多层教学楼建设钢结构设计.docx
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多层教学楼建设钢结构设计
多层教学楼建设钢结构设计
第一章绪论
1.1选题的背景和意义
1.1.1选题的背景
改革开放以来，我国综合实力日强，人民生活水平日渐提高。
物质上的日渐丰富使得人们更加重视精神上的需求。
作为人们主要活动场所的建筑的功能和质量成为人们关注的一个焦点。
同时，我国也是一个人均资源占有量相对紧缺，能耗总量相对较大的国家。
目前我国的能耗总量己达到世界第一，在提高建筑质量的同时必须综合考虑资源节约问题，建筑节能与开发清洁能源刻不容缓[1]。
我国目前建筑的各种成熟结构体系大多为砌体和钢筋混凝结构。
此类结构，材料强度低，对环境污染严重，不能重复回收利用，在适应人们的更高要求上有局限;同时产业化程度低，不利于工业化、系列化生产。
特别是在砖混房屋中使用的粘土砖的制作要占用大量的可耕地，使我国原本就很缺乏的耕地资源更加短缺。
这些都对结构体系的创新提出了要求[2]。
2006年3月14日，我国正式提出了第十一个五年计划纲要，其中明确指出“把节约资源作为基木国策，发展循环经济，保护生态环境”，“节约发展，清洁发展”，“实现可持续发展”，“发展节能型建筑”。
根据国外经验，要提高建筑性能实现产业现代化、标准化、节能化，符合“十一五”发展纲要，目前最适宜的结构首推钢结构。
本文以广州地区较早兴建的多层民用钢结构建筑——广东某学院1号教学楼作为研究对象，对该类型的多层民用钢结构房屋设计进行结构、经济分析和优化研究。
1.1.2研究的意义
与传统结构相比，钢结构房屋具有许多优点:
1、强度高，质量轻
钢材与其他建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比，强度要高得多，弹性模量也高，因此结构构件质量轻且截面小，特别适用于跨度大，荷载大的构件和结构。
研究数据表明，多、高层钢结构的自重一般为馄凝土结构自重点1/2~3/5.再以构件为例，同样荷载和跨度条件下，钢屋架的重量是混凝土屋架的1/4~1/3，冷弯薄壁型钢屋架甚至接近1/10。
结构自重的降低，可以减小地震作用，进而减小结构内力，还可以使基础的造价降低，这个优势在软土地区更加明显.此外，构件轻巧也便于运输和安装。
2、构件截面小，有效空间大
由于钢材的强度高，构件截面小，所占空间也就小。
以相同受力条件的简支梁为例，混凝土梁的高度通常是跨度的1/10~1/8，而钢梁约是1/16~1/12，如果钢梁有足够的侧向支撑，甚至可以达到1/20，有效增加了房屋的层间净高。
在梁高相同的条件下，钢结构的开间可以比混凝土结构的开间大50%，能更好地满足建筑上大开间，灵活分割的要求。
另外，多层民用建筑中的管道很多，如果采用钢结构，可以在梁腹板上开洞以穿越管道，如果采用混凝土结构，则不宜开洞，管道一般从梁下通过，从而要占用一定的空间。
因此在楼层净高相同的条件下，钢结构楼层高度要比混凝土的小，可以减小墙体高度，并节约室内空调所需的能源，减小房屋维护和使用费用。
柱的截面尺寸也类似，在多、高层建筑中，钢柱的截面面积占建筑面积的3%~5%，而混凝土柱的截面面积占建筑面积的6%~9%。
两者相比，钢结构可以增加室内有效使用面积2%一6%。
由于梁柱截面较小，避免了“粗柱笨梁”现象，室内视觉开阔，美观方便。
3、材料均匀，塑性、韧性好，抗震性能优越
由于钢材内部原子排列均匀接近各向同性，钢结构的实际工作性能比较符合目前采用的理论计算模型，因此可靠性高。
同时，因钢材塑性、韧性好，耗能能力强，一般不会因超载而发生突然断裂，适于承受动力荷载和冲击荷载，抗震性能非常优越。
表1-1所列为1985年墨西哥8.1级大地震中，钢框架与混凝土框架的破坏对比情况，即能说明这一点。
表1-11985年墨西哥地震震害统计[3]
结构类型
建造年代
破坏程度
1957年以前
1957-1976年
1976年以后
合计
钢框架
倒塌
7
3
0
10
严重破坏
1
1
0
2
混凝土框架
倒塌
27
51
4
82
严重破坏
16
23
6
45
4、制造简单，施工周期短
钢结构所用的材料多是成品或半成品材料，加工比较简单，并能够使用机械操作，易于定型化、标准化，工业化生产程度高，因此，钢构件一般在专业化的金属结构加工厂制作而成，精度高，质量稳定，劳动强度低。
构件在工地拼装时，多采用简单方便的焊接和螺栓连接，钢构件与其他材料构件的连接也比较方便。
有时钢构件还可以在地面拼装成较大的单元后再进行吊装，以降低高空作业量，缩短施工工期。
一般情况下，多、高层钢结构平均4天一层，而混凝土结构平均6天一层，即钢结构的施工速度约是混凝土结构的1.5倍。
结构施工周期短，使整个建筑更早投入使用，不但可以缩短贷款建设的还贷时间，减少贷款利息，而且提前收到投资回报。
如前几年高档办公楼的投资回收期为3年左右，如果采用钢结构代替混凝土结构，可提前半年投入使用，相当于节省投资18%[3]。
5、节能，环保
与传统的砌体结构和混凝土结构相比，钢结构属于绿色建筑结构体系。
钢结构房屋的墙体多采用新型轻质复合墙板或轻质砌块，如高性能NAIC板（配筋加气混凝土板）、复合夹心墙板、幕墙等;楼（屋）面多采用复合楼板，如压型钢板一混凝土组合板、轻钢龙骨楼盖等，符合建筑节能和环保要求，可以达到节能50%的目标，节约了我国相对人均短缺点能源。
钢结构的施工方式为干式施工，可避免混凝土湿式施工所造成的环境污染。
钢结构材料还可利用夜间交通流畅期间运送，不影响城市闹市区建筑物周围的日间交通，噪声也小。
另外，对于己建成的刚架构也比较容易进行改建和加固，用螺栓连接到钢结构还可以根据需要进行拆迁，有利于环境保护[3]。
近年来我国钢与钢材的产量、品种、规格增长迅速，价格下降，原来钢产量和价格对建筑钢结构使用造成的阻力己不复存在;同时，自19%年以来我国每年城市住宅竣工面积约9~11亿立方米，乡镇住宅几十亿立方米。
建筑钢结构技术的应用正成为解决钢销路的重要途径。
正是着眼于钢结构优秀的结构性能、钢材的环保性质以及发展钢结构对相关产业的带动，国家主管部门也积极推广钢结构和支持钢结构相关技术的研究。
各种专业规范、规程相继出台或修订，如《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ99一98）、《钢结构设计规范》（GB50017一2003）、《建筑抗震设计规范》（GB50011一2001）等等，标志着我国钢结构技术的进一步成熟。
另一方面，建设部等相关部委相继发布了一系列指导性政策和意见，把钢结构技术列为“十五”期间十大重点推广技术，对我国钢结构建筑业的持续健康发展起到了积极推动作用。
目前，我国多层民用钢结构房屋技术还处于起步阶段，需要解决的问题很多，如建筑配套技术、结构体系等还很不完善，以至于在一些工程设计中出现了严重的技术经济不合理现象，有的甚至造成工程质量事故。
研制和开发适合于工业化和标准化的各类钢结构体系己成为目前国内钢结构研究人员面对的共同课题.结构体系的可靠性、计算方法的合理性、施工作业的可操作性、墙体材料、防火防腐等制约钢结构发展的问题都亟待解决。
为了我国钢结构产业的自主开发和国产化道路，有必要对钢结构体系的这些关键技术进行研究。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外钢结构的发展历史及现状
现代轻钢房屋建筑体系诞生于20世纪初，于“二战”期间得到快速发展。
当时钢结构多应用于工厂、桥梁和大型公共建筑;20世纪40年代后期出现了门式刚架;20世纪60年代开始大量应用由彩色压型板及冷弯薄壁型钢凛条组成的轻质围护体系;目前钢结构体系开始逐步渗入到对跨度和荷载并无特殊要求的居住建筑领域。
近两年来，世界钢铁产量的增加和国际军需用钢量的下降，促使各国拓展了钢结构使用范围，各国建筑用钢量在钢材总耗用中的比例明显提高，一般在30%左右，日本在50%左右。
美国、瑞典、日本等国家，钢结构用钢量已占钢材产量的30%以上，钢结构面积占到总建筑面积的40%以上[4]。
轻钢结构已成为发达国家的主要建筑结构形式。
在欧洲，“二战”过后，欧洲一些国家为解决房荒问题，掀起住宅建筑工业化高潮，形成了一批完整的标准化系列的建筑住宅体系并应用至今。
英国新建的非居住类房屋建筑中，90%的单层和60%的多层建筑都采用轻钢结构.而瑞典己是当今世界上最大的轻钢结构住宅制造国，他们的轻钢结构住宅预制构件达95%，欧洲各国都到瑞典去订制住宅，通过集装箱发运。
在美国，轻钢结构体系的分析、设计理论和方法及制造工艺上已经非常完善，开发了多种专利产品，其专用设计软件可在短时间内完成设计、绘图、工程量统计及工程报价，在制作上也实现了高度的标准化及工厂化[5]。
在日本，日本新建的1一4层建筑大都采用了钢结构.1999年统计资料表明，其钢结构低层住宅已占工业住宅的71%。
在澳洲，澳洲钢结构住宅的市场占有率约15%。
在以色列，以色列居民定居点的住宅以钢结构为主。
同时，由于钢结构本身具备自重轻、强度高、施工快等独特优点，因此对高层、大跨度，采用钢结构更是非常理想，目前世界上最高、最大的结构都是采用钢结构，而历届奥运会的场馆也多采用钢结构。
目前，世界上已建有几个纯钢结构建筑为世界上最高的超高层建筑。
1.2.2我国钢结构的发展历史及现状
一个国家采用钢结构的历史，往往与这个国家的钢铁产量和钢铁冶炼技术有关。
我国古代钢铁冶炼技术在世界上处于前列。
我国是最早用钢铁建造桥梁和寺塔等承重结构的少数几个国家之一如建于1705年（清康熙44年）的四川沪定大渡河桥，桥宽2.8m，全长100m，比欧洲和美国建造的第一座铁桥早100年左右。
塔刹类建筑则有建于1061年，目前仍保存完好的湖北荆洲13层玉泉寺铁塔，以及山东济南铁塔寺铁塔和江苏镇江的甘露寺铁塔[6]。
18世纪欧洲工业革命以后，由于钢铁工业的发展，钢结构在欧洲各国的应用逐渐增多，范围也不断扩大，而我国在1840年鸦片战争以后，沦为半封建半殖民地国家，经济停滞不前，钢结构发展非常缓慢，与欧美各国差距拉大。
20世纪50~60年代，在前苏联的经济技术援助下，我国钢结构迎来了第一个初盛期，在工业厂房、桥梁、大型公共建筑和高耸构筑物等方面都取得了卓越的成就，至今仍发挥着巨大的作用，如鞍钢、包钢、武钢、沈阳飞机制造厂、大连造船厂、北京体育馆（跨度57m的两铰拱）、人民大会堂（跨度60.9m的钢屋架）[7]、武汉长江大桥（全长1670m）等等，并且编制了我国第一部钢结构行业规范（规结4一54），缩小了与发达国家间的差距，但多、高层民用钢结构建筑仍然空白。
20世纪60年代中后期至70年代，尽管我国冶金工业有了较大的发展，但各部门需要钢材量也越来越多，国家提出在建筑业节约钢材的政策，并且在执行过程中出现了一定的失误，限制了钢结构的合理使用与发展，钢结构发展进入低潮。
但这一时期的行业规范有了实质性的进展，独立编制了《弯曲薄壁型钢结构技术规范草案》（1969）、《钢结构工程施工及验收规范》（GBJ18一66）和《钢结构设计规范》（TJ17一74），标志着我国的钢结构设计技术己走上了独立发展的道路.
20世纪80年代，我国东部沿海地区引进国外现代钢结构建筑技术，如上海宝山钢铁厂（105万m2）、山东石横火力发电厂等，促进了各种钢结构厂房的建成，深圳、北京、上海各地也兴建了一些高层钢结构建筑，如深圳发展中心大厦（高165m，是我国第一栋超过100m的钢结构高层建筑）、北京京广大厦（高208m），迎来了钢结构发展的又一次高峰.但是多层钢结构只见于个别工业厂房的一部分，在民用建筑中仍然为空白。
自20世纪90年代至今，我国钢结构行业发展步入快速发展期，钢结构的发展日新月异，规模更大、技术更新，呈现出数百年来未有过的兴旺景象，被成为建筑行业的“朝阳产业”。
代表建筑有深圳帝王大厦（高325m）、上海金贸大厦（高460m）、上海东方明珠电视塔（高468m）.
我国多层钢结构比国外起步晚了接近一个世纪，因此，总体水平与西方发达国家相比，仍有较大的差距。
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