關于多層鋼結構住宅結構設計體系綜述

摘 要:多層鋼結構住宅一般采用裝配式結構，其優勢是施工速度快，建筑布局限制小。其結構都是由多層水平的樓板、梁和豎向的柱、墻等組成。主要的豎向荷載首先傳給樓板，樓板再傳給梁，然后每層的樓面荷載通過梁以及梁上的填充墻荷載傳給豎向的柱、墻等構件，而柱、墻等構件除了把從上至下的荷載傳給基礎之外，還承擔著風力和地震力的荷載。因而隨著建筑高度的變化，其組成方式、受力變形特性及結構體系會有明顯的變化。框架、剪力墻及筒體是結構中抵抗豎向及水平荷載的基本單元，由它們及其變體組成了各種結構體系，如框架結構體系、框架一支撐結構體系、框架一筒體結構體系、錯列桁架結構體系等。

關鍵詞:鋼結構住宅結構設計鋼框架結構

中圖分類號:TU391文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(c)-0031-01

鋼柱和鋼梁一般采用H型鋼，也有把鋼柱做成鋼管混凝土柱或者是勁性柱(外包混凝土的型鋼柱)的。在多層鋼結構住宅的結構形式的選擇上，主要綜合考慮它們工業化裝配、結構的力學性能、建筑發揮的自由度、施工速度、建筑造價的經濟性等幾個方面。對于鋼結構而言，結構抗側力性能是結構整體性能的重要因素，決定著結構的選型和用鋼量。下文主要論述目前我國主要的幾種抗側力體系。

1 鋼框架結構體系

1.1 體系簡介

1)框架體系是指沿房屋的縱向和橫向均采用框架作為承重和抵抗側力的主要構件所形成的結構體系。2)地震區的建筑采用框架體系時，縱、橫向框架梁與柱的連接一般采用剛性連接，某些情況下，為加大結構的延性，或防止梁與柱連接焊縫的脆斷，也有采取半剛性連接構造。3)框架的桿件類型少，構造簡單，施工周期短，對于層數不太多的樓房，框架體系是一種應用較多的結構體系。

1.2 結構優缺點

結構設計理論成熟，設計施工簡單，結構各部分剛度比較均勻，自震周期較長，對地震作用不敏感。節點構造簡單。但是在抗震設防烈度較高地區，其抗側剛度較小，水平位移較大。為滿足水平位移的要求，會導致梁、柱截面急劇增大，用鋼量明顯多于其他的結構形式，造價太大，不適合推廣建造，從而導致經濟指標無法滿足市場推廣的要求。但對于多層住宅結構，鋼框架體系仍然是不可或缺的基本體系之一。

2 鋼框架支撐結構體系

2.1 體系簡介

1)以樓房的框架體系為基礎，沿房屋的縱、橫兩個方向均布置一定數量的豎向支撐所形成的結構體系稱為框架一支撐體系，簡稱框一撐體系。2)在框一撐體系中，框架的布置原則、柱網尺寸和構造要求基本上與框架體系相同，豎向支撐的布置在房屋的縱向、橫向等主軸方向均應基本對稱，支撐框架之間樓蓋的長寬比不宜大于3。3)支撐框架中的框架梁與框架柱大多仍為剛性連接。支撐斜桿兩端與框架梁、柱的連接盡管在結構計算簡圖中假定為鉸接，但實際構造仍多采用剛性連接，少數工程(上海金茂大廈等)也有采用鋼銷連接的鉸接構造。

2.2 結構優缺點

支撐對結構的抗側力貢獻很大，而且用鋼量也較純鋼框架少、造價經濟。該體系改進了框架體系抗側力能力較弱的缺點，但是支撐體系在施工當中難度較大，而且由于支撐截面寬度較大，墻板與其不易配套，從而給室內裝修帶來一定的問題，這些都需要著重解決。

3 鋼框架－剪力墻結構體系

3.1 體系簡介

1)在框架結構中，布置一定數量的剪力墻，使框架和剪力墻結合起來，共同抵抗水平荷載，就組成了框架－剪力墻結構。2)按照材料不同，剪力墻可分為鋼筋混凝土剪力墻、鋼板剪力墻兩大類。鋼筋混凝土剪力墻剛度大，地震時容易引起開裂。鋼板剪力墻由鋼板組成、其厚度一般在8～10mm，與鋼框架組合，起到剛性構件的作用。3)在框架－剪力墻體系中，剪力墻剛度較大，承擔大部分水平剪力(80％～90％)，整個結構的側向剛度大大提高，框架主要承受豎向荷載，同時承擔少量水平荷載，因此柱的截面較小。

3.2 體系優缺點

該結構體系既有框架結構平面布置的靈活性使用方便的特點，又有較大的剛度。但如果使用鋼筋混凝土剪力墻，地震時容易引起開裂，且剪力墻的存在對門窗洞口及隔墻位置調整有影響。

4 鋼框架－核心筒結構體系

4.1 體系簡介

1)豎向構件:①混凝土核心筒一鋼框架體系是指由鋼筋混凝土核心筒與外圈的剛接或鉸接鋼框架共同組成的混合結構體系。②當建筑的樓層平面采用核心式建筑布置方案，沿樓面中心部位的服務型面積周邊設置鋼筋混凝土墻體所形成的核心筒，是一個立體構件，在各個方向都具有較大的抗推剛度。③混凝土核心筒是結構體系中的主要或唯一的抗側力豎向構件。當樓面外圈為鉸接框架時，核心筒則承擔樓房的全部水平荷載。

4.2 水平構件

①進行樓面構件布置時，應恰當安排各層樓蓋的梁、板走向，以便讓更多的樓面豎向荷載直接傳到核心筒，加大其筒壁的豎向壓應力，以提高核心筒的受剪承載力和抵抗傾覆力矩的能力。②當核心筒的高寬比值較大時，宜在頂層及每隔若干樓層的設備層或避難層，沿核心筒的縱、橫墻體所在平面，設置整層樓高的外伸剛性析架(剛臂)，加強核心筒與外圈鋼柱的連接，讓外圈鋼柱與核心筒連成一個整體抗彎構件，以加大整個結構體系的抗推剛度和抵抗傾覆力矩的能力，減小結構的頂點側移值和最大層間側移值。

4.3 結構優缺點

該體系在我國應用極為廣泛，目前新建的高層、超高層建筑幾乎都采用了這種結構體系，但是雖然混凝土筒體抗側力的效果較好，具有節約鋼材、降低造價，施工方便等優點，但由于核心筒與鋼外框架的延性、剛度嚴重不匹配。這種結構體系在歷史上曾有過震害破壞記錄。且混凝土筒體與鋼框架的連接較為復雜，施工進度不匹配，施工精度要求較高，在美國和日本都不提倡。雖然住宅中衛生間、廚房等部分可以看做是一小筒體，但是其對結構的有利貢獻在結構計算當中建議不予考慮。該體系在多層住宅當中的應用還需要進一步的研究。

5 錯列桁架鋼結構體系

5.1 體系簡介

錯列桁架結構體系是一種新型結構體系主要適用于中、高層住宅、旅館、辦公樓等平面為矩形或由矩形組成的鋼結構房屋，在美國、澳大利亞等國家已有不少應用，但在我國基本還是空白。錯列桁架結構體系，可獲得兩倍柱距的大開間，在建筑上便于自由布置，在結構上便于采用小柱距和短跨樓板，使樓板厚度減小，減輕結構自重。由于沒有樓面梁格，層高可以減小并且美觀。在頂層和第二層，用立柱或吊桿支承樓面，可使頂層或一層做成無柱或很少柱的大廳。便于頂層作餐廳或多功能廳，底層作車庫。桁架跨中節點間可不設斜桿，做成矩形門孔，設置走廊或連通相鄰房間。

5.2 結構優缺點

1)其主要優點:①室內無柱，開間大，建筑平面布置靈活;②樓板直接支承在相鄰柱列的上下弦上，不需設樓面梁格，降低層高，節約造價;③柱、桁架預先在工廠制作，現場安裝方便，施工周期短。

2)其主要缺點在于:①桁架對住宅建筑平面設計有影響。②抗震性能待進一步研究。

6 結構體系綜合比較分析

根據以上對多層鋼結構住宅結構體系的介紹，我們可以明確地得出各種結構體系的優勢和弊端，在設計選擇鋼結構住宅的過程中，應當注意不同結構體系的特點，揚長避短。對于多層鋼結構住宅體系的選擇不僅要按照安全可靠、經濟合理和施工方便的等原則，結合建筑功能、建筑模塊及建筑維護等要求合理選用，還要從滿足建筑的使用功能出發，節約投資考慮。