低层轻钢骨架住宅设计——工程计算II（10）
第五章 楼层骨架
第一节 楼层到基础或承重墙的连接
《说明性方法》提供了几个楼层组件到基础或承重墙的连接详图。详图是不需加以说明的，并且反映了当前的习惯。在风速超过177km/hr（位向C）的区域里，或在地震设计种类D1、D2或E里，在E11、E12和E13部分里指定了额外的压紧和锚固要求。额外的压紧和锚固要求可以参考图5-1和图5-2。
图5-1
图5-2
第一节 最小楼层托梁尺寸
《说明性方法》为二个活荷载条件提供了具有最大允许跨度的楼层托梁表格：即1.44和1.92kN/m2。在主要的建筑规范里，例如BOCA（BOCA，1997）和IRC（ICC，2000b）都指定了这二个活荷载条件。睡眠区域通常指定为1.44kN/m2，起居区域通常指定为1.92kN/m2。显示在《说明性方法》里的跨度是假定在每个支撑点都安装了支撑加强肋。在《说明性方法》里规定了支撑加强肋要求。
在设计楼层托梁时，根据截面的构造、材料的厚度和构件长度大不同，几个工程标准中的任何一个都可以控制说明性要求。在《说明性方法》里所用的分析包括校核：
■屈服
■翘曲
■腹板断裂
■剪切
■挠度
■组合的弯曲和剪切（针对多跨）
根据《说明性方法》A4.4部分，所有托梁都考虑有腹板孔（也叫作“穿透”、“有用的孔”、“冲出的孔”）。楼层托梁的受压边缘（顶部边缘）都假定用地板下的粗地板连续拉紧，从而为顶部边缘提供了侧向约束。
对于活荷载，托梁宽度表格是基于L/480的挠度限制计算出来的，对于全荷载，是基于L/240的挠度限制计算出来的，这儿的L是跨越长度。这一般都超过了建筑规范里的最小设定值，但为了提供更加满意的楼层设计，还是选择了比较严格的限制（即L/480）。
首先建立了涉及适用性的挠度限制。一种特殊的适用性问题是涉及到楼层振动，并且对于住宅楼层要求来说，许多从业人员和标准都采用了比L/360更加严格的挠度标准。目的是防止可能会导致装修破裂的过大的挠度。挠度标准也影响建筑物在刚性方面的“感觉”（即感受），并且振动也反应到正常的居住荷载。对于钢材这样的有较高强度的材料，较低名义刚度（即EI）的构件是可以具有长跨度的。在这样的情况里，通常的挠度标准可能就不太适合了。例如，产业经验显示L/360挠度限制常常导致居住者感到这些楼层“有弹性”。由于迹象的微弱，所以居住者可能误解了这个条件。
尽管在静荷载下，L/360的挠度对跨度的比可能是足够的，但是在全部设计荷载下，还是建议采用比较严格的挠度对跨度的比，以确保足够的性能。为了克服涉及人舒适的讨厌的振动，通常建议比较高的挠度限制。例如，为了确保动态性能，澳大利亚（AISC，1991）认为在缺乏完整的动态分析时，L/750（在全部活荷载条件下）的挠度对跨度的比是合适的。此外，澳大利亚还基于临界阻尼，规定了确定可以接受的“住宅”系统标准。这种方法非同一般，而是需要根据物理尺寸、刚度和住宅的附件来计算第一自然频率（或一阶固有频率）和楼层的阻尼率。由于这个因素，非常过分简单化的方法当然就要采用比较严格的挠度标准。按照澳大利亚（AISC，1991）的建议，L/480的楼层挠度对跨度的比（带有1.92kN/m2活荷载）通常会导致增加临界阻尼的百分比，并且因此确保振动不会超过可以容忍地水平。当设计钢材楼层托梁时，许多工程师都采用L/480挠度标准。
在住宅钢材建筑市场上，一般都采用多跨度。采用多跨度，某些测量标准就必须要提出承载构件的响应。在中间支撑处反应的数量将大于端部的反应，并且在这个位置上可能引起腹板断裂故障，这就要求在所有支撑点都需要有支撑加强肋来约束。第二个问题是在中间支撑区域出现负力矩（即反向弯曲，见图5-3），使受压边缘跑到了底部，而不是在托梁的顶部。如果没有拉紧，在最大荷载条件下，就会引起侧向不稳定，并且可能引起托梁的过早破坏。此外，对于多跨度，由于在中间的反作用，存在极大的剪切和弯曲应力，会产生比较大的腹板弯曲的敏感性，所以还需要检查剪切和弯曲交互作用。
图5-3
通过天花装修（当存在时）和正常连接到内部承重墙上，提供了内部支撑处的底部边缘拉紧。可能的好处来自开发《说明性方法》时没有利用的楼层横隔层的复合作用。
由于多跨度常常受到强度考虑限制，而不是挠度，所以具有较高屈服强度的钢材可能导致比较长的跨度。所以，还为多跨度提供了的额外的345MPa钢材表格。对于单跨度，就没有采用345MPa钢材，因为在单跨度表格里的大多数数据都是由挠度，而不是弯曲控制的。
一、楼层悬臂
在许多情况里，支撑承重墙的悬臂产生了特殊的荷载条件，需要做单独的工程分析。在《说明性方法》里，对于只支撑一层墙和屋顶（单层）的楼层，楼层悬臂限定为最大610mm。这个限制在楼层托梁上施加了最小的额外荷载的影响。充分利用了托梁的强度，在悬臂部分不允许有腹板孔。《说明性方法》为第一和第二层悬臂楼层提供了详图。要点是要在悬臂托梁支撑位置之间安装支撑块，以充分的转移楼层横隔层或剪力墙荷载（参考D5.4部分）。
第一节 支撑加强筋
图5-4
在《说明性方法》里的楼层跨度是假定在所有支撑位置或支撑点位置都有支撑加强筋（也也称为横向或腹板加强筋）来计算的。指定的支撑加强筋最少是1.09mm导轨截面，或0.84mmC型构件。不属于腹板断裂（例如挠度或弯曲）故障模式控制的某些楼层跨度可能就不需要支撑加强筋。就可以采用AISI《规范》（AISI，1999）的腹板断裂公式来校核确定是否不需要支撑加强筋。
第一节 托梁拉紧和支撑块
一、托梁顶部边缘拉紧
长期以来都是把钢材楼层托梁作为单独作用的简支梁来设计，没有考虑楼层覆盖物的复合作用。对于典型的住宅楼层，过去是假定楼层覆盖物的功能是把荷载转移到托梁上，并且为受压边缘提供连续的侧向拉紧，忽略了许多影响楼层强度和刚度的因素。试验已经显示，当施加均匀的荷载，采用单根托梁做强度计算是和实际的行为一致（WJE，1977）（WJE即Wiss，Janney, Elstner合伙人公司）。
二、托梁底部边缘拉紧/支撑块
在《说明性方法》里规定的拉紧托梁的底部边缘是基于产业惯例和工程判断。钢材拉带和装修好的天花（即采用的石膏板）足以拉紧受拉边缘。然而，对于钢材拉带来说，必须以3.7m的最大间距和在所有拉带的终端都要安装支撑块。作为选择，可以把钢材拉带的端部固定在建筑物的稳定部件上，以替代支撑块（即固定到承重墙或基础上）。
图5-5
图5-6
三、在内部支撑处的支撑块
搭接在内部支撑上的单根楼层托梁不需要支撑块，因为搭接部分提供了足够的侧向强度来防止侧向运动。另一方面，在内部支撑上连续的托梁，每间隔3.7m就需要一个支撑块，以提供足够的支撑，防止侧向运动。
图5-7
四、在悬臂处的支撑块
悬臂支撑需要支撑块从楼层横隔层或剪力墙转移剪切荷载。
第一节 拼接
《说明性方法》不允许结构构件的拼接，然而，某些情况拼接可能是有用的。应用可能包括被损坏的托梁的修复、简化的下降式楼层详图和其它情况。在这些情况下，必须要咨询设计专业人员。
通常，拼接需要转移剪切、弯矩和轴向荷载。某些拼接可能发生在支撑点上，并且只需要转移名义上的轴向荷载。在《说明性方法》里提供的楼层托梁跨度是基于假定托梁是连续的，没有拼接。因而，除了当在内部支撑点处出现拼接的托梁外，在《说明性方法》里托梁构件的拼接需要批准的设计。
第二节 楼层开口骨架
出于几种原因需要在楼层里头开口（例如楼梯、框架、烟囱）。《说明性方法》限定楼层开口的最大宽度为2.4m，并且提供了在楼层开口周围加固构件的规定。在楼层开口周围的所有构件（即过梁和加固托梁）都必需是把C型托梁嵌套进导轨里，并沿着顶部和底部边缘固定到一起的箱型构件。这些组合的构件都必须等于或大于它们所连接上的楼层托梁的尺寸和厚度。在每个连接的每一侧的任何一边，都需要用扣角钢把每根过梁托梁连接到加固托梁上。扣角钢的厚度应该等于楼层托梁的厚度。
第三节 楼层桁架
这个部分包括了能够和这份文件合起来用的预制楼层桁架。美国钢铁协会已经开发了冷轧钢材骨架——桁架设计标准（Standard for Cold-Formed Steel Framing – Truss Design ）（AISI，2001b）来帮助桁架设计。
第四节 横隔层
楼层横隔层需要充分的把剪切荷载转移到基础上。在钢材楼层里，通常都是用木材结构覆盖物（例如OSB或夹板）来覆盖托梁的边缘。当用ST4.2螺钉把152mm板边缘中心间距，305mm中间支撑处中心间距的定向纤维板（OSB）紧固到钢材构件上时，用来核实楼层横隔层是否合适的剪切值取之轻规格钢材工程师协会（LGSEA）技术通报No. 558b-1（LGSEA，1998）。疾风（177km/hr或更大）或高地震区域（地震设计种类D1、D2和E）里的钢材楼层建筑额外的要求是在《说明性方法》的D9.1部分里规定的。
一、在疾风和高地震区域里的楼层横隔层
当用ST4.2螺钉把152mm板边缘中心间距，152mm中间支撑处中心间距的定向纤维板（OSB）紧固到钢材构件上时，用来核实楼层横隔层是否合适的剪切值取之轻规格钢材工程师协会（LGSEA）技术通报No. 558b-1（LGSEA，1998）。把紧固件间距从305mm减少到152mm，是为了确保横隔层充分的把剪切荷载转移到基础上。