李紅娜

摘 要：以某輕鋼別墅工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，介紹了輕鋼別墅的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程，分析設(shè)計參數(shù)和各項(xiàng)指標(biāo)。為輕鋼別墅的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：輕鋼；別墅；結(jié)構(gòu)設(shè)計

1 引言

輕鋼結(jié)構(gòu)房屋隨著裝配式建筑的春風(fēng)，在持續(xù)升溫，國內(nèi)的輕鋼結(jié)構(gòu)住宅在持續(xù)增多。而且輕鋼結(jié)構(gòu)住宅以其質(zhì)量輕、施工速度快、環(huán)保等特性[1]，在別墅建筑中頗受歡迎。但是輕鋼別墅的結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復(fù)雜，適用于輕鋼別墅的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件較少，而且不具有通用性，較難模擬冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的受力蒙皮作用。本文使用佳構(gòu)strat通用有限元軟件，對某輕鋼結(jié)構(gòu)別墅進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，詳細(xì)介紹了輕鋼別墅的結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核。

2 輕鋼別墅簡介

2.1 簡介

輕鋼結(jié)構(gòu)體系主要指采用輕型鋼結(jié)構(gòu)材料或輕鋼構(gòu)件制作的結(jié)構(gòu)體系，一般采用冷彎薄壁型鋼C型鋼、Z型鋼和H型鋼等[2]。

低層冷彎薄壁型鋼房屋體系，將受力結(jié)構(gòu)與維護(hù)結(jié)構(gòu)合為一體， 具有受力蒙皮作用，即與支承構(gòu)件可靠連接的結(jié)構(gòu)面板體系所具有的抵抗自身平面內(nèi)剪切變形的能力。這種結(jié)構(gòu)體系的墻體結(jié)構(gòu)是由立柱、頂導(dǎo)梁、底導(dǎo)梁、面板、支撐、拉條或撐桿等部件通過連接件形成的組合構(gòu)件。墻體結(jié)構(gòu)本身及相互間再通過自攻螺釘、拉鉚釘、抗拔螺栓絲桿等相連接形成整體結(jié)構(gòu)。該體系的維護(hù)結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)面板和屋面板，它直接安裝在立柱或梁上，用以傳遞荷載和支承墻（梁）[3]。

2.2 工程概況

本項(xiàng)目為漯河市雪霽花?；閼c小鎮(zhèn)項(xiàng)目，坐落于河南省漯河市，該項(xiàng)目采用vertex軟件進(jìn)行建筑設(shè)計和加工制作，采用strat軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。結(jié)構(gòu)類型為冷彎薄壁型鋼墻體結(jié)構(gòu)體系，建筑長13.7米，寬12.9米，建筑高4.8米，一層，建筑面積為104.66平方米。

墻體為輕鋼龍骨墻體，采用9mm厚OSB板內(nèi)嵌泡沫混凝土，所有鋼構(gòu)件均采用冷彎薄壁C型鋼，材料強(qiáng)度為Q550，規(guī)格為C89mm×41mm×11mm×0.8mm。自攻螺釘選用ST4.8級。屋面板選用12mm厚OSB板維護(hù)，上鋪瀝青瓦。

3 結(jié)構(gòu)分析依據(jù)

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)分析依據(jù)的規(guī)范主要是《低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術(shù)規(guī)程》和其他結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。由于本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)全部由一種C型鋼組合而成，結(jié)構(gòu)較為特殊，PKPM等結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件不能滿足設(shè)計要求，綜合考慮各種因素，確定結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件采用STRAT，因?yàn)閟trat可以對低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行全面細(xì)致的構(gòu)件驗(yàn)算，包括偏心桁架的立柱、剪撐的強(qiáng)度穩(wěn)定驗(yàn)算，連接剪撐、立柱的銷釘?shù)目辜趄?yàn)算、得到需要銷釘?shù)拿娣e，木墻板的強(qiáng)度和固定墻板所需要的銷釘面積。確保各個環(huán)節(jié)、各個部位均滿足受力要求，使這種結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計更安全、合理，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化[4]。 STRAT軟件水平地震作用采用反應(yīng)譜法。構(gòu)件驗(yàn)算將驗(yàn)算偏撐桁架立柱的軸壓、局部彎曲作用下，剪撐的軸向拉壓作用，以及剪撐端部抗剪銷釘?shù)拿娣e。對于木板墻，程序會驗(yàn)算墻板本身的壓彎強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度。針對墻板通過銷釘與立柱連接固定、連接，程序還計算墻板側(cè)邊需要的抗剪銷釘面積。

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 建模與計算

對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，首先建立立柱，將由多個C型鋼形成的立柱定義為組合截面，根據(jù)需要采用拼接式或格構(gòu)式的截面形式，然后建立墻體結(jié)構(gòu)的梁，門窗上面的托梁可采用桁架梁，托梁截面定義為組合截面。再繪制墻板，進(jìn)行墻單元整合。對于屋頂三角桁架，則直接輸入桁架的上弦桿、下弦桿、腹撐桿，此處不定義組合截面?？梢詫ξ菁芙Y(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的簡化，當(dāng)屋面梁全部布置完畢后，點(diǎn)擊板殼邊生成屋面板。然后對屋面板殼加載，分別加上恒載和活載。設(shè)置樓層表，結(jié)構(gòu)層數(shù)為一層，修改樓層高度為實(shí)際結(jié)構(gòu)的高度，樓面為非剛樓面，按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》調(diào)節(jié)體型系數(shù)，分別對墻體結(jié)構(gòu)和屋面的節(jié)點(diǎn)加上風(fēng)荷載。在以上的建模過程中，需要注意的問題為確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件全部交點(diǎn)分圖，墻單元整合，屋面板荷載全部傳到屋架結(jié)構(gòu)上。

具體結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)如下：梁柱構(gòu)件采用材料為Q550鋼材，墻板和屋面板采用TC17A木板，屋面恒載為0.75KN/m2 ，屋面活載為0.5KN/m2，基本風(fēng)壓0.4KN/m2，設(shè)防烈度為6度，地震分組為第一組，以風(fēng)載節(jié)點(diǎn)的方式分別在墻板和屋面板的節(jié)點(diǎn)上輸入體型系數(shù)，程序自動導(dǎo)算風(fēng)荷載。調(diào)節(jié)好總體參數(shù)后，生成計算數(shù)據(jù)，進(jìn)行力學(xué)計算，采用LU分解法，振型方法為蘭索斯法。

4.2 結(jié)構(gòu)分析

首先查看plots中結(jié)構(gòu)模型的各個荷載工況下的變形，當(dāng)變形正常時，再進(jìn)入Archi規(guī)范驗(yàn)算階段，若變形不正常，重新返回Prep前處理模塊，調(diào)整結(jié)構(gòu)模型。進(jìn)入Archi模塊后，運(yùn)行結(jié)構(gòu)類型、構(gòu)件合并、特殊構(gòu)件、計算長度、荷載組合、參數(shù)判斷和規(guī)范驗(yàn)算，查看應(yīng)力結(jié)果，形成計算報告。驗(yàn)算的參數(shù)包括：振型質(zhì)量參與系數(shù)，結(jié)構(gòu)舒適性驗(yàn)算、基底總內(nèi)力、傾覆彎矩、剪重比、樓層總體內(nèi)力、樓層側(cè)移、樓層的抗側(cè)剛度和豎向剛度，整體穩(wěn)定性驗(yàn)算、樓層最小地震剪力系數(shù)等。

在結(jié)構(gòu)分析過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計冗余量較大，結(jié)構(gòu)偏于安全。在軟件中，還可以調(diào)整應(yīng)力比上限和下限來進(jìn)行鋼截面的優(yōu)化。

5 結(jié)論

輕鋼別墅在我國的應(yīng)用會越來越多，搞好輕鋼別墅的設(shè)計至關(guān)重要，但是輕鋼別墅的結(jié)構(gòu)設(shè)計較為欠缺，結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件大都不能完全模擬輕鋼別墅的受力情況。本文利用佳構(gòu)設(shè)計軟件，介紹了低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)別墅的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程，提供一種輕鋼別墅的結(jié)構(gòu)設(shè)計案例，為國內(nèi)輕鋼別墅的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉湘婷.輕鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計實(shí)例分析[J].黑龍江科技信息，2013（23）：179.

[2] 田鏡楷.新型輕鋼結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計研究[J].哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，2013（3）：79～82.

[3] JGJ227-2011.低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術(shù)規(guī)程[S].

[4] STRAT 輕型薄壁鋼住宅鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊（無比鋼結(jié)構(gòu)）.