“从设计角度分析钢结构住宅体系的特点，介绍异形钢柱住宅项目的设计思路。对框架结构不同阻尼比、基础方案等问题进行数据对比分析；总结常见的设计问题及注意事项；提出设计标准上的不同意见。”
1、钢结构住宅体系选择
从建造的钢结构房屋来看，主要有：
1）薄壁钢复合墙板形式；
2）纯框架形式；
3）框架支撑形式；
4）钢-混凝土组合模板；
5）钢框架—混凝土抗震墙模板等。
这些结构形式各有特点，其中薄壁型钢组合墙板形式尤为适合标准化产品。其体系由墙板结构演变而来，即薄壁钢柱构件按间距约600mm布置，组成竖向承重结构钢结构阻尼比，型钢节间设置支撑体系，抵抗水平力。楼面按竖向型钢节位置布置成密集肋支撑结构。由于上部结构为墙板类结构，其基础根据受力情况设置为条形基础，对基础要求不高。薄壁型钢组合墙板住宅受结构密集的影响，对开间、门窗洞口、悬挑构件尺寸均有一定的限制。
后一种形式虽然可以满足多层住宅建筑的设计要求，但从使用角度看，存在一个共同的问题，即突出的梁柱对住宅建筑内部美观的影响。住宅建筑相对于其他建筑，有其特殊性，办公室、厂房可以采用相对固定的柱网，层高也较高，其梁柱所占空间给人以合适的感觉，规则的柱网有利于梁的布置。相反，住宅建筑是一个变化多端的产品，根据建筑的要求，很少布置规则的柱网，房间跨度相对较小，变化多端，不利于钢架的布置。由于钢材的特性，在住宅建筑中只能形成框架体系或桁架体系。可以说，如果框架体系适用于普通住宅建筑，钢架必有其用武之地，大显身手。 如果普通框架结构无法解决住宅应用问题的话，常规的钢框架体系在普通住宅建筑中也会存在类似的弱点。
受短肢剪力墙结构的启发，笔者在钢结构住宅设计中将钢柱设计成异形柱，以满足建筑变化的要求。图1为两根异形钢柱的截面图，翼缘宽度按建筑墙体厚度减去面层厚度设定。框架梁与异形钢柱各个方向的翼缘均采用刚接连接，图2为相应节点连接详图。
异形钢柱示意图
异形钢柱梁柱节点详图
某住宅项目三层样板房设计为异形钢柱纯框架结构，建筑采用砌块隔墙，竣工后外观及室内外观均令人满意，与成品房实际效果（混凝土剪力墙结构）一致，下图为样板房实景。
异形钢柱常用于工业厂房设计，当采用机架受力体系时，异形钢柱常设计成在主力方向双轴对称或单轴对称，在厂房纵向采用支撑体系，抵抗纵向水平力。拉杆及支撑构件多连接在异形柱弱轴重心轴上，便于在结构概念设计计算中采用杆系软件处理。异形钢柱在住宅建筑中的应用与厂房设计还是有很大区别的，下图是厂房梁与住宅梁连接方式的简单对比。
可以看出，该房屋中梁、柱的截面质心轴线并不在同一位置，不符合常规的设计理念，采用杆系软件进行计算也无法解决偏心问题。
尽管如此，与短肢剪力墙结构相比，笔者认为异形柱是将原来较大的矩形框架柱截面或整块混凝土墙体改造成截面面积较小的异形截面，相应降低了截面特性，而异形钢柱则是在工字钢截面上加了一个T形截面，相应增加了弱轴方向的截面特性。特别是将钢梁与钢柱弱轴之间的刚性连接节点改造成与柱翼缘的连接，优于常见的工字钢柱在弱轴方向采用外伸连接板刚性连接的设计，加强了工字钢柱的弱轴稳定性，对结构安全性十分有利。
一般认为，工字钢柱弱轴处刚性连接不可靠，因此很多建筑施工手册推荐在弱轴处采用铰接框架加支撑体系或钢管柱设计方案。抗震规范规定“当柱与梁在两个互相垂直的方向上刚性连接时，宜采用箱形截面。当柱仅在一个方向上刚性连接时，宜采用工字钢截面，柱腹板应置于刚架平面内。”
虽然规范中没有明确规定工字钢柱弱轴不能与钢梁采用刚接，但根据抗震规范节点抗震承载力验算要求，弱轴连接一般不能满足相关条款的要求。
异形工字钢柱与箱形柱相比，加工施工更加方便，节省钢材；与框架支撑体系相比，减少了支撑件数量；从应用角度看，在住宅墙体中可以灵活运用，满足建筑师对住宅建筑无外露结构构件的要求。
笔者认为异形钢柱在结构分析中存在以下问题：
1）异形钢柱整个截面的受力状况分析。这主要是指在弱轴处增加T形构件是否会相应增大该部位的截面特性，包括T形构件偏心的影响。笔者认为，对于不同类型的钢柱，增大的截面特性的比例会有所不同；
2）异形钢柱局部稳定计算，可参考规范中柱板宽厚比来控制；
3）采用普通杆系计算软件无法解决梁柱节点偏离钢柱质心时的整体受力分析，理想的计算模型应采用有限元整体建模进行内力分析，可解决上述问题，但建模工作量太大。
笔者在设计中按以下原则确定柱截面：
1）按方钢管柱方案进行结构分析，根据计算应力比结果接近0.9，选取框架梁截面尺寸。根据方钢管截面特点，初步选取X、Y方向工字钢截面尺寸。计算中不考虑腹板效应，初步确定异形柱截面尺寸。
2）按工字钢柱方案进行结构分析，按布置方向布置异形柱的T形构件，在异形柱中工字钢的弱轴上设置柔性支撑代替T形构件的刚度，按有侧向位移的钢架计算，调整异形钢柱中工字钢的截面尺寸；完成后调整工字钢及柔性支撑的布置方向，校核T形构件与工字钢腹板组成的工字钢截面尺寸；
3）根据上一步建立的模型，选取工字钢强轴所在的单框架进行抗震计算，仅参考工字钢柱强轴应力计算结果，校核异形柱单向受力是否满足；
4）根据以上计算结果，对梁柱节点的抗震承载力进行人工计算，并在基础设计中考虑偏心引起的附加弯矩；
5）普通工字钢柱、方钢管柱一般按无支座框架体系设计，按设计选定的截面计算钢梁，依据相应的计算结果计算钢柱用钢量，控制异形柱用钢量的上、下限。
上述方法没有计算公式和条款可依托，也没有处理偏心轴引起的附加弯矩对整体结构的影响。这也是为什么作者只将其应用于二、三层住宅设计，而不在较高工程中采用异形钢柱的原因。作者提出异形钢框架解决方案，希望得到大家的批评指正。
2. 设计细节
1、总体计算时选取合适的结构阻尼比。根据抗震规范的要求，除特殊规定外，建筑结构的阻尼比宜取0.05。当阻尼比不等于0.05时，应对地震影响系数曲线进行修正。钢结构相关阻尼比选取值见表1。
表1 不同结构阻尼比应用值
从表1数据可以看出，不同的钢结构体系具有不同的地震影响系数，结构分析时若阻尼比选取不当，将对设计结果产生较大影响。其中，钢管混凝土和钢-混凝土混合结构是两种材料共同作用，选取阻尼比时，应根据两种材料的应用配比综合考虑阻尼比，结构整体刚度越软，阻尼比应越低。
2. 刚性柱基设计
常见的柱脚有内嵌式、外置式、外露式等类型，住宅设计中多采用外露式，现场安装就位较其他两种类型更为方便。设计时应注意，柱脚的刚性是通过底板的弹性或塑性变形来实现的，即整个结构的变形包括钢结构本身的变形和底板拉伸变形引起的整体变形。若将外露式视为刚性柱脚进行内力分析，设计时应考虑层间位移角限制应留有一定余量，还应考虑底部钢柱弯矩拐点下移引起的柱顶弯矩增大。
根据节点设计要求，为保证在罕遇地震作用下柱脚节点不先于钢柱破坏，柱脚节点连接极限弯曲承载力应大于钢柱全塑性弯曲承载力的1.2倍（Wpnx·f）。常用的设计方法是根据柱脚反力确定柱脚螺栓直径及连接焊缝，这样只能保证柱脚节点具有一定的强度，在多遇地震作用下不发生破坏。柱脚弯矩设计值要求的截面抗力模量一般小于钢柱本身的截面抗力模量（Wx），以H628X260X10X14工字钢为例，1.2·Wpnx/Wx=1.36倍。对于外露型很难保证这一设计要求。另外两种柱脚方式在传递钢柱内力时容易满足前面的要求，该设计传力明确，计算方便，构造简单，节省钢材。
插接式柱脚结构较嵌入式简单，多数书上认为其可靠性不如嵌入式，推荐用于单层钢结构厂房，不适用于高层钢结构。笔者认为可以用于多层钢结构，因为在很多工业项目中，单层厂房高度多为10~30米，厂内有多台吊车和大量的检修平台，其单柱荷载和地震作用往往大于一般住宅。多层住宅柱脚概念设计和计算设计如果符合规范要求，采用插接式是没有问题的。新钢结构规范也增加了插接式柱脚的设计、施工规定。
3. 楼层设计
有预制板、现浇板、组合板等。
采用预制楼板时，应考虑由于温度变化、荷载分布等原因导致楼板节点处产生裂缝而对单侧翼缘产生附加弯矩的影响。即钢梁平面内整体弯曲应力与翼缘平面外弯曲应力的双向组合必须满足折减应力限值。一些将楼板置于下翼缘上的工程应特别注意这一问题。
波形钢板制成的组合楼板在钢结构住宅中应用十分广泛，在总体分析时应考虑组合楼板的各向异性对框架梁的影响，包括确定采用连续板还是简支板、力的传递路径是单向的还是双向的、组合钢梁是否根据楼面设置按强侧还是弱侧组合等引起的刚度差异等。在楼板设计时应尽量避免楼板集中单向布置，使结构体系形成水平或竖向受力，合理布置组合楼板，尽可能形成双向受力结构。
4. 梁柱刚接设计
梁柱刚接连接计算可按常用设计法或全截面弯曲设计法进行。当钢梁翼缘弯曲承载力大于整个截面承载力的70%时，可采用常用设计法进行设计，小于70%时，应采用全截面弯曲设计法。住宅设计中，钢梁多属于前者。常用设计法的计算原理是翼缘和腹板分别承受弯矩和剪力，一般认为计算简便，结果也比较安全。
其实，根据《多层建筑钢结构梁、柱刚性连接节点抗震设计规范》和《多层建筑钢结构梁、柱刚性连接节点设计规范》，钢梁、钢柱不做任何处理，采用螺栓连接、焊接连接很难达到强节点、弱杆部的设计要求。对加强节点设计有详细的设计和施工说明，主要有三种做法：在梁端翼缘焊接楔形盖板、在梁端底部增加拱肩、狗骨式连接。
经过实际应用，笔者认为三种方式均增加了施工难度。第四种方式：在梁端加宽翼缘，但在标准图集中并未作为主要形式介绍。当建筑对梁宽无要求时钢结构阻尼比，此种连接方式最为实用、方便。
3. 设计标准
1.“轻型”钢结构的概念
近年来，随着“轻型门式刚架住宅”这一术语的出现，轻型（优质）钢的概念在很多设计师，包括结构设计师的头脑中形成了。当遇到建筑附属设施或看似不重要的结构时，就提出使用“轻钢”来解决，却不重视这部分对主体结构的影响分析。其实，在结构概念设计时就应该明确，“轻”其实是指结构承受的荷载相对较轻。住宅设计并不会因为使用钢结构而降低荷载使用标准。无论结构体系采用钢还是混凝土，在构件效应分析上没有原则上的差异。
2.多层、高层钢结构设计差异
根据规范的相关规定，包括钢结构抗震调整系数、框架柱长细比、框架构件宽厚比等控制条款，均以12层为分界点，因此可以理解为高层钢结构是指12层以上的建筑。高标规范中的高层建筑是指10层及以上或建筑高度超过28m的建筑，包括混合结构。参考一些国外国家，高层建筑的起步高度多定在25~30米或8~11层。
可见，我国多层钢结构的应用范围高于普通结构，也高于国外标准。多层钢结构不仅结构不同，而且相关的抗震调整系数限值也相差太大，如上表1所解释的。笔者认为，这种区分太过宽泛。例如：一般层高为4m，而一栋12层的建筑高度为48m，是高层规范中28m限值的1.7倍。这就导致了下面的问题。在混合结构中，混凝土结构应按高层规范结构设计，钢结构可按多层结构设计，实行两个标准。
3.钢结构设计规范
新版规范对住宅结构设计的指导作用不大。新版规范延续了工业建筑钢结构设计的指导思想。例如，变形允许值按厂房构件划分，对民用建筑构件不作细分；温度段设置要求按框架结构划分，没有考虑纵横向受力体系和钢-混凝土组合结构的特点。特别是强制性规定第8.1.4条“结构应根据其形式、组成和荷载设置可靠的支撑体系”。
在建筑的每个温度区或区端，应设置独立的空间稳定支撑体系。”从文中看，钢结构不宜采用无支撑的纯框架结构，这显然与实际应用不符。是否设置支撑，应由结构设计需要决定。根据规定可知，这是原则性规定，但作为强制性规定，必须严格执行，值得商榷。民用建筑与工业建筑在使用要求上有所不同，包括一些结构体系也存在差异，应区别对待。
相对于其他规范不断完善抗震内容，新版只在总则中提到应符合相关抗震规范的规定，似乎抗震设计在钢结构中并不重要。其实，在北岭地震、阪神地震之后，国外就开始重视钢结构抗震设计的研究，国内也有很多文章，应该有很多成果可以总结。我国抗震规范规定根据抗震设防烈度采取不同的抗震措施，但对钢结构的抗震要求却没有任何区别，这也是不恰当的。
4.设计钢结构房屋应尊重住宅用途的基本要求
钢结构住宅是未来发展的重要方向，但钢结构只是建筑的承重体系和服务部分，并不是建筑使用中的主要构件。钢结构住宅的设计首先要遵循住宅建筑设计的一般原则，然后再发挥钢结构的优势。单纯突出钢结构而不考虑生活舒适度、不能满足人性化要求的钢结构住宅项目是没有市场的。不能为了在建筑中推广钢材的应用，而简单强行将钢结构住宅用于住宅结构，这对于推广钢结构住宅是没有实际意义的。相对而言，公共建筑、体育场馆、工业厂房等才是钢结构在建筑中最能发挥其优势的领域，这几年我们深刻感受到了这种应用上的变化。
