钢结构建筑结构设计要点和降低用钢量方法结题报告.docx
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钢结构建筑结构设计要点和降低用钢量方法结题报告
钢结构建筑结构设计要点和降低用钢量方法
结题报告
宝钢建筑系统集成有限公司
二○一三年三月
钢结构建筑结构设计要点和降低用钢量方法
结题报告
技术指导：
高光虎、孙绪东
项目负责人：
田海
项目研究人员：
田海
宝钢建筑系统集成有限公司
声明:
本作品权益属宝钢建筑系统集成有限公司所有。
所含信息、专有技术应予保密。
未经本公司书面许可，不得修改、复制、提供或泄漏给任何第三方。
二○一三年三月
第1章概述……………………………………………………………………1
1.1控制钢结构用钢量的意义……………………………………………1
1.2本报告研究的对象……………………………………………………1
第2章建筑、结构的概念和方案的优化设计………………………………4
2.1自然条件的精确掌握…………………………………………………4
2.1.1抗震设防分类标准……………………………………………4
2.1.2荷载……………………………………………………………9
2.2平面布置原则………………………………………………………23
2.3平面的长宽比………………………………………………………24
2.4高宽比………………………………………………………………25
2.5建筑层数和高度的影响……………………………………………26
2.6立面形状……………………………………………………………26
第3章结构规范体系的选择…………………………………………………27
第4章结构选型………………………………………………………………33
4.1钢框架体系…………………………………………………………33
4.2钢管混凝土柱框架体系……………………………………………33
4.3钢框架（钢管混凝土柱框架）－支撑体系…………………………34
4.4钢框架－内藏钢板支撑剪力墙体系………………………………36
4.5钢框架－钢板剪力墙体系…………………………………………37
4.6交错桁架体系………………………………………………………38
4.7钢框架－钢筋混凝土核心筒体系…………………………………39
第5章材料……………………………………………………………………41
5.1高层建筑用钢要求…………………………………………………41
5.2焊接H型、高频焊接H型钢、热轧H型钢三者的比较…………41
5.3圆管和方管截面的选用原则………………………………………42
第6章结构分析和软件实现技巧……………………………………………44
6.1PKPM（STS）中和钢结构用钢量设计相关的参数选择……………44
6.2弱支撑框架弹性稳定计算的实用方法……………………………47
第7章构件设计………………………………………………………………49
7.1框架梁………………………………………………………………49
7.2非框架梁………………………………………………………………52
7.3框架柱………………………………………………………………54
7.4支撑…………………………………………………………………54
第8章楼板设计………………………………………………………………57
第9章构造要求和细节……………………………………………………60
9.1次梁和主梁的连接…………………………………………………60
9.2方管柱和H钢梁的连接节点…………………………………………60
9.3十字型柱的截面构造…………………………………………………63
第1章概述
1.1控制钢结构用钢量的意义
建筑钢结构的经济性能一直是大家最为关注的一个问题。
如何控制工程造价，充分发挥钢结构建筑技术经济上的综合优势，工程设计是一个非常重要和关键的阶段，据权威资料统计分析，在方案和初步设计阶段，影响工程造价的可能性为75%~95%；在技术设计实施阶段，影响工程造价的可能为35%~75%；在施工图设计阶段，影响工程造价的可能性5%~35%。
因此控制设计各阶段的质量、进行相应的设计优化对工程造价将产生直接的影响。
1.2本报告研究的对象
钢结构建筑的应用范围很广，主要包括厂房钢结构、低多层轻钢结构、多高层钢结构、大跨度钢结构、高耸和塔桅钢结构、桥梁钢结构以及一些移动钢结构。
从建筑的使用功能上来讲，建筑类型可分为民用建筑、工业建筑和农业建筑三大类型。
民用建筑又分为居住建筑和公共建筑两大类。
居住建筑指供生活起居用的建筑，如住宅、宿舍、酒店式公寓等；公共建筑指进行社会活动的非生产型建筑，如办公建筑、文教建筑、医疗建筑、商场建筑、观演建筑、展览建筑、交通通讯建筑、园林建筑等。
本手册主要关注采用低多层轻钢结构和多高层钢结构为载体的民用建筑的结构优化设计。
民用建筑中采用的大跨度钢结构包括网架、网壳、空间桁架、张弦等结构形式不在本报告的研究之范围。
在确定了本报告的研究范围之后，有必要对相关建筑类型从现行的建筑和结构规范的角度加以梳理和分类，以方便后续结构优化设计的方法讨论。
按《民用建筑设计通则》（GB50352-2005）第3.1.2条之规定：
民用建筑按地上层数或高度分类划分应符合下列规定：
（1）住宅建筑按层数分类：
一层至三层为低层住宅，四层至六层为多层住宅，七层至九层为中高层住宅，十层及十层以上为高层住宅；
（2）除住宅建筑之外的民用建筑高度不大于24m者为单层和多层建筑，大于24m者为高层建筑（不包括建筑高度大于24m的单层公共建筑）；
（3）建筑高度大于100m的民用建筑为超高层建筑。
《建筑设计防火设计规范》GB50016-2006和《高层民用建筑设计防火规范（2005版）》GB50045-95也有对于上述划分的相同规定。
但是突出了将首层设置商业服务网点的住宅也归于居住建筑的规定。
其中《建筑设计防火设计规范》GB50016-2006中第1.0.2条对建筑的高度和层数有如下具体规定：
（1）建筑高度的计算：
当为坡屋面时，应为建筑物室外设计地面到其檐口的高度；当为平屋面（包括有女儿墙的平屋面）时，应为建筑物室外设计地面到其屋面面层的高度；当同一座建筑物有多种屋面形式时，建筑高度应按上述方法分别计算后取其中最大值。
局部突出屋顶的瞭望塔、冷却塔、水箱间、微波天线间或设施、电梯机房、排风和排烟机房以及楼梯出口小间等，可不计入建筑高度内。
（2）建筑层数的计算：
建筑的地下室、半地下室的顶板面高出室外设计地面的高度小于等于1.5m者，建筑底部设置的高度不超过2.2m的自行车库、储藏室、敞开空间，以及建筑屋顶上突出的局部设备用房、出屋面的楼梯间等，可不计入建筑层数内。
住宅顶部为两层一套的跃层，可按1层计，其它部位的跃层以及顶部多于2层一套的跃层，应计入层数。
由上述建筑规范可见，住宅、宿舍等居住类建筑是按层数来划分是否为高层，其他类建筑按照建筑实际高度来划分是否为高层。
结构规范中涉及到上述内容的有《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第1.0.2条，本规程适用于10层及10层以上或房屋高度大于28m的住宅建筑以及房屋高度大于24m的其他高层民用建筑混凝土结构。
该规程中第11章规定混合结构的结构设计，其中有一部分涉及到钢结构的相关规定。
另《高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程》CECS230-2008中第1.0.2条规定本规程适用于10层及10层以上或房屋高度超过28m的高层建筑钢-混凝土混合结构的设计。
上述两本结构规程对高层建筑的界定并不完全统一。
综合上述建筑和结构规范，建议高层建筑的界定如下：
（1）对于住宅（包括首层设置商业服务网点的住宅）、宿舍、酒店式公寓等居住建筑，当建筑物层数为10层及10层以上，或房屋高度大于28m时，认定为高层建筑；
（2）对于带两层及两层以上商业的住宅、其他多层民用公共建筑，当房屋高度大于24m时，认定为高层建筑。
房屋高度为自室外地面至房屋主要屋面的高度，不包括突出屋面的电梯机房、水箱、构架等高度。
第2章建筑、结构的概念和方案的优化设计
在民用建筑设计中，往往建筑方案确定后，结构的成本也基本确定了60%～70％，剩下的30%～40％的成本可通过结构方案的优化和精细化设计来控制。
控制结构用钢量是成本控制的首要问题，必须从方案阶段着手，重视结构的概念设计。
概念设计，是指设计人员在从结构选型、布置，分析计算，截面设计到细部处理的整个设计过程中，对所遇到的问题依据建筑结构在各种情况下工作的一般规律（主要是建筑、结构专业的基础理论），结合实践经验，综合考虑各方面因素，确定合理的分析、处理方法，力求得到最为经济、合理的结构设计方案。
宏观上把握方案，无论是建筑和结构专业，可以从以下方面入手。
2.1自然条件的精确掌握
2.1.1抗震设防分类标准
对《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223-2008）进行深入理解后发现，建筑工程抗震设防类别划分的基本原则是从抗震设防的角度进行分类，即根据建筑遭遇地震破坏后，可能造成人员伤亡、直接和间接损失、社会影响的程度及其在抗震救灾中的作用等因素，将各类建筑划分为不同的抗震设防类别，采取不同的设计要求。
而在一个较大的建筑中，区别对待有不同使用功能的建筑区段，分别划分其设防类别，即为“按区段设置结构抗震设防类别”的思想。
分类对待、突出重点是在现有技术和经济条件下减轻地震灾害的重要对策之一。
“区段”是一个最为重要的概念。
“一个区段”指的是：
具有同一建筑功能的相关范围，考察的是人员的聚集程度（注意，人流是否密集是关键），与结构是否设置防震缝并无直接关系（防震缝作为区段的划分标志是有条件的，只有当防震缝两侧结构单元因建筑功能不同而被建筑隔墙隔开时，防震缝两侧的结构单元才可分为不同区段），而与建筑功能分区及不同区段出口设置有关。
结合工程实际，不同区段主要有以下情况：
（1）防震缝分开的不同结构单元；
（2）同一结构单元，上下楼层建筑功能显著不同，划分为不同区段；（3）同一结构单元，平面内使用功能显著不同，划分为不同区段。
情况
（1）：
防震缝分开的结构单元，抗震设防类别的划分
（a）各结构单元可根据本单元的建筑功能单独划分其抗震设防类别。
防震缝分开的结构单元，若各单元功能单一且有单独的疏散出入口，各单元独立承担地震作用，彼此之间没有相互作用，地震发生时人流疏散较容易，因此可按本单元的建筑功能单独划分其抗震设防类别。
（b）对于需按功能面积、人流量、座位数等要素确定抗震设防类别时（如商业建筑、影剧院等），可根据本单元的统计值划分其类别。
对于面积较大的多层商业建筑，若设置防震缝将其分成若干个结构单元，且各单元满足相关消防规范要求，有单独的疏散出入口，则各单元可根据本单元的人流量、商业面积来划分其抗震设防类别。
由此可见，合理设置防震缝，不仅能改善结构的平面规则性、竖向规则性，也可能影响抗震设防类别的划分，直接影响建筑功能、结构安全及工程造价。
例如：
某多层大型商业，总建筑面积4.78万平方米，远大于建筑面积1.7万平方米或营业面积7000m2的要求。
若设计为整体结构，本工程无疑应划为重点设防类；现按结合其建筑平面设置防震缝，将其划分为四个结构单元，并有独立的人流疏散系统，各单元面积及人数均未达到“大型商场”的标准，设防类别均为标准设防类（图2.1）。
图2.1某大型多层商业防震设置示意图
（c）由防震缝分开的各结构单元并不能直接视为不同区段，分别划分其抗震设防类别；应根据规范提高抗震设防标准的目的，判断各结构单元是否能独立实现其设防目标，以此来判断各结构单元是否能作为区段分别划分其抗震设防类别。
如商场、剧场等人员密集建筑，提高其设防类别是为了避免人员伤亡；因此各单元应有独立的人流疏散体系，保证人员安全，才能将由防震缝分开的各结构单元单独划分其抗震设防类别。
基础设施建筑（如电力、通讯、交通、城市生活供给等建筑），规范提高抗震设防的标准是保证此类建筑在地震时使用功能不能中断或能尽快恢复，所以此类建筑设置防震缝时，主功能房结构单元除应满足建筑功能要求外，应具备满足基础设施正常使用的配套设备系统；如配套系统位于另一结构单元，则此结构单元的设防类别也应达到相应类别，并保证不因防震缝的设置影响设防目标。
情况
（2）：
同一结构单元上下楼层建筑功能显著不同时，抗震设防类别的划分
（a）同一结构单元内，上下楼层建筑功能显著不同时，可将其划分为不同区段，分别划分其抗震设防类别。
例如A级高度的高层住宅带有大型的人流密集的多层商业裙房，若高层住宅和多层裙房之间未设防震缝，是一个结构单元，多层裙房商场及高层住宅下部几层按规范为重点设防类时，其上部住宅可按标准设防类设防。
某大型商住建筑群，设置三道抗震缝，将整个建筑分为A、B、C、D四个结构单元。
A单元由A、B塔楼及裙房构成，为大底盘双塔结构，B单元由C塔楼及裙房构成，为大底盘单塔结构，C单元由D塔楼及裙房构成，为大底盘单塔结构。
裙房部分均为2层地下车库、6层商业，其上塔楼为住宅或写字间。
因裙房与塔楼建筑功能显著不同，按上下区段分别划分抗震设防类别，裙房划分为重点设防类，塔楼划分为标准设防类。
D单元是位于B、C单元间的多层建筑，是两个单元间的连接体，为2层地下车库、6层商业，建筑面积及使用人数未达到“大型商场”的标准，抗震设防类别为标准设防类（图2.2）。
图2.2某建筑物的抗震设防分类
（b）位于下部的区段，其抗震设防类别不应低于上部的区段。
在同一结构单元中，按区段划分时，若上部区段建筑设防类别较高，下部区段建筑设防类别较低，则其下部区段建筑设防类别也应按较高的建筑设防类别划定。
如多层商业建筑，二、三层设置大型电影院时，需设置为重点设防类，则电影院下部楼层也应设置为重点设防类。
（c）下部区段为设防类别较高的大型商业建筑，其人流疏散通道需利用上部区段部分楼层区域时，经过的楼层应按下部区段较高的建筑设防类别划定。
例如，带地下商业的商住楼项目或带吊层的商住楼，其平街层设置地下商业的出入口，按上下区段分别划分其抗震设防类别时，平街层应按下部区段考虑其设防类别。
（d）上下区段抗震设防类别不同时，与下区段较高设防类别相邻的部分楼层应适当提高其抗震要求。
王亚勇、戴国莹编《建筑抗震设计规范GB50011答疑》第3.4条建议“与下区段相邻的上部高层建筑二层抗震设防类别与下区段一致”。
情况3：
同一结构单元平面内建筑功能显著不同时，抗震设防类别的划分
（a）同一结构单元平面内建筑功能显著不同时，可按不同区段根据其建筑功能分别划分其抗震设防类别。
例如未设防震缝的大底盘多塔结构的各塔楼建筑功能显著不同时，各塔楼可视为不同区段，分别划分其设防类别。
又如一个带大型商业裙房的高层酒店（未设防震缝），裙房的塔楼投影区域为酒店配套用房，裙房其余区域为大型商业，则可将裙房的塔楼投影区域与裙房其余区域视为不同区段，分别按酒店和大型商业划分其设防类别。
（b）平面内区段的划分范围，应结合平面内建筑功能的区域来划分；同时应根据规范抗震设防目标，判断各区段是否能独立实现其设防目标，以此来判断区段划分的范围。
例如大型的多层裙房商业及办公，若商业和办公区域之间未设防震缝，是一个结构单元，商业区段为重点设防类，办公区段为标准设防类时，如果商业的人流疏散通道需要利用办公的部分区域，则相应区域应划分为商业区段，设防类别为重点设防类。
（c）平面内区段抗震设防类别不同时，不同区段相邻构件的处理，规范及相关参考资料并未提及，建议参照王亚勇、戴国莹编《建筑抗震设计规范GB50011答疑》第3.4条“与下区段相邻的上部高层建筑二层抗震设防类别与下区段一致”的处理方式，将不同区段相邻跨抗震设防类别与较高设防要求区段一致，适当提高其抗震构造。
2.1.2荷载
（1）民用建筑设计时，对其承受的永久荷载和可变荷载应按《建筑结构荷载规范》GB50009-2012的有关规定取值。
施工过程中的临时荷载可按照预期的最大合理值确定。
应避免在建筑设计使用年限内由于设计不周发生结构构件不应有的超载。
（2）对重要建筑物、中外合资工程或国外工程，可根据业主的要求确定楼面活荷载标准值。
设计时宜考虑使用期间设备更新或用途变更的可能，适当增大楼面活荷载标准值。
对于办公用房一般不宜小于2.5kN/m2。
（3）民用建筑的荷载取值以现行的《建筑结构荷载规范》GB50009-2012为基准。
其它有关设计规范中未予明确的楼面活荷载标准值，可根据楼面上活动的人数和设备的不同状态将其取值（Lk=2.0kN/m2）分为七个类别：
（a）活动的人数很少Lk=2.0kN/m2
（b）活动的人数较多且有设备Lk=2.5kN/m2
（c）活动的人数很多且有较重的设备Lk=3.0kN/m2
（d）活动的人数很集中，有时很挤或有较重的设备Lk=3.5kN/m2
（e）活动的性质比较剧烈Lk=4.0kN/m2
（f）储存物品的仓库Lk=5.0kN/m2
（g）有大型的机械设备Lk=6.0~7.5kN/m2
设计人员可根据工程的实际情况对照上述类别选用。
但当有特别重的设备时（如医院的核磁共振设备室、银行的保管用箱等），应根据实际情况另行考虑。
（4）楼面活荷载补充规定
1）医院建筑中布置有医疗设备的楼（地）面活荷载（表2.1）。
表2.1有医疗设备的楼（地）面均布活荷载
项次
类别
标准值
（
）
准永久值
系数
组合值
系数
1
X光室：
1．30MA移动式X光机
2．200MA诊断X光机
3．200KV治疗机
4．X光存片室
2.5
4.0
3.0
5.0
0.5
0.5
0.5
0.5
0.7
2
口腔科：
1．201型治疗台及电动脚踏升降椅
2．205型、206型治疗台及3704型椅
3.0
4.0
0.5
0.5
0.7
3
消毒室：
1．1602型消毒柜
2．2616型治疗台及3704型椅
6.0
5.0
0.8
0.8
0.7
4
手术室：
3000型、3008型万能手术床及3001型骨科手术台
3.0
0.5
0.7
5
产房：
设3009型产床
2.5
0.5
0.7
6
血库：
设D-101型冰箱
5.0
0.8
0.7
注：
当医疗设备型号与表中不符时，应按实际情况采用。
2）商业仓库库房楼（地）面均布活荷载（参见中华人民共和国商业部标准《商业仓库设计规范》SBJ01-88）。
（a）库房楼（地）面的荷载应根据储存商品的容重及堆码高度等因素确定；
（b）储存商品的商品包装容重可按以下分类：
①笨重商品（大于1000kg/m3）：
如五金原材料、工具、圆钉、铁丝等；
②容重较大商品（500～1000kg/m3）：
如小五金、纸张、包装食糖、肥皂、食品罐头、
电线、电工器材等；
③容重较轻商品（200～500kg/m3）：
如针棉织品、纺织品、文化用品、搪瓷玻璃制品、
塑料制品等；
④轻泡商品（小于200kg/m3）：
如胶鞋、铝制品、灯泡、电视机、洗衣机、电冰箱等；
⑤综合仓库储存商品的包装容重一般可采用400～500kg/m3。
（c）一般情况下，商业仓库库房楼（地）面均布活荷载可按表2.2取用。
表2.2商业仓库库房楼（地）面均布活荷载
项次
类别
标准值
（
）
准永久值
系数
组合值
系数
备注
1
储存容重较大商品的楼面
20
0.8
0.9
考虑起重量100kg以内的叉车作业
2
储存容重较轻商品的楼面
15
0.8
3
储存轻泡商品的楼面
8-10
0.8
—
4
综合商品仓库的楼面
15
0.8
考虑起重量1000kg以内的叉车作业
5
各类库房的底层地面
20-30
0.8
6
单层五金原材料库的库房地面
60-80
0.8
考虑载货汽车入库
7
单层包装糖库的库房地面
10-45
0.8
8
穿堂、走道、收发整理间楼面
10
0.5
0.7
—
15
0.5
考虑起重量1000kg以内的叉车作业
9
楼梯
3.5
0.5
0.7
—
3）物资仓库楼（地）面均布活荷载（摘自中华人民共和国行业标准《物资仓库设计规范》SBJO9-95）。
物资仓库楼（地）面均布活荷载标准值见表2.3。
表2.3库房等效均布活荷载标准值
库房
楼面地面
等效均布活荷载（
）
准永久值
系数
组合值
系数
备注
名称
物资类别
金属库
—
地面
120.0
—
0.9
—
机电产品库
一、二类机电产品
地面
35.0
—
—
三类机电产品
楼面
9.0/5.0
0.85
堆码、货架
车库
楼/地面
4.0
0.80
—
化工、轻工物资库
一、二类化工轻工物资
地面
35.0
—
—
三类化工轻工物资
楼/地面
18.0/30.0
0.85
—
建筑材料库
—
楼/地面
20.0/30.0
0.85
—
楼梯
—
—
4.0
0.5
0.7
—
注：
l物资类别参见表2.4。
2设计仓库的楼面梁、柱、墙及基础时，楼面等效均布活荷载标准值不折减。
表2.4常见生产资料分类表
物资类别
示例
金属物资
黑色金属
型材、异型材、板材、管材、线材、丝材、钢轨及配件车轮、钢带、钢锭、钢坯、生铁、铸铁管、金属锰
有色金属
型材、板材、管材、丝材、带材、金属锭、汞
机电产品
一类
锅炉、破碎机、推土机、挖土机、汽车、拖拉机、起重机、锻压设备、汽轮机、发电机、卷扬机、空气压缩机、土工机床、金属切削机床
二类
水泵、风机、乙炔发生器、阀门、风动工具、电动葫芦、台钻、砂轮机、电动机、电焊机、手提式电钻、材料试验机、钢瓶、变压器、电缆、高压电器、低压电器
三类
机床附件、磨具、磨料、量具、刃具、轴承、成分分析仪器、医疗器械、电工仪表、工业自动化仪表、光学仪器、实验室仪器
化工、轻工物资
一类
一级易燃液体、压缩气体及液化气体、腐蚀性液体、自然物品
一级易燃固体、遇水燃烧物、一般氧化剂、剧毒品、腐蚀性固体
二类
二级氧化剂、二级易燃固体、二级易燃液体、化肥、纯碱、油漆
三类
橡胶原料及制品、人造橡胶、塑料原料及制品、纸浆及纸张、
建筑材料
水泥、油毡、玻璃、沥青、卫生陶瓷、生石灰、大理石、砖、瓦、砂、碎石
木材
原木、板、枋、枕木、胶合板
煤炭
煤、泥炭、焦炭
4）电信建筑楼面等效均布活荷载值，系根据目前已有的有代表性的通信设备的重量、排列方式及建筑结构的不同梁板布置，按内力（弯矩、剪力）等值的原则计算确定。
表2.5中的移动通信机房的数值，也适用于无线寻呼机房。
表2.5电信建筑楼面等效均布活荷载
序号
房间名称
标准值
准永久值
系数
组合值
系数
板
次梁
主梁
板跨
1.9m
板跨
2.5m
板跨
3.0m
次梁间距
次梁间距
次梁间距
1
电力室
有不间断电源开间
16.00
15.0
13.00
11.00
9.00
8.00
6.00
0.8
0.7
无不间断电源开闸（单机重量大于10kN时）
13.00
11.0
9.00
8.00
7.00
7.00
6.00
无不间断电源开闸（单机重量小
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