鋼結(jié)構(gòu)住宅體系及性能研究

崔文杰

(中機十院國際工程有限公司，北京 100083)

鋼結(jié)構(gòu)住宅在我國是一種新興的住宅建筑形式，具有施工簡便、工期短、投資回報快、結(jié)構(gòu)抗震性能好等優(yōu)點，很好地符合了我國住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展方向，有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α１疚尼槍︿摻Y(jié)構(gòu)住宅框架結(jié)構(gòu)的綜合性能進(jìn)行了初步探討，并分析比較了幾種不同結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點，以期對工程實際有所裨益。

1 結(jié)構(gòu)性能研究

鋼結(jié)構(gòu)住宅可采用的結(jié)構(gòu)形式包括框架結(jié)構(gòu)、框支結(jié)構(gòu)、框架—核心筒體系、輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)以及交錯桁架體系等。其中框架結(jié)構(gòu)傳力明確、構(gòu)造簡單，在多層、小高層或高層中均可采用，是最基本的結(jié)構(gòu)體系。本文從多層及小高層兩個方面對鋼結(jié)構(gòu)框架體系進(jìn)行討論，通過大量的計算數(shù)據(jù)分析了梁柱截面變化對結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響效果，以及結(jié)構(gòu)最大側(cè)移、層高、跨距與單位耗鋼量之間的變化關(guān)系。在我國，鋼結(jié)構(gòu)住宅的主流及以后的發(fā)展方向是多層及小高層住宅，一般都屬于平面板式結(jié)構(gòu)，其長、寬及高度都符合一定的范圍。根據(jù)這些建筑特點，本文首先確定多層及小高層結(jié)構(gòu)的長度、寬度及樓高，其中多層結(jié)構(gòu)長40 m，寬12 m，樓高取22 m;而小高層的長度為48 m，寬度14.4 m，樓高36 m。在此基礎(chǔ)上通過改變層數(shù)和長度方向的跨數(shù)來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)跨距、層高的變化。同時在各種跨距、層高情況下又配合有梁柱截面的變化，共有1萬余種組合。整個計算分析過程采用ANSYS-APDL語言編程完成，梁、柱用單元Beam188進(jìn)行模擬，可設(shè)置截面，樓板用Shell63單元模擬。計算中考慮結(jié)構(gòu)自重、樓面荷載及水平方向靜荷載，其中水平荷載僅考慮橫向，通過在結(jié)構(gòu)各單元上施加水平加速度a=0.52 m/s2來模擬實現(xiàn)。

1)梁柱截面對結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響效果。

本文在各種層高、跨距情況下分別連續(xù)變化梁柱截面的大小，然后計算出結(jié)構(gòu)頂點位移也即結(jié)構(gòu)最大側(cè)移量。以此來考察梁柱截面對結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響，并分析結(jié)構(gòu)層高或跨距的變化對這種影響效果帶來的改變。發(fā)現(xiàn)在多層及小高層結(jié)構(gòu)中，梁、柱截面越大，跨距越小，在大跨距情況下梁柱截面變化對結(jié)構(gòu)側(cè)移的影響較小跨距情況下更為顯著;而層高在一定范圍變化時這種影響效果并沒有大的波動，不占主要因素(見圖1)。

圖1 側(cè)移—梁柱截面曲線（層高3 m，跨距4 m）

2)側(cè)移與單位耗鋼量之間的關(guān)系。

隨著梁柱截面的增大，結(jié)構(gòu)側(cè)移必然減小，同時用鋼量也增大。為了研究側(cè)移與用鋼量之間的變化關(guān)系，本文繪制出多層及小高層結(jié)構(gòu)的側(cè)移—單位耗鋼量曲線(見圖2)。通過對各種層高、跨距情況下側(cè)移—單位耗鋼量曲線的分析比較，可得知無論是多層或小高層結(jié)構(gòu)，側(cè)移隨單位耗鋼量的增大而減小，當(dāng)跨距較大時變化較為迅速，但當(dāng)單位耗鋼量達(dá)到40 kg/m2后，曲線趨于水平，此時再一味增大梁柱截面并不能有效地控制側(cè)移。同時，層高的變化對側(cè)移與單位耗鋼量之間的關(guān)系影響不大。

圖2 最大側(cè)移—單位耗鋼量曲線（多層，層高3.14 m）

3)跨距、層高與單位耗鋼量的關(guān)系。

當(dāng)梁柱截面偏小時，很可能引起結(jié)構(gòu)的內(nèi)力超限，造成構(gòu)件破壞或失穩(wěn)，同時也會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形過大，影響使用;而如果截面偏大的話，結(jié)構(gòu)自重增加，耗鋼量增大，也造成不必要的浪費。本文在各種跨距、層高情況下選取最為合理的梁柱截面，選取的原則為保證結(jié)構(gòu)的各項內(nèi)力均滿足要求，同時控制最大層間位移角，避免截面過大，造成浪費。將這一合理的梁柱截面所對應(yīng)的單位耗鋼量與結(jié)構(gòu)的跨距、層高聯(lián)系起來，繪制出跨距—單位耗鋼量曲線及層高—單位耗鋼量曲線。由圖3及圖4可看到，單位耗鋼量隨跨距的增大而減小，當(dāng)跨距達(dá)到5 m以后減小速度漸趨緩慢，到12 m或13 m左右時耗鋼量達(dá)到最小，此后耗鋼量開始隨跨距的增大而上升。因此本文認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的跨距應(yīng)控制在5 m～12 m。

圖3 跨距—單位耗鋼量曲線（多層）

圖5為層高—單位耗鋼量曲線，可看出層高越大單位耗鋼量越大，當(dāng)跨距較大時并不明顯，而當(dāng)跨距小于4 m時，變化逐漸顯著起來。因此當(dāng)跨距較大時，層高在一定范圍內(nèi)的改變對單位耗鋼量不會帶來大的影響。

2 算例分析

前面研究并了解了鋼結(jié)構(gòu)住宅框架結(jié)構(gòu)的綜合性能。在實際工程中特別是抗震烈度較高的地區(qū)，為控制結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移，提高抗震性能，會在框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)置抗側(cè)力支撐或核心筒體等。因此，本文擬對多層及小高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的框架、框支、框筒結(jié)構(gòu)等進(jìn)行算例分析，以比較各自的優(yōu)缺點。

圖4 跨距—單位耗鋼量曲線（小高層）

圖5 層高—單位耗鋼量曲線

對于小高層鋼結(jié)構(gòu)住宅，本文對框架、框支、框筒三種方案進(jìn)行了比較。整個計算采用PKPM系列STS+SATWE完成，考慮風(fēng)荷載和地震荷載，基本風(fēng)壓0.35 kg/m2，抗震設(shè)防烈度8度;柱采用焊接箱形柱，梁為H型鋼，支撐則用φ114×4的圓鋼管。計算中樓板假定為剛性樓板，框架節(jié)點為剛接，框架梁與核心筒連接為鉸接，柱腳剛接。最后的計算結(jié)果如表1所示。

表1 計算結(jié)果

從表1結(jié)果中可以看出，方案一的純鋼框架結(jié)構(gòu)自重輕，周期長，地震作用小，但剛度較小，因而在水平荷載作用下的位移較大，最大層間位移角為1/378。而鋼結(jié)構(gòu)住宅的外墻及內(nèi)隔墻普遍采用輕質(zhì)材料，強度低，變形能力差，過大的結(jié)構(gòu)變形很容易使其開裂。而框架—支撐結(jié)構(gòu)(方案二)由于支撐的設(shè)置，橫向的抗側(cè)移剛度有了較大的提高，而用鋼量只增加了1.43%，結(jié)構(gòu)的自振周期從2.339 s減小到1.662 s，同時地震力增加了約50%。總的來看，框架—支撐結(jié)構(gòu)仍然具有自重輕，延性好等特點，同時又保證了足夠的側(cè)向剛度。方案三的框筒結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度很大，但同時自重增大了23.5%，且由于剛度的增加自振周期明顯減小，結(jié)構(gòu)承受的地震力達(dá)到前兩方案的兩倍左右。

總之，綜合經(jīng)濟性、施工方便性、抗側(cè)性能等多個方面來看，在高抗震烈度地區(qū)的小高層鋼結(jié)構(gòu)住宅中采用框架—支撐體系具備抗側(cè)剛度較大，施工簡便，用鋼量少，經(jīng)濟合理等優(yōu)點。相比于其他結(jié)構(gòu)形式更為適宜。另外，通過對多層鋼結(jié)構(gòu)住宅的體系算例比較，本文認(rèn)為在多層鋼結(jié)構(gòu)住宅中，由于建筑高度較低，純鋼框架結(jié)構(gòu)在保證強度要求的同時能夠提供足夠的抗側(cè)剛度，因此最為適宜。

3 結(jié)語

通過以上的分析研究，我們發(fā)現(xiàn):1)鋼結(jié)構(gòu)住宅中，在框架結(jié)構(gòu)的性能表現(xiàn)方面多層與小高層基本相同或相似。2)當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)住宅的跨距較大時，改變梁柱截面更能有效地控制側(cè)移。3)當(dāng)單位耗鋼量達(dá)到40 kg/m2后，再一味增大梁柱截面并不能有效地控制側(cè)移。4)本文認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的跨距應(yīng)控制在5 m～12 m，此時層高在一定范圍內(nèi)的改變對單位耗鋼量不會帶來大的影響。5)在小高層鋼結(jié)構(gòu)住宅中采用框架—支撐體系最為適宜，而多層住宅應(yīng)盡量采用框架結(jié)構(gòu)。在我國，傳統(tǒng)的住宅建筑一般都是采用小跨距、小空間的結(jié)構(gòu)形式，這主要是由磚混結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等的結(jié)構(gòu)性能以及當(dāng)時的住房條件所決定的。而參照以上結(jié)論，本文認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)住宅采用大跨距、大空間的結(jié)構(gòu)形式更為適宜。這樣既能夠充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)勢，又能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)無柱、戶內(nèi)無柱，很好地滿足了住戶對室內(nèi)空間自由分配的需求。

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