臂式连接体系, 在控制力流的作用上存在差异, 尤其是合理性与可行性差别较大, 必须在设计中予以合理抉择, 以此确保在多层大跨混合建筑结构中单侧悬臂式连接体系能够发挥出最大效用。从实际应用的角度来说, 在力流的控制上, 单侧悬臂式连接体系的控制效果非常巧妙和精准, 形式上丰富多样, 连接关系处理稳固, 使得建筑质量可靠性高。

双侧支点连接在设计中的考虑角度和单侧悬臂式连接存在较大差异, 进而在混合建筑结构中所表现出的作用出现不同。从双侧支点连接的发展历史上来说, 其起源于悬臂梁模式和连续梁模式之间的格贝梁模式, 在混合建筑结构的功能和形态不断发生变化的情况下, 双侧支点连接已经成为其中非常普遍的一种设计手段。从整体结构中选择某一段进行承载设计, 以满足子结构的支撑需求, 这是双侧支点连接体系的最大特点, 在不少大型建筑工程中, 都使用了这一技术进行混合建筑结构的设计。

三、结语

随着建筑行业的不断发展, 多层大跨超长混合建筑结构设计已经成为一项十分重要的工作, 其基本流程包括了概念设计、优化系统、方案评估和掌控建造这几个方面。不管是在哪一个设计环节, 都需要对并列、连接以及叠合等多种不同的设计手段进行对比考量, 选择符合实际工程要求的手段进行混合结构设计, 确保混合结构在质量和性能上能够达到基本要求, 体现出设计工作的水平。

摘要：建筑结构的设计对于建筑本身来说, 具有极为重要的意义和价值以及相当深远的影响和作用。为了对多层大跨超长混合建筑的结构设计进行全面而系统的分析与研究, 本文采用文献资料法和描述性研究法, 以多层大跨超长混合建筑为研究对象, 简要地阐述了大跨空间结构的具体分类, 深入地探讨了多层大跨超长混合建筑结构设计过程中主要的创作方式, 以期为多层大跨超长混合建筑提供结构设计方面的理论支撑和实际参考。

关键词：多层,大跨超长,混合建筑,结构设计

参考文献

[1]薛素铎, 李雄彦等.大跨空间结构协同工作问题研究现状及展望[J].工业建筑, 2015, 01:1-9+22.

多层混合结构 篇6

当前的经济形势使各大公司在管理成本、保存资本和保持竞争优势方面面临了更大的挑战。首席信息官们不得不削减资本支出, 控制管理、行政和基础设施的成本。而传统的数据中心, 确实面临着巨大的成本压力。

在整个亚洲, 现有的很多数据中心都是按照“一种规格满足所有需求”的思路创建的。通常, 这也意味着在数据中心的前期建设以及持续运行中会产生不必要的费用。那些采取高冗余设计这种传统方式创建数据中心的人, 或许会错过大幅降低成本的机遇。因为这样的数据中心用高冗余设计面向所有的系统和应用程序, 而不区分这些系统和程序是否关键, 以及是否会因为它们的意外停止而带来业务风险。

传统的数据中心都采取单片集成的设计方式, 各种技术系统和应用程序集中在一起, 而且都是在同一个冗余层级上运行。大多数关键程序进程都要求高冗余水平, 并进而将这种高冗余水平扩展到了整个数据中心。单层级设计不能把关键业务程序与次关键业务程序区分开。这样一来, 所有基础设备都不得不满负荷持续运转, 这会造成不必要的冗余, 也免不了会降低能效、提升成本。

此外, 对于数据中心而言, 总的来讲, 用在设备上的最大开支就是维护运营费用。然而, 很多公司对数据中心的容量、能源使用或者可用性并没有清晰的认识, 这就抑制了它们支撑战略转变和实现公司效率优化目标的能力。同时, 缺乏对数据中心容量的重视也会产生一些意外的开支。如会出现局部过热、供电不足、系统超载等问题, 而出现这样的问题, 其维修费用也是很昂贵的。

在这种形势下, 公司要怎样才能在减少基本开支的同时, 用稀少的资源进行创新呢?一项由惠普公司委托开展的调研显示, 99%的首席执行官认为, 技术是公司获得成功不可或缺的一个因素 (《惠普业务科技研究》, 2007年4月) 。技术不再只是为业务提供支持, 而是为其提供发展动力。在预算缩紧的情况下, 公司的技术战略就更加重要。采用多层级混合设计和标准化评估来规划的新一代数据中心, 无疑会是解决短期成本缩减的一次机遇, 同时, 也是为公司在摆脱经济下滑后变得更强大、更精简、更具竞争力奠定基础的一次机遇。

2 多层级混合设计实现成本与风险的缩减

面对预算吃紧而又需要数据中心对业务提供有力支持的局面, 亚洲的首席信息官和设备管理人员应该把目光投向新一代数据中心设计。

一个设备需要融合多个运行环境, 而每个运行环境都与业务重点、特定的技术系统和程序的关键性相一致。多层级数据中心通常能使资本成本减少15%~25%。这种结构的数据中心不仅节约能源, 而且所需的支持资源更少、运行效率更高, 减少了总体拥有成本 (TCO) 。

国际数据中心标准 (the Uptime Institute) 确立了一套识别不同数据中心的基础设施设计拓扑结构的四层系统。第一层级的可用性最低, 只有99.671%。第四层级的可用性最高, 达到99.995%。到目前为止, 设备的管理人员和设计师们面临的尴尬却是, 大多数数据中心都是多种技术环境混合在一起。拥有不同的关键性和针对不同业务重点的系统和程序, 都安置在这些技术环境中。

例如, 银行的自动取款机必须全天候运转, 因此就需要一个第四层级的技术环境。这个环境由多个活跃的电源、散热分布路径及冗余部件组成, 并具有容错功能。相反, 共用同一个设备的应用程序, 如支票处理或资金转移, 即使突然停工也不会造成很大影响。因此, 这样的程序使用较低层级的冗余运行水平就可以。

实现多层级混合设计, 也就是一个数据中心可提供多个操作环境。通过这种方法, 可以使数据中心包含多个性能不同的层级, 以满足特定的技术和业务要求。例如, 图1所示的模型就可以用来设计一种数据中心。这种数据中心既可以模拟2层级数据中心又可以模拟4层级数据中心的工作。它可以把设备的合适资源分配到每个指定的小槽内。每个小槽会对槽内特定技术系统或程序的可用性条件进行匹配。业务程序被配置到哪个层级由结构化的业务重点分析进程决定。比如, 关键业务程序就只会被配置到用于高正常运行时间的4层级运行模型的小槽内。

按照合适的尺寸设计每个小槽的冗余基础设施, 可以大幅度节约资本和运行成本。前期数据中心的建造成本会减少15%~25%。多层级数据中心还有更好的适应性和扩展性。电源与散热系统里的标准化模块也可以根据小槽的不同冗余水平进行改装。如果数据中心的较小区域里存在系统和设备停止运转的情况, 这一套系统也可以减少业务持续性的风险。

3 评估是释放数据中心潜力的关键

基础设施的维护和运营费用是数据中心最大的成本之一。将这些成本与基础设施在业务成果中的关键作用进行衡量和评估, 我们就可以看到数据中心管理和性能的重要性。鉴于数据中心及其维修的平均成本, 缩减了预算的企业应该将积极避免基础设施出现问题作为优先选择。对所有设备使用状态给予足够的规划和重视, 可以避免发生局部过热、机柜供电不足、缺乏冗余以及系统超载等问题。一个设计、建造、运行得当的数据中心能够成为企业持续获得成功的必要因素。

设计精良的基础设施评估可以为管理人员提供很多关键的信息, 比如数据中心的状态、可用性、问题隐患以及支持关键业务负荷的能力等。尽管评估的内容因复杂性和主题的不同而有所不同, 但所有的评估都是为了告诉公司它们拥有什么资源, 以及如何最好地利用这些资源。掌握这样的信息有助于直接投资, 也可以使信息技术和设备管理人员能确保系统的可靠性。

数据中心评估应该考虑以下四大问题:

◆数据中心支持信息技术设备的能力;

◆基础设施支持数据中心临界负载的能力, 以及为由信息技术支持的业务功能提供所需资源的能力;

◆那些将人为错误导致的停机降到最少 (人为误差是导致意外宕机的最大因素) , 并能够最大程度延长数据中心和信息技术基础设施的使用寿命, 提高其可靠性的维修和操作的种类和质量;

◆减少来自于能源使用以及其他一些影响运行成本的功能支出, 或是为完成环境标准和其他运营目标采取措施的支出。由于用电和散热成本占了数据中心运营成本的很大一部分, 各大公司越来越希望通过提高能效来降低用电和散热成本。

4 标准化评估

为解决上述问题, 需要进行标准化的评估。

◆基本容量调查提供量化的容量和可用性信息, 从而帮助管理人员更有效地对基础设施资源进行优先级排序和调配;

◆架构状态与容量分析对基础架构的关键技术按系统逐一评价, 从而帮助业主在投资前就能了解这些技术怎样满足要求。这可以缩小关键系统、应用程序和辅助基础设备系统之间的可靠性差距;

◆能源效率分析是一项全面综合的研究。它参照行业最佳做法, 分析数据中心的用电和基础设施的效率。除了提供详尽的改善能效、投资收益和设备可靠性的计划之外, 它还提供通过这些措施可能实现的目标方案和成本效益;

◆综合热评估使用创新的专利技术, 可提供数据中心热环境的详细描述。它运用计算流体动力学来模拟整个气流的送风和回风, 从而提供改善散热效力的建议;

◆快速热评估服务是对散热能力的一种初级的标准化评估。它的设计初衷旨在突出最佳实践, 向公司推荐快速成功的改进方案以帮助它们了解如何更有效地利用数据中心电源与散热资源。

大多数数据中心的设备制造商和供应商、设计公司和咨询机构都能提供一份评估目录, 或者能够提供量身定制的数据中心评估。不管这些评估的复杂程度如何, 重要的是它们都采用了合乎逻辑、循序渐进的方式证实了确凿的事实, 并以此为根据, 提供可促进管理层作出合理决策的建议。通过这个评估过程, 可以发现和描述存在的差距, 并将其量化;同时, 还能够找出拥有的资产和优势, 并且可以调度这些资产和优势弥补差距。

多层轻钢结构框架设计 篇7

关键词：轻钢结构,节点设计,梁,柱,刚性连接

随着我国钢材产量的逐年增加和高强度、高性能建筑结构用钢的大量生产, 我国已进入了大力发展钢结构建筑的新时期。目前, 普通钢结构建筑的受力性能分析和设计方法已比较成熟, 轻型钢结构也处于进一步开发和完善阶段。由于轻钢结构框架的一些突出优点, 使它受到了建设单位的广泛欢迎。

轻钢结构框架相比于传统钢筋混凝土框架, 其优点有:轻钢结构配件制作工厂化和机械化程度高, 商品化程度高;现场施工速度快, 主要为干作业, 有利于文明施工;钢结构建筑是环保型的可持续发展产品;自重轻, 抗震性能好;综合经济指标不高于钢筋混凝土结构。

2006年7月份, 应山海关海天驾校的委托, 我单位为其设计教学楼, 教学楼总长度为42.0 m, 总宽度为15.0 m, 总高度为12.8 m, 层数为3层。应校方要求教学楼采用轻钢结构, 以便于将来钢材可以重复利用。

首先, 要选择结构体系的类型, 对多层轻钢结构框架, 目前常用的结构体系主要有:冷弯薄壁型钢体系、纯框架、框架支撑体系、框架剪力墙体系。其中纯框架体系在多层钢结构框架中应用最广。纵横向都设成钢框架, 门窗设置灵活, 可提供较大的开间, 便于用户二次设计, 满足各种生活需求。钢框架考虑楼盖的组合作用, 运用在低多层框架中, 一般都能满足抗侧要求。但是由于目前框架柱以H型钢为主, 保证弱轴方向梁柱连接的刚性将成为设计中的重点问题, 综合考虑, 选择此结构体系。

其次, 要选择主要的结构构件。构件的设计首先是材料的选择, 比较常用的是Q235和Q345。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。经济考虑, 也可以选择不同强度钢材的组合截面。当强度起控制作用时, 可选择Q345;稳定控制时, 宜使用Q235, 本工程选用Q235即可。钢结构框架一般为大开间, 框架柱在两个方向都承受较大的弯矩, 同时应该考虑强柱弱梁的要求。目前广泛使用的焊接H型钢或工字热轧钢截面, 在平面受力结构中, 选用H型钢或工字钢在受力上是合理的, 故本工程选用焊接H型钢柱。钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等, 根据荷载与支座情况, 其截面高度通常按跨度的1/50～1/20之间选择, 本工程选用焊接H型钢梁。在多层轻钢房屋中, 楼盖结构的选择至关重要, 它除了将竖向荷载直接分配给墙柱外, 更主要的作用是保证与抗侧力结构的空间协调作用, 本工程采用压型钢板—现浇混凝土组合楼板。

目前在钢结构实际设计中, 结构分析通常为线弹性分析, 条件允许考虑P—Δ, p—δ。新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能, 这为更精确的分析结构提供了条件。在本工程中应用了中国建筑设计研究院的PKPM-STS软件建立了结构三维模型, 应用SETWE软件进行了结构计算, 充分保证了计算结果的正确性。

要正确使用结构软件, 还应对其输出结果做工程判定。比如, 评估各向周期、总剪力、变形特征等。根据“工程判定”选择修改模型重新分析, 还是修正计算结果, 我对于计算机的输出结果进行了详细的比较和判断。通过检查钢构件的验算简图, 得到了框架柱的计算信息, 以一层KZ1为例, 其验算结果如下:

NUc = -139.9 ; Uc = 0.06 ; JUc = 0.00

NUc = -139.9 ; Px = 0.00 ; Py = 0.00

正应力强度验算:Mx = 15.5 ; My = -9.9 ; N = -130.9; F 1 /f = 0.24

平面内稳定验算:Mx = 15.5 ; My = -9.9 ; N = -130.9; F 2 /f = 0.23

平面外稳定验算:Mx = 15.5 ; My = -9.9 ; N = -130.9; F 3 /f = 0.20

长细比验算指标:Rx = 37.5; Ry = 71.1; JCJC = 0

通过以上数据可知框架柱满足设计要求。同样, 也可得到框架梁的计算信息, 以一层KL1为例, 其验算结果如下:

F1/f = 0.24; F2/f = 0.22; F3/fv= 0.11

Fn = 15; JCJC = 0

通过以上数据可知框架梁满足设计要求。

通过查阅水平力作用下结构各层平均位移简图, 可以得到钢结构框架的变形情况, 如图1～图4所示。

通过以上数据可知在水平力作用下结构位移满足设计要求。

结构计算完成后, 应用PKPM-STS软件进行节点设计的验算, 连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一。在结构分析前, 就应该对节点的形式有充分思考与确定。常常出现的一种情况是, 最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致, 这必须避免。按传力特性不同, 节点分刚接, 铰接和半刚接。我选择可以简单定量分析的前两者, 框架柱与框架梁的连接定义为刚接, 次梁与框架梁的连接定义为铰接。对于节点设计中的重点问题即保证弱轴方向梁柱连接的刚性, 通过查阅各种书籍和资料, 我采用了STS软件中标准做法来实现。例如:KZ1与KL1的连接节点如图5, 图6所示。

通过以上节点, 可以保证框架梁和框架柱的刚性连接, 使钢框架的受力及传力情况符合假定计算模型, 从而得出正确可靠的计算结果。

最后, 是施工图的绘制, 施工图深度及内容应完整但不冗余在图中, 对于设计依据、荷载资料 (包括地震作用) 、技术数据、材料选用及材质要求、设计要求 (包括制造和安装、焊缝质量检验的等级、涂装及运输等) 、结构布置、构件截面选用以及结构的主要节点构造等均应表示清楚, 并能正确体现设计的意图。

今后, 随着高强度钢材的使用, 施工技术的发展以及电子计算机的应用将使钢结构体系得到长足的发展和广泛的应用, 而轻钢结构框架以它诸多的优点必将会有更好的应用前景。

参考文献

[1]GB 50017-2003, 钢结构设计规范[S].

[2]GB 50011-2001, 建筑抗震设计规范[S].

多层房屋结构优化探索 篇8

8级四川汶川大地震使我们清楚地看到了多层房屋遭到毁灭性破坏的情形。倒塌的半倒塌的和虽未倒塌但结构已严重破坏的都显现一个共同现象，就是多层房屋的底下部破坏明显重于房屋的顶上部，这也包括后来发生的台湾地震、青海玉树地震都显现了这一现象。使我们认识了地震作用（主要是水平作用，也包括竖向作用即组合作用）对多层房屋结构产生的作用力是底部最大上部最小，逐层递减，呈三角形分布。自然就联想到杂技团的“叠罗汉”节目：站在最下面的演员的踝关节受力最大，而站在最上面的演员（能“叠罗”4人）的踝关节则受力最小。此时若突然在最下面的演员站立的地面上侧向相对踝关节作用一个水平（与竖向作用组合的）作用力，后果很可能是该演员的踝关节、膝关节、髋关节或腰椎受到严重的“破坏”，显而易见，站在最上面的演员的关节则不会受此程度的破坏。而且是“叠罗”的人数越多最下面的演员受破坏的程度就越严重。

通过汶川大地震的启示使我们认识到：受静力作用或地震作用的多层房屋结构设计宜按多层房屋竖向的实际受力状况“优化设计”，即保证上部结构，强化下部结构，即俗称的“一不动，百不摇”，也就是下（层）不动，上（层）不摇。

2 多层房屋结构优化的概念及意义

结构优化就是更符合结构实际受力需求的科学设计，是以保证结构安全为前提以节省资源、降低工程成本、保证使用功能、提高工程价值为目标结构创新设计。

多层房屋结构优化就是针对多层框架结构的弱点，采用“墙、柱、梁联合承重，协同工作”的结构模式。调整框架柱的几何形状；根据框架结构竖向受力的三角形分布，合理调整框架柱的截面；根据填充墙的承载能力，调整框架梁的截面高度；合理调整墙体厚度；根据房屋抗震设防烈度灵活布置装配式预制空心楼板；利用某些结构的单体构件组合后的整合联合作用设计结构；利用新材料的优良性能设计结构；采用先进合理的施工工艺使结构得到强化。

3 多层房屋结构优化探索

3.1 砖混结构房屋的墙下条形毛石基础优化

1）季节性冻土地区条形毛石基础浅埋

季节性冻土地区的基础埋置深度一般都与冻深相等，或稍大于冻深。虽然现在允许基础埋深小于冻深，但是有限制条件的。可有些条件是可变的，如地下水位高低，如秋季降雨量大地下水位就会上升，冻层就会加深，冻胀变形就会加大。所以黑龙江大部地区的房屋基础都埋置在-2.00m以下（冻深线下）。可基础埋置越深截面就越大，截面越大建造成本就越高。为了降低成本，可将基础浅埋在冻层中，利用苯板优良的隔热保温性能，将苯板置于条形毛石基础底面外侧下方至冻深线处，可有效地阻断低温冷冻向基础底面下传导。增加成本不多，简便易行，但可降低很大的成本。例如某地区冻深-2.00m，又-2.00m深处地基土的地基承载力特征值与-1.30m深处地基承载力特征值相等，且条形毛石基础底面埋置-1.30m处满足基础底面扩展要求（保证毛石基础不凸出自然地面）。按常规设计基础底面须至少埋置在-2.00m处，如利用苯板优良的隔热保温性能将基础底面浅埋在-1.30m处，可使基础截面高度降低0.7m。这样算来，一幢建筑内外墙基础节省的资源和降低的成本就很可观了。

具体做法见图1。

在寒冷严寒季节性冻土平原不出产石头的地区，没有价廉的毛石可用，砖基础耐久性又差。此时采用可设计得很薄的钢筋混凝土条形基础浅埋在冻土层中，并用苯板阻断低温冷冻向基础底面传导的基础设计方案将是最好的选择。

2）开有门窗洞口的砖混结构外墙下的条形毛石基础底面宽度优化

开有门窗洞口的墙下刚性条形毛石基础（含砖基础）的受力特点是：房屋的上部荷载经窗间墙逐层下传（该墙应承载的荷载）至条形基础的顶面。与条形基础顶面（基础圈梁顶面）接合的窗间墙底面（首层底面）就是承受最大竖向荷载的截面，或称为最危险截面。而位于门窗洞口部位的条形基础顶面却无竖向荷载（门洞口），或只有极小的永久荷载（窗洞口处有窗台下一段墙体自重）。设计条形基础最重要的步骤是：根据基础上部承受的最大荷载的截面即危险截面和地基的承载力特征值确定条形基础底面的宽度。这个宽度相对于门窗洞口段而言是不经济的，换言之就是门窗洞口段的条形基础的承载能力没有被利用。一般地一道墙体的门窗洞口所占墙体长度的总和，大于等于窗间墙所占墙体长度的总和。如果考虑窗间墙底面的最大荷载由窗间墙段的条形基础和门窗洞口段的条形基础共同承担，相应地就可缩小条形基础底面的宽度和基础截面高度，实现既保证结构安全，又节省资源，降低工程成本的优化目的。就整道墙而言，窗间墙作用在条形基础顶面的荷载可假设为集中荷载，当考虑门窗洞口段的条形基础同时参加承载后，整段条形基础受力实质上就转变为匀布荷载了。考虑门窗洞口段的条形基础能够参加承载，是因为现在的条形毛石基础设计具备了两个重要的保证性结构设计：一是在毛石基础砌体顶面设置钢筋混凝土基础圈梁；二是采用较高强度等级的M10水泥砌筑砂浆砌筑毛石（规范规定）；另外，还有刚性基础的固有特性--沿墙纵轴方向的“刚性角”协同工作。毛石基础采用M10水泥砂浆砌筑，提高了毛石砌体的抗压抗剪和弯曲抗拉强度。

毛石砌体与钢筋混凝土基础圈梁的组合体即条形毛石基础，受多个窗间墙传来的上部荷载作用后，它的受力工况就如一多垮连续梁（假如倒置过来）。一段段的窗间墙就是连续梁的铰支座，那位于窗洞口段的条形毛石砌体，则可认为是该段简支梁的受压区（该段梁承受负弯矩）；而经条形基础传给地基的上部荷载作用于地基后，地基生成的反力则可认为是连续梁的匀布荷载（见图2）。

如果将条形毛石基础按毛石砌体与基础圈梁组合的一个整体组合梁考虑，毛石砌体将转变为组合梁的受压区，圈梁中的受压钢筋则可转变为受拉钢筋（一般地圈梁均为双筋梁），此时的条形毛石基础就是一个倒置过来的“T”形单筋梁。它的承载力将大幅度提高。就是说位于门窗洞口段的条形毛石基础完全能参加承载由窗间墙段分配来的上部荷载。

另外窗洞口段“组合梁”的计算垮度受窗台下砖墙砌体的沿墙纵轴方向的“刚性角”（横轴不存在）、基础钢筋混凝土圈梁的纵轴方向“刚性角”（横轴不存在）和基础圈梁下毛石基础砌体的纵轴方向的“刚性角”协同工作的有利作用，使“组合梁”的计算垮度大幅度缩小（甚至为零），“组合梁”承受负弯矩也就相应的大幅度减小（甚至为零），在门窗洞口段“组合梁”的负弯矩为零，是因为门窗洞口宽度较小，两窗间墙下毛石基础的纵轴“刚性角”在洞口中心相交形成的“实心拱”的承载力作用。也就是说该洞口即使无钢筋混凝土圈梁参加承载，洞口段条形毛石基础和窗台下砖墙砌体也不会受地基反力（负弯矩）作用而开裂破坏（见图3）。

需要说明的是，沿墙纵轴方向毛石砌体结构自然形成的“刚性角”要大于相对横轴方向按设计组砌形成的刚性角，因为它是一道整体的毛石砌体与基础圈梁的组合体。两窗间墙下窗台段墙体和窗台下的条形毛石基础沿墙纵轴方向相对的“刚性角”相交形成的“实心拱”的承载力也大于空心拱的承载力。

总之，考虑门窗洞口段的组合梁参加承担上部荷载，不但能保证结构安全，又可使条形毛石基础的截面高度、宽度显著减小，达到了节省资源、降低工程成本的优化目标。

3.2 多层房屋墙体优化

1）砌体结构房屋墙体优化

墙体优化主要是外墙墙厚是否能减薄（仅就黑龙江等寒冷严寒地区而言）。现在已普遍使用非烧结砖做为墙体材料（如水泥蒸压砖），由于非烧结砖隔热保温性能差，用于外墙须做外保温。就是说砌体结构外墙墙厚的确定不必再考虑砖墙自身的隔热保温性能。如为了保温性能黑龙江省的房屋烧结普通砖或烧结多孔砖外墙多设计成490mm厚，从承载力考虑是浪费的。这样采用非烧结多孔砖外墙只须考虑房屋结构方案、抗震设防烈度、墙体的承载力、整体刚度和稳定性来考虑墙厚即可。一般办公楼、教学楼、住宅楼等均属刚性方案房屋。整体刚度大，稳定性好，相应地外墙厚度就可减薄。又考虑房屋底层承受竖向荷载最大，顶层荷载最小的三角形分布特点，则可将底层墙加厚，顶层墙减薄。例如黑龙江6度～7度设防地区，6层砖混结构住宅楼的外墙，1层～4层可按370mm厚，5层～6层则可按240mm厚设计。或者1层～3层370mm厚，4层～6层240mm厚。如非抗震设防多层房屋，1层外墙按370mm厚设计，2层～6层按240mm设计。外墙转角处按规范要求连续砌筑，不能连续砌筑的也要按规定甩斜槎，这个措施在组织施工时是不便捷的，此时若在外墙转角处设置“L”形钢筋混凝土角柱能有效地保证外墙的整体性（加箍）提高整体刚度，相应地提高了结构的抗力。

2）框架结构填充墙优化

对于传统框架结构笔者主张采用“墙、柱、梁联合承重、协同工作”的结构模式（见参考文献）。实质就是框架结构与砌体结构相结合，两结构优势互补的结构优化思路。该模式的核心之一是“填充墙”参加承担竖向荷载，且要采用先砌“填充墙”后浇混凝土柱梁的施工工艺，使结构强化；增加隔墙厚度；非抗震设防框架结构房屋可用空心砌块砌筑，钢筋混凝土芯柱补强；6度～7度一般抗震设防的框架结构外墙填充于柱两侧的窗间墙段用多孔砖砌筑，不承重的窗洞口窗台下段可用空心砌块砌筑；8度及8度以上的特别抗震结构外墙宜全部用多孔砖砌筑，在这里仍提出“上薄下厚”的外墙厚度优化思路。

3）框架结构的框架柱与框架梁优化

对于有隔墙的框架结构中框架矩形柱，可改为“L”形和“T”形的异形柱（角柱、边柱）。依据框架结构竖向荷载上小下大的三角形分布，将框架柱截面相应地按上小下大方式调整，截面不便调整的矩形柱，亦可调减上部柱的配筋。根据框架柱在框架结构中纵轴横轴两个主轴方向受力大小的差异，调整框架柱截面，即增大相对于横轴方向的截面（见图4）。

框架梁的截面高度应根据填充墙所能承担的荷载和抗震设防烈度大小确定，肯定地说在“墙、柱、梁联合承重，协同工作”的结构模式下，框架梁截面高度有很大缩小的空间。“强墙弱梁柱适中”是框架结构优化的主导方向。但在“墙、柱、梁联合承重，协同工作”的框架结构模式下，考虑填充墙承载后框架结构传力途径的变化，基础框架梁的截面高度须相应加大。就是说由填充墙逐层传下来的荷载最后叠加在基础框架梁上，再由基础框架梁传至独立基础柱上，而不是每层填充墙的荷载由当层填充墙下的框架梁承担后再传到支撑该梁的框架柱上。

对于抗震结构而言，框架梁截面缩小后，框架结构的整体刚度将有所下降（未考虑填充墙作用前）。可在梁柱相交的节点处设置加固角和腋肢来补强。底下层的加固角和腋肢截面尺寸可大于顶上层的加固角和腋肢的截面，抗震设防级别越大，加固角和腋肢的截面亦应越大。框架梁柱相交的节点处设置腋肢和加固角后，使梁柱相交的节点处形成的受力核心区截面扩大，可使框架梁的计算垮度和框架柱的计算长度显著缩短，提高了结构的整体刚度，大幅度增强了结构的抗力。还可根据结构具体情况灵活加大外墙四角的“L”形异形柱截面，还可视外墙长度在外墙中间适当位置加大“T”形异形柱截面。使整体结构更加“四平八稳”。

4）钢筋混凝土空心板优化

与现浇钢筋混凝土实心板相比，装配式预制空心板具有诸多的优点，如节省人力物力时间资源，可工厂化生产，产品质量稳定等。它是建筑业技术进步的成果，所以还应大量应用空心板。但受地震的影响和它的板缝易开裂（施工质量不佳）的缺点，人们不再愿意用预制空心板做楼板。其实，只要解决了空心板拼缝工序的施工质量问题，板缝就不会开裂，再根据不同的房屋抗震级别灵活布置空心板，就可保证房屋的抗震能力。如6度～7度一般抗震设防的建筑中，一层可全部现浇或选择建筑平面的重点部位设置整开间的“现浇板带”，以上各层则全部应用空心板。再如8度及8度以上特别抗震设防的房屋，可隔层布置空心板。如1层、3层、5层现浇，2层、4层、6层安装空心板。非抗震设防房屋则全部应用空心板。

4 结语

世界上的事物没有最好，只有更好。我们经过对多层房屋结构不断地认识、实践、再认识、再实践的过程，必然会使多层房屋的结构不断地创新优化。从而提高房屋结构的可靠性（安全性、耐久性、适用性）、节省资源、降低工程成本，创造更大的价值，实现我们对多层房屋结构永远探索、追求“更好”。

参考文献

[1]GB50011—2001建筑抗震设计规范[S].

[2]GB5007—2002建筑地基基础设计规范[S].

[3]滕智明,张惠英.混凝土结构与砌体结构[M].北京:中央广播电视大学出版社,2003.