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如果你想用冷弯成型钢(CFS)框架结构来做建筑,你能建多高?

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如果你想用冷弯成型钢(CFS)框架结构来做建筑,你能建多高?

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2018/09/20
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  虽然有人说10层楼的高度已经是冷弯成型框架结构的极限了,但是如果让结构工程师跳出“惯性思维”,他会怎么说?
  钢结构工业协会(SFIA)决定找到这个答案。该协会委托Patrick Ford,位于威斯康星州Waukesha的Matsen Ford Design负责人和SFIA的技术总监,通过创建一个CFS框架的高层建筑来探求冷弯成型钢结构究竟能做多高。2016年4月,在美国钢铁协会会议上,Ford公布了SFIA Matsen Tower,这是一座40层的住宅,以他的合作伙伴John P. Matsen命名。
  SFIA Matsen Tower项目打开了冷弯成型框架结构通向高层建筑的新通道。
  “现在是时候让结构工程师和正在学校上学的未来工程师看看用冷弯成型钢结构究竟能做些什么了。”SFIA执行董事拉里威廉斯表示:“冷弯成型钢结构可能比以前想象要能建更高的建筑,比任何木结构都要高。”
  冷弯成型钢结构高层的意义
  从2000年左右,冷弯薄壁轻钢开始被介绍到中国,当时有日本的KC体系,加拿大的无比钢体系,使用的设备主要是海斯,顶峰(后来被Framecad,scottdales,以及国内的鑫宏华所取代),虽然使用设备有变化,但轻钢工厂始终在做3层以下的低层建筑,除了零星的别墅地产项目和新农村建设项目,国外出口项目,很少有体量较大的住宅项目,都是在承接自建房项目。低层轻钢住宅项目由于体量小,也使很多轻钢企业很难形成规模,都处在寻找商业模式和市场方向的阶段。如果冷弯轻钢能做高层,是不是就有拨云见日的意义了?
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  据联合国(UN)统计,全球城市人口从1950年的7.46亿迅速增长到2014年的39亿。今天,全球54%的人口居住在城市,预计到2050年这一比例将增至66%。也就是另外有25亿人的城市住房需求。
  由于城市空间有限,未来的业主将通过在垂直方向上满足住宅需求。而对于业主来说,在垂直方向的建造体系越多越好。
  然而,并非所有的建筑师、工程师和承包商都知道冷弯成型钢结构框架的高强度和延展性。有些人可能会将冷弯成型钢结构视为仅适用于室内墙隔断,和各种外部建筑物饰面的框架支撑的轻型材料。
  冷弯成型钢结构是否适合40层建筑的承重支撑?答案是肯定的。冷弯成型钢结构的重力和侧向抗弯性能使其成为中高层建筑结构承重材料的绝佳选择。尽管10层是目前冷弯成型结构C型龙骨和格栅的高度极限,但SFIA Matsen Tower这个项目则证明并不是这样。
  “虽然目前已经提出了几个非常好的技术评论问题,但我们可以正式确定SFIA Matsen Tower的施工设计,”福特表示。
  下面我们就来看看SFIA Matsen Tower的设计情况。
  设计使用常规的冷弯成型钢型材和厚度,SFIA Matsen Tower是R3类住宅公寓。立面图显示建筑两侧的前后墙开口更宽,承重墙开口更窄。
  设计严格限于冷弯成型钢龙骨,托梁和其他常用于CFS承重结构的部件。中心间距仅限于行业典型的12“(30.48厘米),16”(40.64厘米)和24“(60.96厘米)。允许双龙骨结构,但仅适用于系统的重复部件。SFIA Matsen Tower设计用于使用常见的冷弯成型钢型材(CFS)和厚度,并且不需要开发任何专门的CFS框架产品。
  其他基本规则适用于塔楼:10'-0“(3米)层高和25'-6”(7.77米)中心到中心的隔墙间距,可创建大约25英尺(7.62米)的清晰跨度。
  SFIA Matsen Tower是如何能够使用冷弯成型钢结构框架创建40层建筑的?
  建筑材料清单包括金属屋顶使用轻质三元乙丙橡胶,0.6厚的C型结构地板上使用轻质1-1 / 2“石膏混凝土,建筑金属的轻质外墙饰面,EIFS或成品外墙水泥板面板。
  以下是一些细节:
  典型的地板组装:在0.6厚的C型楼板上使用轻质LWGC,和RCB天花板吊装。
  走廊墙体:这也是承重墙,支持较浅的走廊框架。
  外墙:冷弯成型钢龙骨,GWB和具有刚性绝缘的建筑金属面板,EIFS或水泥面板。除了承载自重和阳台之外,正面墙体和后墙体不承重。
  铝阳台:它们是翼墙支撑的,并安装在每个单元。但是,它们也可以放置在外墙上的双层龙骨或角柱中。
  视觉区域:在前部和后部提供开口,在端部承重墙上具有较小的开口。开口限于承重墙的宽度为4'-0“(1.22米),典型外墙的宽度为6'-0”(1.83米)。
  强度因素:重复C型龙骨
  是什么让这座40层的塔楼如此坚实?从结构上来说,它具有用于主要重力承载框架的重复C型龙骨和托梁。
  冷弯成型钢结构的主要的例外情况是MWFR主要支撑。这是通过在电梯和楼梯处的钢筋混凝土剪力核心筒提供的。在电梯和楼梯处加固的现浇混凝土剪力核心筒必须是高强度(7,000 psi)的混凝土,厚度范围从顶层的8英寸(20.32厘米)到底层20英寸(50.8厘米)。
  塔楼的设计可承受高达115英里/小时的风速。
  “这可以在美国的绝大多数城市建成,”Ford说。 “飓风沿海地区可能有问题。高地震区可能有问题,但我不这么认为。”
  C型龙骨设计用于风荷载和托梁偏心轴向负载的最坏情况。挠度标准考虑了包括墙体构件的L / 360的极限情况和地板构件活载荷的L / 480的情况。
  龙骨组件设计考虑了最坏情况,由托梁承受均匀的横向和偏心活载荷和总载荷
  如果实际修建SFIA Matsen Tower,有两个要素至关重要:第一个涉及冷弯成型钢龙骨的间距。负载将从上层的承重龙骨分配到下面不同间距的龙骨。
  间距变化处的龙骨偏移始终是相同的
  这些龙骨偏移基本上发生在两个位置。一个是34层24“o.c.到16”o.c.。 另一个是在30层从16“o.c.减少到12”o.c。在第30层。更坚固的管件 - HSS 6“x 3 x 1/4”和HSS 6 x 4 x 5/16“连续,并且独立——带有顶板和底板。
  塔楼的第二个关键要求是预制墙体。在墙体框架被焊接之前,需要真正地将龙骨组装在底座上,并做好固定。强烈建议焊接连接。
  桥接力将积聚在墙体上。但是这些力量将通过交叉和扭转冷压成型的钢结构和角落构件来加以解决。可偶尔使用T型支架,但只有在最高层时才需要。
  即使每个构件的轴向力超过60kips,双层龙骨也可以在较低的位置完全不受支撑。
  总之,SFIA Matsen Tower是一个保守的设计。在计算冷压成型钢结构构件的要求时,几乎没有减少承载力。例如,风荷载严重地影响到每个冷压成型龙骨的力矩。但是,并没有计算风力载荷的减少量,这将允许设计更经济的框架结构。
  此外,墙体的活载减少量仅基于来自墙体构件上每个托梁的进入支流荷载面积。由于每个支撑构件计算的支流面积为进入跨度的三分之一,而墙壁作为一个独立的支承构件——在某些范围中完全可以接受的方法——SFIA Matsen Tower的高度将变成48层。
  建筑业主是否会拥抱建造40层的冷弯成型钢结构建筑?也许在未来,如果设计被证明是经济的。
  “我们没有声称这是建造40层高楼的最有效方式,”福特说。
  尽管如此,SFIA Matsen Tower展示了冷弯成型钢结构的实力优势远胜于许多建筑师,工程师和承包商可能意识到的。
  根据福特的说法,“冷弯成型钢结构的市场前景远远超过它现在的市场范围。”