钢结构房屋的实用设计

钢结构房屋的实用设计

黄以庄

摘　要：随着国民经济的迅速发展，钢结构房屋的设计已成为我国设计工作的主要内容之一。本文在总结多个项目钢结构房屋设计的基础上，全面介绍了单层门式刚架轻型钢结构房屋、单层排架普通钢结构房屋和多、高层钢结构房屋设计的特点和经验。

1．我国钢结构建筑的发展现状

近十多年来，随着国民经济的迅速发展，钢结构在我国得到了广泛的应用，单层门式刚架轻型钢结构房屋大量应用于工业建筑中，空间网架、立体桁架钢结构广泛应用于大跨度工业与民用建筑中，高层钢结构房屋越来越多地成为超高层建筑的首选方案。现在，钢结构房屋的设计已成为我国设计工作的主要内容之一。

1.1　钢结构具有许多优点

（1）钢材是一种可以回炉循环使用的环保型材料，钢结构对环境保护具有很大的优点；

（2）钢结构一般均在工厂生产，现场安装，为建筑业实现工业化提供了良好的条件；

（3）钢结构施工快捷，施工工期短，特别是单层门式刚架轻型钢结构房屋，3～6个月就可以建成投产；

（4）钢结构更适合在大跨度、大柱网建筑和高层建筑、特别是超高层建筑中的应用。

当然，钢结构也存在一些缺点，主要是防火、防腐性能较差，除单层门式刚架轻型钢结构房屋造价较低外，其余钢结构一般比砼结构的造价都要高一些。

随着钢结构在我国的广泛应用，钢结构的生产厂家也越来越多，生产能力也越来越强。目前，一些生产钢结构构件的工厂年产量达到50万吨；他们不仅能生产轻型钢结构，还能生产重型钢结构，如复杂的、板厚在40 mm以上的工型柱、箱型柱、双向工型柱、异型柱、工型梁、箱型梁、异型梁等，有的还实现了在工厂生产线上连续机械化生产作业，这就为钢结构的广泛应用创造了良好的条件。

钢结构房屋设计因种类的不同而有所不同。不同的钢结构要采用不同的规范。因此，钢结构房屋设计时，首先要明确该建筑的钢结构类型和适合该类型所用的规范。

1.2　现行的钢结构房屋设计国家规范

（1）钢结构设计规范　　　　　　　　　　　　　GB 50017—2003

（2）门式刚架轻型房屋钢结构技术规程　　　　　CECS 102：2002

（3）冷弯薄壁型钢结构技术规范　　　　　　　　GBJ 50018—2002

（4）型钢混凝土组合结构技术规程　　　　　　　JGJ 138—2001

（5）高层民用建筑钢结构技术规程　　　　　　　JGJ 99—98

（6）网架结构设计与施工规程　　　　　　　　　JGJ 7—91

（7）钢网架螺栓球节点　　　　　　　　　　　　JG 11—1999

（8）组合楼板设计与施工规范　　　　　　　　　CECS 273：2010

2．钢结构房屋分类

2.1　单层门式刚架轻型钢结构房屋

适用于轻型屋盖和轻型外墙（或非嵌砌砌体外墙）、房屋高度一般不大于9 m（当有桥式吊车时不宜大于12 m）、跨度一般不大于36 m、无桥式吊车或有起重量不大于20 t的A1～A5工作级别桥式吊车或3 t悬挂式起重机的单层钢结构房屋。按CECS 102：2002规范设计。其特点是：

（1）平面结构体系，柱脚铰接（或刚接），柱顶刚接，柱梁截面高度可变，与刚架内力图相接近，充分发挥材料的承载能力；

（2）屋面自重轻，基础小，用料省（一般可控制在40 KG/㎡ 以内），造价低。

2.2　单层排架钢结构房屋（实腹式工型柱和格构式柱）

适用于轻、重型屋盖和轻型外墙（或非嵌砌砌体外墙）、跨度一般不大于36 m、高度在12m以上，设有起重量大于20 t的桥式吊车或3 t以上悬挂式起重机的单层刚结构房屋。按GB 50017—2003规范设计。其特点是：

（1）平面结构体系，柱脚刚接，柱顶铰接或刚接，柱采用等截面工型柱或双肢格构式柱，梁截面高度可变（当采用重屋盖时，宜采用钢屋架，柱顶铰接）；

（2）由于柱脚弯矩大，相应的基础较大，材料用量也大。

2.3　空间网架钢结构房屋

适用于大跨度工业与民用建筑，如正方形或接近于正方形的体育馆、机场候机厅、车站或工厂，常用的网架有钢管螺栓球节点和钢管焊接球节点组成的四角锥网架，网架支承于四周的钢筋砼柱、钢柱或托梁上，并可以承担一定的吊挂荷载，屋面围护结构采用压型彩钢板。网架采用“空间桁架结构通用程序LSG2”计算，其内力分布和杆件直径、球节点直径由四周向中间逐步增大，充分发挥材料的承载能力。

2.4　立体桁架钢结构房屋（钢管空间钢结构体系）

适用于大跨度工业与民用建筑。桁架与砼柱采用螺栓铰接，桁架节点采用钢管之间直接相贯的焊接节点，屋面围护结构采用压型彩钢板，有檩体系。

2.5　多层和高层钢结构房屋

适用于多层和高层工业与民用建筑，一般采用空间结构体系，柱脚刚接，框架梁柱刚接（两个方向），次梁与主梁铰接，楼板采用压型钢板或钢筋桁架模板与砼组合楼板（在压型钢板或钢筋桁架模板上现浇砼板）。按GB 50017—2003和JGJ 99—98规范设计。

2.6　钢与砼组合结构房屋

（1）型钢砼组合结构；

（2）钢管砼组合结构。

3．门钢规范（CECS 102：2002）与普钢规范（GB 50017—2003）的主要差别

3.1　风荷载体型系数取值不同（见CECS 102：2002附录A）：门钢结构负压值增大，因此，要特别注意风吸力的影响。详见《钢结构设计手册（上册）》第9.8节。当跨高比L/h≤4时按荷载规范取值，当跨高比L/h＞4时按门钢规范取值。

3.2　受压构件长细比限值不同，如表1所示。

表1　受压构件容许长细比

3.4　柱顶水平位移限值不同，如表3所示。

表3　柱顶水平位移限值（H—柱高度）

注：“技术措施”规定，在风荷标准值作用下，柱顶水平位移设计值按括号内数值。

3.5 受弯构件的挠度容许值不同，如表4所示。

表4　受弯构件的挠度容许值（L为受弯构件的跨度）

3.6 工字形、箱形截面受压翼缘板自由外伸宽度b与其厚度t之比值不同，如表5所示。

表5　工字形、箱形截面受压翼缘宽厚比（b/t）

3.7 工字形截面腹板的高厚比（h/t）不同，如表6所示。

表6　工字形截面腹板的高厚比（h/t）

注：箱形截面柱腹板的高厚比（h/t）按GB 50017—2003规范第5.4.3条计算h/t。

4．单层门式刚架轻型钢结构房屋设计

4.1　材料选用

单层门式刚架轻型钢结构房屋的承重构件应选用碳素结构钢Q235B及低合金高强度钢Q345B，其力学性能和化学成分应分别符合《碳素结构钢》GB700及《低合金高强度钢》GB1591的规定。

4.2　结构计算

目前，国内计算单层门式刚架轻型钢结构房屋的软件有多种，宜采用“中国建筑标准设计研究所”的STS软件，按二维模型计算。

4.3　常用跨度

常用跨度15 m、18 m、21 m、24 m、27 m、30 m、33 m、36 m，以3 m为模数，特殊情况可采用42 m。采用以上标准跨度，就可以与标准跨度的吊车相配套。在钢结构体系中，跨度也可以采用1 m为模数，吊车跨度可相应修改。

4.4　常用柱距

常用柱距有6 m、7.5 m、9 m、12 m，采用门式钢架轻钢结构、压型钢板屋面、墙面时，柱距也可以采用0.1m为模数。

采用压型钢板屋面、墙面时，屋面和墙面檩条可采用高度200～300的C型檩条，檩距以7.5～9.0m较经济，檩距6.0m、12.0m用钢量较高；当柱距为12m时，可以在外墙上每开间插入一根柱子（中柱柱距仍为12m）和一根屋面梁（中间用12m托架梁），以保持檩条跨度为6 m，或采用高频焊接H型钢檩条（用钢量较高）；当柱距>2m时，可采用桁架式檩条，与高频焊接H型钢檩条相比，檩条可降低40%～50%用钢量，如表7所示。

表7　门式刚架和屋面檩条用钢量表

4.5　标准定位轴线

中柱两个方向居中，边柱在纵向柱外平，横向居中，横向端跨柱内移600 m，抗风柱外平。

4.6　温度区段

纵向L≤300 m，横向L≤150 m，超过此尺寸，要设伸缩缝。伸缩缝设双柱或采用容许胀缩的构造（长圆孔）。如温度区段内有砼构件（如基础梁、连系梁、墙梁、楼板），则对砼构件要按砼规范采取超长结构设计措施。

4.7　支撑系统

在每一个温度区段，要设置必要的屋面水平支撑、纵向系杆和柱间支撑，组成一个空间稳定结构，将纵向水平荷载传至基础，以满足结构在纵向的安全与稳定。

（1）屋面水平支撑和柱间支撑应在同一开间内设置，其间距：无吊车时L≤36～45 m，有吊车时L≤60 m。当建筑宽度>60 m时，在内柱列宜适当增加柱间支撑。

（2）在7度及7度以上地震设防区：柱间支撑应采用型钢，间距36～45 m一道交叉式支撑，其斜杆与水平面的交角不宜大于55º ；屋盖支撑宜采用型钢，支撑布置应符合《建筑抗震设计规范》第9.1节的有关要求；支撑节点板厚度不小于8mm。

（3）在边柱、中间柱顶、屋脊处，应沿全长设刚性系杆，可采用圆钢管或H型钢杆件。

（4）在7度以下地震设防区，门式刚架轻型钢结构房屋的屋面水平支撑和柱间支撑可采用带张紧装置（花篮螺栓）的十字交叉圆钢支撑，其夹角为30°～60°，接近45°较好。

（5）当房屋高度相对于柱距较大时，柱间支撑可分层设置；当设置十字交叉柱间支撑有困难时，可设置角钢门式支撑。

（6）当设有带驾驶室且起重量大于15t桥式吊车时，应在屋盖边缘设置纵向水平支撑。

当设有5t以上桥式吊车时，柱间支撑宜采用型钢支撑，间距36～45 m一道。在温度区段端部吊车梁以下，可只设一道落地的下柱支撑，上柱支撑全设。

（7）柱间支撑杆件的容许长细比按表8控制。

表8　柱间支撑杆件的容许长细比

（8）当生产工艺布置不容许设置柱间支撑时，应按双向框架设计，进行纵向框架计算，此时如工型柱不满足时，可采用箱型柱或双向工型柱。

（9）屋面檩条之间采用带螺栓的钢筋拉杆张紧，间距3 m为宜，在檐口、屋脊处设斜拉条和钢管撑杆（中间可不设钢管撑杆）；檩条之间隔一设一L50×6隅撑。

4.8　柱脚构造

门式刚架轻型钢结构房屋的柱脚一般采用铰接，铰接柱脚的螺栓数量为：

跨度 L≤15 m时，采用 2 M24 螺栓；跨度 L≤24 m时，采用 2 M30 螺栓；

跨度 L＝27 m时，采用 4 M24 螺栓；跨度 L≥30 m时，采用 4 M30 螺栓。

当设有5t以上桥式吊车时宜采用锚栓刚接柱脚，刚接柱脚的底板厚度、螺栓数量根据柱脚内力计算确定。

4.9　节点构造

（1）梁与柱刚性连接：常采用柱和梁的端板竖放，用高强螺栓连接，梁的端板厚度、螺栓数量根据节点内力计算确定。

（2）梁的中间拼接节点：常采用梁的端板竖放用高强螺栓连接，梁的端板厚度、螺栓数量根据节点内力计算确定。

4.10　螺栓连接计算

采用螺栓连接，避免安装时现场高空焊接，质量可靠，施工方便。

（1）在弯矩、拉力作用下，摩擦型高强螺栓群（或普通螺栓小偏心受拉）连接，旋转点位于螺栓群中心，最外排一个高强螺栓所受的最大拉力为：

Nmax＝Nt＝N/n + My1/∑yi²　　　 式中：

Nt —— 一个螺栓所承受的拉力

N　—— 节点总的轴向力　　　　 n　—— 节点螺栓总数

M　—— 节点总的弯矩

Y1 —— 最外排螺栓至螺栓群中心的距离

Yi —— 每一排螺栓至螺栓群中心的距离

（2）普通螺栓群连接，旋转点位于外排受压螺栓中心，最外排一个螺栓所受的最大拉力为：

Nmax＝Nt＝（M+Ne）y1/∑yi²　　　式中：

e　—— N 至旋转点的距离

Y1 —— 最外排螺栓至旋转点的距离

Yi —— 每一排螺栓至旋转点的距离

其余按规范公式计算，从略。

4.11　关于多跨刚架的摇摆柱

当无吊车或设有5t以下吊车时，多跨刚架的中柱可以用摇摆柱，柱的上、下端采用铰接或上端采用铰接，下端采用刚接；抗风柱的上、下端可采用铰接。

当设有5t以上桥式吊车时，多跨刚架的中柱不宜采用摇摆柱，柱的上下端宜采用刚接。

5．单层排架钢结构房屋（实腹式工型柱和格构式柱）设计

5.1　材料选用

同门式刚架轻型钢结构房屋。

5.2　实腹式柱截面尺寸

无吊车柱截面高度h = H/18～H/30（H—柱高度）；

有20t以内吊车，h = H/15～H/18。

5.3　柱网尺寸

单层钢结构房屋的柱网尺寸选择，除满足生产工艺的要求外，还要考虑结构的经济性能（降低用钢量）和施工的方便，因此，单层钢结构房屋跨度宜L≤36m，柱距宜采用6～15m。采用压型钢板屋面、墙面和C型檩条时，檩距的设计同单层门式刚架轻型钢结构房屋。

5.4　结构计算

单层排架普通钢结构房屋（实腹式工型柱和格构式柱），采用“中国建筑标准设计研究所”的STS软件按二维模型计算。

5.5　温度区段

比门式刚架轻型钢结构房屋要严格一些，如表9所示。

表9　单层排架普通钢结构房屋的温度区段长度值（m）

注：括号内尺寸用于门式刚架轻型钢结构房屋。

超过表9长度尺寸，要设伸缩缝，伸缩缝设双柱。如温度区段内有砼构件（如基础梁、连系梁、墙梁），则对砼构件要按砼规范采取超长结构设计措施。

5.6　支撑系统

支撑系统的设置基本同单层门式刚架轻型钢结构房屋，但在7度及7度以上地震设防区要将圆钢支撑改为角钢支撑，支撑节点板厚度8～14mm。

（1）柱间支撑应采用型钢，间距36～45 m一道，在温度区段端部吊车梁以下，可只设一道落地的下柱支撑，上柱支撑全设，柱间支撑杆件的容许长细比如表8所示，支撑形式宜采用交叉式，其斜杆与水平面的交角不宜大于55º。

（2）屋盖支撑宜采用型钢，支撑布置应符合《建筑抗震设计规范》第9.1节的有关要求。

5.7　柱脚构造

单层排架普通钢结构房屋（实腹式工型柱）的柱脚一般采用刚接，由于柱脚内力较大，基础底面积也较大。当采用桩基时，宜采用二桩或多桩基础，才能满足柱脚弯矩产生的偏心影响。刚接柱脚的构造有以下几种：

（1）锚栓刚接柱脚

刚接柱脚的底板厚度、螺栓数量根据柱脚内力由计算确定。设有砼短柱时，短柱内的钢筋根据柱脚内力由计算确定。锚栓埋置在基础中的深度，应满足锚固长度要求，当埋置深度受到限制时，可采用在锚栓端部焊接锚板来传递锚栓的拉力。

（2）埋入式柱脚

实腹式柱脚插入砼基础杯口的深度≥1.5 hc（hc——柱截面高度），且不小于500mm和1/20钢柱长度。

（3）外包式柱脚

柱脚埋入深度≥2 hc（hc——柱截面高度），设置2 M24 定位螺栓，外包砼的厚度不小于180mm，钢筋根据柱脚内力由计算确定，并在埋入部分柱的翼缘上设置栓钉（由计算确定），其直径不小于16mm，水平及竖向间距不大于200mm。

格构式柱柱脚埋入深度≥0.5hc（hc——柱截面高度）和1.5 bc（柱宽度）的较大者。

5.8　节点构造和螺栓连接计算

实腹式工型截面构件与门式刚架轻型钢结构房屋相同，格构式柱计算见《钢结构设计手册（上册）》第2篇第10章。

5.9　单层钢结构厂房抗震构造措施

（1）柱的长细比：

Q235钢不应大于120，Q345钢不应大于99；

（2）地震区单层钢结构厂房柱、梁截面板件的宽厚比应如表10所示。

表10　单层钢结构厂房柱、梁截面板件的宽厚比限值

注：1．表中数值适用于Q235，当钢材为Q345时，应乘以系数0.825；

2．Nb、Nc分别为梁、柱轴向力；A为相应构件截面面积；f为钢材抗拉强度设计值；ρ= Nb/A f。

6．多层和高层钢结构房屋

多层和高层钢结构房屋按抗震措施分为两类，即12层以下（包括12层）钢结构房屋和12层以上钢结构房屋。消防设计仍以24m为多、高层为分界线。

6.1　材料选用

高度在30m以下的多层钢结构房屋材料选用与单层钢结构相同；

高度在30m以上的高层钢结构房屋主要承重构件，其板材应选用符合《高层建筑结构用钢板》YB4104标准的Q235GJ钢或Q345GJ钢，当板材厚度t≥40mm并有抗撕裂Z向性能要求时，应选用该标准中保证Z向性能的Q235GJZ钢或Q345GJZ钢，Z向抗层状撕裂性能等级为Z15、Z25，并保证沿厚度方向拉伸时，其断面收缩率分别大于15%、25%，符合《厚度方向性能板》GB 5313的规定。

6.2　结构计算

采用“中国建筑标准设计研究所”的STS软件按三维模型计算。

6.3　12层以下（包括12层）高层钢结构房屋的结构体系

（1）纵向和横向均为钢框架体系（双向框架）

其特点是容易满足大空间的使用功能，梁柱节点在纵向和横向均为刚接，节点构造较复杂，结构用钢量较多，侧向刚度弱于垂直支撑体系。

（2）纵向为垂直支撑、横向为框架体系

其特点是纵向刚度较大，梁柱节点在纵向为铰接，横向为刚接，用钢量较省，但纵向垂直支撑的布置要受到一定的建筑条件约束。

（3）纵向和横向均为垂直支撑体系。

（4）纵向或横向采用框架—垂直支撑混合体系，用于对侧向刚度要求较严的建筑。

采用垂直支撑体系时，垂直支撑应沿房屋高度方向连续布置，并尽量采用中心支撑。

6.4　12层以上高层钢结构房屋的结构体系

（1）纵向和横向均为钢框架体系（双向框架）；

（2）钢框架—垂直支撑（抗震墙板）混合体系；

（3）钢框架—砼或钢骨砼核心筒体系；

（4）筒体和巨型框架体系。

各种高层钢结构房屋最大高度应符合抗震规范8.1.1条的规定，最大高宽比应符合抗震规范8.1.2条的规定，如表11所示。

表11　钢结构房屋适用的最大高度（m）和最大高宽比

6.5　温度区段

高度24m以下的多层钢框架结构房屋伸缩缝区段长度，当采用彩板墙时L≤150m，当采用砖墙时L≤90m。如温度区段内有砼构件（如基础梁、连系梁、墙梁），则对砼构件要按砼规范采取超长结构设计措施。

高度24m以上的高层钢结构房屋主体结构一般不设置伸缩缝。

6.6　常用的柱截面形式

（1）H 型钢柱（焊接或热轧H型钢）：用得较多，梁柱节点采用焊接、螺栓连接、栓焊连接都很方便，但侧向刚度较弱。

（2）箱型柱（工厂焊接，现场灌芯）：梁柱节点采用焊接、栓焊连接都很方便，两个方向的刚度均好，但采用全螺栓连接较难，加工制作要求较高。

（3）双向工字型柱（一个H型钢与二个T型钢组合）：梁柱节点采用焊接、全螺栓连接、栓焊连接都很方便，两个方向的刚度均好，但加工制作要求较高。

（4）圆钢管柱（工厂焊接，现场灌芯）：梁柱节点较复杂，施工要求较高。

6.7　柱脚构造

多层和高层钢框架结构房屋的柱脚采用刚接，由于柱脚内力较大，基础底面积也较大。当采用桩基时，宜采用多桩基础，才能满足柱脚弯矩产生的偏心影响。12层以上钢结构房屋宜采用埋入式柱脚，6、7度时也可采用外包式柱脚。

刚接柱脚的计算和构造应满足JGJ 99—98高层民用建筑钢结构技术规程第八章第六节的有关规定。

（1）锚栓刚接柱脚

仅用于12层以下（包括12层）钢结构房屋。刚接柱脚的底板厚度、螺栓数量根据柱脚内力由计算确定。设有砼短柱时，短柱内的钢筋也要根据柱脚内力由计算确定。锚栓埋置在基础中的深度，应满足锚固长度要求，当埋置深度受到限制时，可采用在锚栓端部焊接锚板来传递锚栓的拉力；当柱脚内力很大，可采用带靴梁的锚栓连接柱脚，柱脚弯矩全部由靴梁传递。

（2）外包式柱脚

用于7度以上地区的12层以下（包括12层）钢结构房屋（在6、7度地区，外包式柱脚也可用于12层以上高层钢结构房屋），实腹式H 型钢柱、箱型柱、双向工字型柱柱脚，埋置深度≥3 hc（hc——柱截面高度），外包砼的厚度不小于180mm，钢筋根据柱脚内力由计算确定，并在埋入部分柱的翼缘上设置栓钉，其直径不小于16mm，水平及竖向间距不大于200mm。

（3）埋入式柱脚

柱脚埋入深度≥3 hc（hc——柱截面高度），设置2 M24 定位螺栓，并在埋入部分柱的翼缘上设置栓钉，其直径不小于16mm，常用19mm，水平及竖向间距不大于200mm。

（4）12层以上高层钢结构房屋应设置带砼墙的地下室，此时，抗侧力构件的框架柱、支撑、剪力墙等均应延伸至基础面（地下室底板、承台顶）。

6.8　节点构造

（1）梁与柱刚性连接采用摩擦型高强螺栓连接

柱和梁的端板竖放，柱、梁的端板厚度、螺栓数量根据节点内力由计算确定。这种节点构造简单，质量可靠，但制作加工要求精度较高，安装有一定难度。

（2）梁与柱刚性连接采用栓焊连接

梁的连接板厚度、焊缝厚度、螺栓数量根据节点内力由计算确定。这种节点是国内使用最多的一种节点形式，安装方便。

（3）梁与柱、主梁与次梁铰接节点采用摩擦型高强螺栓连接

连接板厚度、螺栓数量根据节点内力由计算确定。

（4）上下柱接头

a. 全部高强螺栓连接，用于H 型钢柱、双向工字型柱；

b. 腹板高强螺栓连接，翼缘坡口全熔透焊接，用于H 型钢柱、双向工字型柱；

c. 坡口全熔透焊接，用于箱型柱。

上下柱接头位置在框架梁上1.3m处，接头处应设置耳板，耳板的厚度不小于10mm。每段柱的长度约9～12m。

梁柱节点、主梁与次梁节点构造参见多层钢框架结构和国标图集01SG 519多、高层民用建筑钢结构节点构造详图。

（5）摩擦型高强螺栓连接的计算：与门式刚架轻型钢结构房屋基本相同。

（6）箱型柱灌芯：以采用下灌式较好，灌芯砼宜掺入5%左右的UEA膨胀剂，砼的坍落度宜大于150，并应严格控制灌芯压力，一般宜控制在10MPa以内，以防止箱型柱胀裂。

6.9　楼盖结构

（1）压型钢板或钢筋桁架模板支承的现浇砼组合楼板

压型钢板支承的组合楼板有两种计算方法，一是压型钢板作为受拉构件的组成部分，另一种是压型钢板仅作为砼板的模板，计算中不考虑。板与梁的连接采用栓钉或焊接弯筋连接成整体，当钢梁翼缘宽度b ≥300时，布置二排栓钉或弯筋，当b < 300 mm时，布置一排栓钉或弯筋，栓钉沿梁长方向的间距L≥6d（d为栓钉直径），且L < 600mm，栓钉的直径一般为16 mm。

钢筋桁架模板支承的组合楼板计算参见CECS 273：2010《组合楼板设计与施工规范》。

抗剪连接件的计算参见GB50017—2003《钢结构设计规范》第11.3条。

（2）采用直接支模的现浇砼楼板

砼板采用直接支模的方法现浇，板与梁的连接亦采用栓钉或焊接弯筋连接成整体，栓钉或焊接弯筋的布置和计算同上。

（3）花纹钢板或钢格栅楼板：一般用于工业建筑，钢板与钢梁焊接。

在上述楼板中，前两种在框架计算中可以作为刚性楼盖，满足水平刚度无限大的假定，而第三种在框架计算中不可以作为刚性楼盖，水平刚度假定为零。

6.10　多层和高层钢结构房屋抗震构造措施

（1）多层和高层钢框架结构房屋应根据烈度、结构类型和高度，采用不同的地震作用效应调整系数，并采取不同的抗震构造措施；

（2）多层和高层钢框架结构房屋宜避免采用不规则建筑结构方案，一般不设防震缝；

（3）基础埋置深度：采用天然地基时不小于房屋总高度的1/15，采用桩基时不小于房屋总高度的1/20；

（4）12层以上钢结构房屋应设地下室，框架柱应伸至地下一层，钢框架—垂直支撑（抗震墙板）结构的垂直支撑（抗震墙板）应伸至基础；

（5）框架柱的长细比，应符合《建筑抗震设计规范》第8.3.1条的规定，如表12、表13所示。

表12　12层以下（包括12层）钢框架柱的长细比

（6）框架梁、柱板件宽厚比，应符合《建筑抗震设计规范》第8.3.2条规定，如表14、表15所示。

表14　12层以下（包括12层）钢框架梁、柱板件宽厚比限值

注：1．表中数值适用于Q235，当钢材为Q345时，应乘以系数0.825；

2．Nb、Nc分别为梁、柱轴向力；A为相应构件截面面积；f为钢材抗拉强度设计值；ρ= Nb/A f。

表15　12层以上钢框架梁、柱板件宽厚比限值

注：1．表中数值适用于Q235，当钢材为Q345时，应乘以系数0.825；

2．Nb、Nc分别为梁、柱轴向力；A为相应构件截面面积；f为钢材抗拉强度设计值；ρ= Nb/A f。

（7）多层和高层钢框架结构房屋宜采用压型钢板支承的或钢筋桁架模板支承的组合楼板或非组合楼板，板与梁应有可靠连接（采用栓钉或焊接弯筋连接成整体）；

（8）建筑抗震设计规范中其他有关要求。

7．钢结构构件的焊缝质量等级

7.1　构件的焊缝质量等级

（1）梁、柱、屋架等重要构件的对接焊缝应采用一级焊缝，检验比例100%；

（2）梁与柱刚接时，柱在梁翼缘上下各500 mm的节点范围内，柱翼缘与腹板间的连接焊缝应采用二级坡口全熔透焊缝 ；

（3）上下柱的对接接头和柱拼接接头上下各500 mm范围内工字型截面柱翼缘与腹板间的焊缝及屋架上下弦杆的对接接头均应采用二级全熔透焊缝；

（4）梁、柱翼缘、腹板板件的对接和梁、柱翼缘板与端板、腹板和端板的连接均应采用二级坡口全熔透焊缝；其余为三级焊缝。

7.2　焊缝检验要求

二级全熔透焊缝应采用超声波探伤或射线探伤进行内部缺陷的检验，一级焊缝检验比例100%；二级焊缝检验比例不小于20%；三级焊缝应按二级焊缝标准进行外观质量检查，检查数量不小于10%。

8．钢结构防火、防锈设计

8.1　钢结构的防火设计

（1）钢结构构件的耐火极限

根据《建筑设计防火规范》GBJ50016—2006的规定，一、二级耐火等级建筑的钢结构构件的耐火极限应分别达到以下要求：

一级耐火等级：柱3.0h；梁2.0h；楼板1.5h；屋顶承重构件1.5h；楼梯1.5h。

二级耐火等级：柱2.5h；梁1.5h；楼板1.0h；屋顶承重构件1.0h；楼梯1.0h。

（2）防火涂料的涂层厚度

应达到上述耐火极限的要求并不得少于表16所示数据。

表16　 防火涂料的涂层最小厚度表

注：防火涂料的选用应遵守《钢结构防火涂料应用技术规范》CECS24的规定。钢柱、钢梁可采用厚涂型防火涂料，其他构件采用超薄涂型防火涂料（防火涂料的生产厂家资质，应经公安部消防管理部门确认，其产品才能被选用）。

（3）除锈等级

防火涂料涂装前，钢材表面除锈要求最低的除锈等级为Sa2（高氯化聚乙烯、环氧树脂、聚氨酯等底漆或防锈漆）或Sa2 1/2（无机富锌等底漆）。除锈后，再刷二道防锈底漆，而后再刷防火涂料。

（4）防火涂料的施工和验收

防火涂料涂装质量的检验，应按照《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205—2001的有关规定执行。除采用防火涂料外，还可采用其他防火措施，从略。

8.2　钢结构的防锈与涂装

（1）带彩涂层的镀锌压型钢板双面的镀锌量

无侵蚀环境镀锌量不少于：180 g/m²；弱侵蚀环境镀锌量不少于：240 g/m²；

中等侵蚀环境镀锌量不少于：275 g/m²。

（2）对一般涂装要求的构件，应采用二道底漆，一道中间漆，二道面漆的作法，漆膜总厚度应符合如表17所示的规定

表17　防腐蚀涂层最小厚度（µm）

（3）压型钢板基板的最小厚度（不含镀锌层）：屋面外板0.6 mm，墙面外板0.5 mm。与压型钢板配套使用的钢质连接件及固定支架必须进行镀锌防护。

9．钢结构房屋的优化设计措施

9.1　在满足建筑高度限值的情况下，在单层工业厂房中优先采用门式刚架轻型钢结构体系，因为它容易满足多种使用功能的要求，钢材用量最省，基础用料最省，造价最低。

9.2　作好管线综合，确定合理的吊挂荷载（活荷载），可降低刚架的用钢量。

9.3　选择合理的柱距尺寸，可降低钢材用量，经比较，柱距7.5～9.0m较经济；柱距>2m时，可采用桁架式檩条，与高频焊接H型钢檩条相比，可降低40%～50% 檩条的用钢量。

9.4　严格控制梁、柱等受力构件的应力比，一般可控制在0.8～0.9，并且各杆件应力都比较均匀。

9.5　单层排架普通钢结构房屋屋面采用屋架承重时，其上下弦杆宜采用T形钢，而不采用H型钢，腹杆用角钢，可降低屋架的用钢量。

9.6　在满足工艺要求的前提下，适当设置屋面支撑和柱间支撑，可降低刚架的用钢量。

9.7　以应力控制的构件，宜采用Q345B钢材，以长细比控制的构件，宜采用Q235B钢材。

9.8　当单层排架普通钢结构房屋高度较高时（大于15m），采用格构式柱比实腹式柱用钢量要省。

9.9　多层钢结构房屋采用组合楼板时 ，采用直接支模浇注砼比采用压型钢板或钢筋桁架模板支承浇注砼要经济。

10．工程实例

10.1　××单层排架钢结构房屋设计

（1）建筑结构概况

1B2号建筑面积2739.1㎡，柱网（跨度×柱距）为24.0×12.0m，总长度105.35m，总宽度24.9m，总高度18.5m，单层，柱顶标高为16.5m。厂房内设有32/5t双梁桥式吊车。单层排架普通钢结构房屋。按照《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）设计。

（2）基础设计

钢排架柱脚采用锚栓刚接，由于厂房很高，柱脚弯矩很大，达到1300KN-M，而彩板屋面荷载又很小，故采用独立柱基时，基础底面积很大，达到3.6m×5.4m。

（3）钢排架设计

钢框架柱脚和柱顶均采用刚接节点，采用PK程序进行计算，框架柱、梁截面采用工字形，柱截面为H900×500×18×24，梁截面为H900×250×12×18，Q345钢材。梁柱节点采用摩擦型高强度螺栓刚性连接，螺栓的性能等级为10.9级，高强螺栓的数量和排列、节点板的尺寸、厚度由计算确定。为了减少檩条的跨距，在8.0～12.0m柱距的中间，增加一榀屋面梁，支承于8.0～12.0m的托梁上。为了保证框架平面外的稳定，设置了较强的柱间支撑和屋面支撑。

10.2　××高层钢框架结构房屋设计：

（1）建筑结构概况

1B1号建筑占地面积1303.4㎡，建筑面积11730.6㎡，柱网（跨度×柱距）为（7.85+10.15）×6.0m，总长度60.00m，总宽度18m，总高度50.75m，9层，层高为5.30+3.30+5.35+6.65+6.65+8.00+4.35+4.70+6.45m。屋面为25 m³水箱间和电梯机房间。电梯井道为钢筋砼筒体结构，与钢框架用防震缝分开。楼面荷载如表19所示。

表19　楼面荷载表

本建筑为高层钢框架结构，按照《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）和《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ 99—98）设计。

（2）基础设计

根据工程地质条件和上部结构的计算结果，由于柱脚内力很大，为解决柱脚弯矩的影响，采用人工挖孔灌注桩多桩基础（2～4桩），桩身直径1.0m（满足桩身强度的要求），桩扩大头直径1.4～1.5m（满足桩端承载力的要求），桩端持力层为中风化泥岩。

B-1轴边柱最大内力为：N=7502.2 KN，M=1832.9 KN-M，V=17.9 KN，采用二桩；

B-2轴中柱最大内力为：N=17934.8 KN，M=57.7 KN-M，V=2.9 KN，采用四桩；

B-3轴边柱最大内力为：N=9522.8 KN，M=2009.4 KN-M，V=28.7 KN，采用二桩或三桩（与1B2号建筑共用基础时）。

为满足工艺设备基础布置的要求，桩承台顶标高为 -4.0m（部分为 -6.0m），承台高度为2.4m（四桩承台2.8m）。挖桩施工过程中遇到不少孤石和地下涌水，采用了井下爆破作业和下钢套管的方法，才渡过了难关。桩底基岩采用了物探检测的方法。

（3）楼板设计

二层、三层全部、四层、六层一部分（312㎡）及屋面层水箱间和电梯机房间均采用钢筋砼楼板，在压型钢板上现浇C30砼，压型钢板的厚度不少于1.0mm，波高51mm。其余楼板为钢格栅或花纹钢板，直接焊于梁上，屋面采用彩钢板。

（4）高层钢框架设计

a. 钢框架计算采用STS系列高层钢结构计算程序，节点计算采用手算。本工程建筑场地地震基本烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组为第一组；基本风压0.65 KN/㎡。计算结果，钢框架梁柱节点和柱脚内力都是很大的。

b. 根据外方的要求（不同意上下柱接头采用焊接，故否定了箱型截面方案），钢框架柱截面采用双向工字型截面。由于受工艺布置的限制，无法设置柱间支撑，且底层柱高度达到11.45m，因此柱截面很大，边柱为1100×1000×600×35×500×30×18，中柱为1300×1200×700×40×600×35×20。这种双向工字形柱截面，非常方便上下柱的螺栓连接，满足了双向框架的受力要求。钢框架梁采用工字形截面，最大梁截面为H1700×500×18×30，Q345钢材。

c. 根据外方要求，钢框架梁柱节点（两个方向）、柱上下端连接节点均采用摩擦型高强螺栓连接，螺栓的性能等级为10.9级。钢框架梁柱节点（两个方向）均为刚接。为了满足摩擦型高强螺栓连接的要求，一些梁端作了加腋处理。螺栓的布置和数量，节点板的尺寸、厚度，都由计算确定。

d. 钢框架柱脚采用外包式刚接柱脚。

e. 楼层次梁采用螺栓铰接，次梁的布置按工艺设备支点的位置而非均匀布置，截面尺寸亦按受力的不同而不同。

f. 为了确保钢框架体系的传力明确，设计中采取了两项关键措施：其一，由于电梯井道的位置偏于平面的一端，对电梯井道的钢筋砼筒体结构，采用防震缝与钢框架分开（井道四周与钢框架采用柔性连接），计算时，电梯井道的钢筋砼筒体结构不参与钢框架工作；其二，对荷重和刚度很大的钢料仓采用点式传力的方式，即将料仓的底部支承于钢梁上（螺栓连接），上部（穿过一层楼板）不与楼板或梁连接（采用柔性连接），这样在计算中只作为荷载作用于框架上，而不影响框架的刚度，从而大大简化了钢框架的设计。

参考文献

1．钢结构设计规范　　　　　　　　　　　　　GB 50017—2003

2．门式刚架轻型房屋钢结构技术规程　　　　　CECS 102：2002

3．高层民用建筑钢结构技术规程　　　　　　　JGJ 99—98

4．建筑抗震设计规范　　　　　　　　　　　　GB 50011—2001（2008版）

5．组合楼板设计与施工规范　　　　　　　　　CECS 273：2010

6．钢结构设计手册（上、下册）　　　　　　 中国建筑工业出版社 2004

（黄以庄，四川省设计大师，教授级高工）