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轻钢别墅的结构设计及工程实例分析

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  1 引言

  轻钢结构房屋随着装配式建筑的春风,在持续升温,国内的轻钢结构住宅在持续增多。而且轻钢结构住宅以其质量轻、施工速度快、环保等特性[1],在别墅建筑中颇受欢迎。但是轻钢别墅的结构设计较为复杂,适用于轻钢别墅的结构设计软件较少,而且不具有通用性,较难模拟冷弯薄壁型钢结构的受力蒙皮作用。本文使用佳构strat通用有限元软件,对某轻钢结构别墅进行结构设计,详细介绍了轻钢别墅的结构设计与校核。


  2 轻钢别墅简介

  2.1 简介

   轻钢结构体系主要指采用轻型钢结构材料或轻钢构件制作的结构体系,一般采用冷弯薄壁型钢C型钢、Z型钢和H型钢等。

  低层冷弯薄壁型钢房屋体系,将受力结构与维护结构合为一体, 具有受力蒙皮作用,即与支承构件可靠连接的结构面板体系所具有的抵抗自身平面内剪切变形的能力。这种结构体系的墙体结构是由立柱、顶导梁、底导梁、面板、支撑、拉条或撑杆等部件通过连接件形成的组合构件。墙体结构本身及相互间再通过自攻螺钉、拉铆钉、抗拔螺栓丝杆等相连接形成整体结构。该体系的维护结构是结构面板和屋面板,它直接安装在立柱或梁上,用以传递荷载和支承墙(梁)。


  2.2 工程概况

  该项目采用vertex软件进行建筑设计和加工制作,采用strat软件进行结构验算。结构类型为冷弯薄壁型钢墙体结构体系,建筑长13.7米,宽12.9米,建筑高4.8米,一层,建筑面积为104.66平方米。


  墙体为轻钢龙骨墙体,采用9mm厚OSB板内嵌泡沫混凝土,所有钢构件均采用冷弯薄壁C型钢,材料强度为Q550,规格为C89mm×41mm×11mm×0.8mm。自攻螺钉选用ST4.8级。屋面板选用12mm厚OSB板维护,上铺沥青瓦。


  3 结构分析依据

  本项目结构分析依据的规范主要是《低层冷弯薄壁型钢房屋建筑技术规程》和其他结构设计规范。由于本项目结构全部由一种C型钢组合而成,结构较为特殊,PKPM等结构设计软件不能满足设计要求,综合考虑各种因素,确定结构设计软件采用STRAT,因为strat可以对低层冷弯薄壁型钢结构体系进行全面细致的构件验算,包括偏心桁架的立柱、剪撑的强度稳定验算,连接剪撑、立柱的销钉的抗剪验算、得到需要销钉的面积,木墙板的强度和固定墙板所需要的销钉面积。确保各个环节、各个部位均满足受力要求,使这种结构体系的设计更安全、合理,并在此基础上实现结构设计的优化[4]。 STRAT软件水平地震作用采用反应谱法。构件验算将验算偏撑桁架立柱的轴压、局部弯曲作用下,剪撑的轴向拉压作用,以及剪撑端部抗剪销钉的面积。对于木板墙,程序会验算墙板本身的压弯强度、剪切强度。针对墙板通过销钉与立柱连接固定、连接,程序还计算墙板侧边需要的抗剪销钉面积。


  4 结构分析

  4.1 建模与计算

  对该结构进行建模,首先建立立柱,将由多个C型钢形成的立柱定义为组合截面,根据需要采用拼接式或格构式的截面形式,然后建立墙体结构的梁,门窗上面的托梁可采用桁架梁,托梁截面定义为组合截面。再绘制墙板,进行墙单元整合。对于屋顶三角桁架,则直接输入桁架的上弦杆、下弦杆、腹撑杆,此处不定义组合截面。可以对屋架结构进行一定的简化,当屋面梁全部布置完毕后,点击板壳边生成屋面板。然后对屋面板壳加载,分别加上恒载和活载。设置楼层表,结构层数为一层,修改楼层高度为实际结构的高度,楼面为非刚楼面,按照《建筑结构荷载规范》调节体型系数,分别对墙体结构和屋面的节点加上风荷载。在以上的建模过程中,需要注意的问题为确保结构构件全部交点分图,墙单元整合,屋面板荷载全部传到屋架结构上。

  具体结构设计参数如下:梁柱构件采用材料为Q550钢材,墙板和屋面板采用TC17A木板,屋面恒载为0.75KN/m2 ,屋面活载为0.5KN/m2,基本风压0.4KN/m2,設防烈度为6度,地震分组为第一组,以风载节点的方式分别在墙板和屋面板的节点上输入体型系数,程序自动导算风荷载。调节好总体参数后,生成计算数据,进行力学计算,采用LU分解法,振型方法为兰索斯法。


  4.2 结构分析

  首先查看plots中结构模型的各个荷载工况下的变形,当变形正常时,再进入Archi规范验算阶段,若变形不正常,重新返回Prep前处理模块,调整结构模型。进入Archi模块后,运行结构类型、构件合并、特殊构件、计算长度、荷载组合、参数判断和规范验算,查看应力结果,形成计算报告。验算的参数包括:振型质量参与系数,结构舒适性验算、基底总内力、倾覆弯矩、剪重比、楼层总体内力、楼层侧移、楼层的抗侧刚度和竖向刚度,整体稳定性验算、楼层最小地震剪力系数等。

  在结构分析过程中,结构设计冗余量较大,结构偏于安全。在软件中,还可以调整应力比上限和下限来进行钢截面的优化。


  5 结论

  轻钢别墅在我国的应用会越来越多,搞好轻钢别墅的设计至关重要,但是轻钢别墅的结构设计较为欠缺,结构设计软件大都不能完全模拟轻钢别墅的受力情况。本文利用佳构设计软件,介绍了低层冷弯薄壁型钢结构别墅的结构设计过程,提供一种轻钢别墅的结构设计案例,为国内轻钢别墅的结构设计提供借鉴和参考。


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