鋼結(jié)構(gòu)高層住宅雙重體系設(shè)計(jì)運(yùn)用探討

周益眾

(溫州市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江溫州 325000)

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)住宅作為一種綠色環(huán)保建筑，以其抗震性能優(yōu)越、強(qiáng)度高、自重輕、施工速度快以及工業(yè)化程度高等特點(diǎn)符合住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略的要求。隨著國家政策要求加快住宅產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，近十年來，全國各地新建了一批鋼結(jié)構(gòu)住宅示范工程，其中以鋼框架—鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)住宅居多，如北京金宸公寓(13層/8度)、山東櫻花園小區(qū)(12層/7度)、天津麗苑小區(qū)(12層/7度)、上海中福城(17層/7度)、馬鞍山光明新村(17層/6度)、浙江泰和花園(17層/6度)、濟(jì)南百花小區(qū)(26層/6度)以及杭州市金都城市芯宇(29層/6度)等。推廣鋼結(jié)構(gòu)住宅體系已迫在眉睫。

1 雙重體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成

雙重體系結(jié)構(gòu)是由外圍的鋼結(jié)構(gòu)以鋼梁、鋼柱為骨架與鋼筋混凝土核心筒或墻體共同組成。它具有鋼材強(qiáng)度高、混凝土抗壓強(qiáng)度高、施工快和防火性能好的特性。

1)柱子形式。

a.圓鋼管混凝土;b.方鋼管混凝土;c.H型鋼;d.鋼骨混凝土。

2)外墻體材料。

a.GRC夾心復(fù)合板;b.輕質(zhì)加氣混凝土板材;c.鋼絲網(wǎng)水泥夾心板，等等。

內(nèi)墻體材料:a.加氣混凝土砌塊;b.纖維石膏板;c.紙面稻草板，等等。

3)樓板體系。

a.壓型鋼板混凝土組合樓板;b.預(yù)制混凝土疊合板;c.現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板。

4)鋼梁通常采用H形截面或箱形截面。

2 雙重體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1)平面布置，適合于基本規(guī)正、凹凸變化少的建筑平面，不適宜軸線錯(cuò)開較多、形心和質(zhì)心距離較大的建筑平面。

2)結(jié)構(gòu)布置和結(jié)構(gòu)選型，重點(diǎn)要考慮抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的合理設(shè)置，通常把樓梯間、電梯間墻體設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。柱網(wǎng)平面分割，結(jié)合梁的位置、截面高度、鋼橫梁隱藏的方式來決定，通常用住宅外墻的間距來確定外部支柱，外圍柱子應(yīng)盡可能地采用小開間。在鋼梁結(jié)構(gòu)布置時(shí)，一般應(yīng)將主軸設(shè)置在鋼框架平面內(nèi)。

3)對(duì)于構(gòu)件斷面形式，可以選擇鋼管或H型鋼截面等，一般情況下是根據(jù)軸向壓力、雙向受彎或單向受彎的不同來進(jìn)行選擇的。鋼柱可以采用鋼管混凝土柱，承載力較高且用鋼量較省，圓鋼管混凝土柱受力性能好、柱子截面尺寸小，方鋼管柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造較簡單且合理。H型鋼柱弱軸方向剛度較差，當(dāng)外包鋼筋混凝土形成鋼骨混凝土柱時(shí)，受力性能較好。鋼梁目前常用為H型鋼。

4)預(yù)估構(gòu)件截面尺寸，圓鋼管混凝土柱一般控制長細(xì)比，方鋼管混凝土柱一般控制軸壓比，滿足必要的延性要求。H型鋼柱若要滿足強(qiáng)柱弱梁，柱子尺寸要增大許多，可采用鋼骨混凝土柱，控制軸壓比。板件厚度按規(guī)范中局部穩(wěn)定的構(gòu)造規(guī)定預(yù)估。

5)結(jié)構(gòu)模型計(jì)算，按線彈性分析，條件允許時(shí)考慮P—Δ和p—δ效應(yīng)。目前ANSYS，SAP2000，3D3S等有限元軟件可以部分考慮幾何非線性及鋼材彈塑性能。

6)結(jié)構(gòu)安全判定，對(duì)計(jì)算結(jié)果如各項(xiàng)周期、總剪力、變形特征等進(jìn)行有效分析與調(diào)整。

3 雙重體系結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接方式

節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)必須與結(jié)構(gòu)模型計(jì)算相符合，無論是要求傳遞還是不傳遞彎矩的節(jié)點(diǎn)連接，都應(yīng)分別賦予它足夠的剛度和柔度。

1)柱腳節(jié)點(diǎn)連接方式采用剛接，樓面梁與混凝土剪力墻(核心筒)采用鉸接。

2)鋼柱為貫通型，框架梁的上下翼緣處在鋼柱內(nèi)設(shè)置橫向加勁肋形成貫通式節(jié)點(diǎn)。在剪力墻端部或核心筒拐角處用小鋼柱加強(qiáng)，便于安裝。

3)樓板與鋼梁的連接節(jié)點(diǎn)，為保證樓板與鋼梁的共同作用，鋼梁翼緣必須設(shè)置必要的栓釘，以傳遞水平力。

4)填充墻與鋼梁、鋼柱的連接節(jié)點(diǎn)，當(dāng)用砌塊外包柱子或用條形掛板外掛，可通過鋼梁與板構(gòu)件上的預(yù)埋件焊接解決，同時(shí)加強(qiáng)拉接結(jié)構(gòu)措施。

4 雙重體系結(jié)構(gòu)抗震要求與整體穩(wěn)定性分析

1)結(jié)構(gòu)倒塌機(jī)制。

隨著混凝土核心筒嚴(yán)重破壞，結(jié)構(gòu)層位移曲線由彎剪型發(fā)展為剪切型，破壞順序是混凝土連梁—核心筒—鋼框架[1]。核心筒的破壞首先是Y方向墻體拉壓開裂，形成水平裂縫;然后X方向墻體受剪開裂，形成斜裂縫。外圍鋼框架主要破壞是從底層柱部分屈服，大部分梁的梁端屈服。

2)控制風(fēng)荷載和地震荷載作用下的水平位移。

混凝土承受的水平力和位移控制指標(biāo)可以參照鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼框架部分承擔(dān)的地震力應(yīng)大于結(jié)構(gòu)最大剪力的1.8倍和底部剪力的20%，通常取二者的較小值，并檢驗(yàn)鋼框架作為抗震二道防線是否滿足要求。

3)保證鋼梁整體穩(wěn)定性。

H型鋼梁側(cè)向剛度較差，當(dāng)梁的自由長度(側(cè)向無支承長度)較大和受壓翼緣寬度較小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)變形，而使梁喪失整體穩(wěn)定的臨界荷載常小于強(qiáng)度破壞的荷載，故需進(jìn)行梁截面抗彎強(qiáng)度計(jì)算和整體穩(wěn)定性驗(yàn)算。可以在梁跨中設(shè)置側(cè)向支承和加大受壓翼緣板的寬度來增加整體穩(wěn)定性，同時(shí)在鋼梁支座處采取構(gòu)造措施，使該處截面不能產(chǎn)生側(cè)向位移和繞梁軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

4)必須符合強(qiáng)柱弱梁及強(qiáng)連接弱構(gòu)件的要求。

增大柱端彎矩設(shè)計(jì)值或者加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施，保證在彈性階段時(shí)節(jié)點(diǎn)抗彎能力大于梁抗彎能力，防止在梁尚未出現(xiàn)塑性鉸之前節(jié)點(diǎn)過早的發(fā)生脆性破壞;在彈塑性階段時(shí)控制塑性鉸不出現(xiàn)在連接節(jié)點(diǎn)區(qū)或鋼柱上，而在鋼梁上形成塑性鉸，以達(dá)到耗散地震能量的目的。

5 雙重體系結(jié)構(gòu)防火

鋼結(jié)構(gòu)不耐火，超過一定溫度后強(qiáng)度急劇下降出現(xiàn)塑性變形，最終會(huì)使整體結(jié)構(gòu)失去靜態(tài)平衡穩(wěn)定而發(fā)生倒塌。鋼框架—鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是一種混合結(jié)構(gòu)，較其他鋼結(jié)構(gòu)在防火性能上有一定的優(yōu)勢。

1)鋼管混凝土柱的耐火性比H型鋼柱顯著。鋼管直徑越大，耐火時(shí)間越長。住宅的抗側(cè)力構(gòu)件采用鋼筋混凝土剪力墻或核心筒體系，也具有優(yōu)良的耐火性能。

2)樓板目前仍以混凝土為主體材料，同樣具有良好的耐火性能。

3)H型鋼梁防火保護(hù)通常結(jié)合住宅的裝修要求，采用防火板包覆。

4)樓梯是重要的疏散通道，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)能較好滿足防火、安全要求。

6 雙重體系結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性

從目前已施工的案例比較，工程造價(jià)略高于鋼筋混凝土—剪力墻(核心筒)結(jié)構(gòu)約10%，但綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較好[3]。同時(shí)還具備土建造價(jià)低、施工工期減少、能有效利用面積增加、節(jié)能費(fèi)用降低以及銀行貸款利息減少等，性價(jià)比較高。

7 結(jié)語

鋼框架—鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)雙重體系屬于混合結(jié)構(gòu)，雖然全國各地住宅已逐漸開始運(yùn)用，但目前對(duì)它的抗震性能研究還不夠，在防火、梁柱節(jié)點(diǎn)做法、配套墻體材料、經(jīng)濟(jì)性及市場可接受程度上尚有許多不完善之處。鋼結(jié)構(gòu)住宅是環(huán)保住宅，符合可持續(xù)發(fā)展概念，應(yīng)加快對(duì)鋼結(jié)構(gòu)體系的研究，促進(jìn)住宅現(xiàn)代化。

[1] 劉 星.鋼框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的性能分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2010(3):27-28.

[2] 王衛(wèi)東.輕鋼結(jié)構(gòu)住宅防火技術(shù)和構(gòu)造處理[A].全國輕型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)研討會(huì)論文集[C].2007.

[3] 熊 軍.高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的經(jīng)濟(jì)性分析[J].安徽建筑，2010(1):51-53.