多層鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)分析

吳海英,范建洲

(山西大學(xué)工程學(xué)院，山西太原030013)

鋼結(jié)構(gòu)建筑具備“綠色建筑”的特征，即“環(huán)保、節(jié)能、工業(yè)化”，最容易實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、構(gòu)配件生產(chǎn)工廠化、施工裝配化、機(jī)械化、產(chǎn)品供應(yīng)社會化、市場消費(fèi)的系列化，隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)高效型鋼材的研發(fā)，我國產(chǎn)業(yè)政策的支持，把鋼結(jié)構(gòu)用于住宅建筑,期待鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的興起[1]。

作為鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計(jì)者，學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)(鋼結(jié)構(gòu)住宅)的輔導(dǎo)者在設(shè)計(jì)實(shí)踐中體會到了其存在和發(fā)展的優(yōu)勢，當(dāng)然也發(fā)現(xiàn)了其在今后推廣和應(yīng)用中亟待解決的問題[1]，本文以多層鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)為例，介紹鋼結(jié)構(gòu)住宅在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時的若干要點(diǎn)問題及相應(yīng)對策。

1 結(jié)構(gòu)體系的選擇

側(cè)向荷載效應(yīng)對于多層鋼結(jié)構(gòu)住宅的影響處于突出地位，是其設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)所在。依據(jù)抵抗側(cè)向荷載作用的功效，目前，對于多層鋼結(jié)構(gòu)住宅來說，常用的結(jié)構(gòu)體系主要有鋼框架結(jié)構(gòu)體系、框架-支撐結(jié)構(gòu)體系等。

在多層鋼結(jié)構(gòu)住宅中應(yīng)用最廣的是框架體系，其柱距宜控制在6～9m范圍內(nèi)，次梁間距以3～4m為宜，該體系平面布置較靈活，剛度分布均勻，延性較大，自振周期較長，抗震性能好；但由于側(cè)向剛度小，易引起非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。

當(dāng)房屋層數(shù)較多時，可用框架-支撐結(jié)構(gòu)體系。該體系體系有中心支撐、偏心支撐兩種。中心支撐在受壓時吸收能量的能力主要取決于在反彈變形時對于局部屈曲的抗力和長細(xì)比，它的耗能能力受到支撐屈曲的影響，因此當(dāng)抗側(cè)剛度不足時，不宜采用這種中心支撐框架。偏心支撐在梁端或中部形成耗能梁端，則結(jié)構(gòu)在彈性階段呈現(xiàn)較好的剛度，在非彈性階段具有很好的延性和耗能能力，從而保護(hù)建筑，主要用在強(qiáng)震地震區(qū)。

對于抗震設(shè)防烈度為6、7度區(qū)的多層鋼結(jié)構(gòu)住宅，3～5層建議采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系，優(yōu)先采用H型鋼組成的結(jié)構(gòu)體系；6～7層宜采用框架-支撐結(jié)構(gòu)體系，優(yōu)先采用方鋼管柱+H型鋼梁+XY向支撐結(jié)構(gòu)體系；抗震設(shè)防烈度為8、9度區(qū)的3～7層鋼結(jié)構(gòu)住宅，建議采用H型鋼梁+方鋼管柱+XY向支撐結(jié)構(gòu)體系[2]。

2 基本結(jié)構(gòu)構(gòu)件的類型

對于多層鋼結(jié)構(gòu)住宅鋼構(gòu)件的截面形式有：熱軋H型鋼截面，焊接H型鋼截面、焊接箱形截面、型鋼混凝土截面、鋼管截面、鋼管混凝土截面等。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)的時候，柱選取箱形截面或焊接工字形截面可以大大降低耗鋼量，滿足甲方的經(jīng)濟(jì)適用性要求；而梁應(yīng)盡可能選取國標(biāo)H型鋼，從而解決局部穩(wěn)定的問題，也有利于減少構(gòu)件規(guī)格，避免焊接缺陷[3]。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)雖然抗震性能好，但對于抗震設(shè)防烈度8度，抗震等級為二級的多層住宅結(jié)構(gòu)體系，層間位移角的控制較難，致使梁柱截面的承載能力難以得到充分發(fā)揮[4]。鋼管混凝土受力性能及剛度較H型鋼柱為佳[5]。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖

結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法和計(jì)算簡圖所依據(jù)的簡圖應(yīng)相一致。在設(shè)計(jì)多層框架時，常不作框架結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定分析，而是對組成框架的桿件柱子進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。采用這種方法計(jì)算時，用到的是柱子的計(jì)算長度系數(shù)，該系數(shù)應(yīng)通過框架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定分析得出，才能使柱子的穩(wěn)定計(jì)算等效于框架結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定計(jì)算。

4 結(jié)構(gòu)分析近似手算方法[6]

4.1 框架結(jié)構(gòu)

4.1.1 豎向荷載作用下的近似計(jì)算

(1)彎矩及剪力的計(jì)算。豎向荷載作用下，可采用分層法計(jì)算框架的內(nèi)力。分層法計(jì)算所得的彎矩即為其最后彎矩，而柱同時屬于上下兩個樓層，所以柱的彎矩為上下分層計(jì)算彎矩之和。該方法計(jì)算的結(jié)果，在框架各節(jié)點(diǎn)上的彎矩可能不平衡，但不平衡彎矩不致很大。如果節(jié)點(diǎn)不平衡彎矩較大，可對其進(jìn)行再一次的分配。

(2)軸力的計(jì)算。可將各樓層豎向總荷載按樓面的面積轉(zhuǎn)化為樓面均布荷載，然后近似按各柱分擔(dān)的樓面荷載面積計(jì)算框架柱在豎向荷載作用下產(chǎn)生的軸力。柱的軸力等于柱所在樓層及以上各樓層柱分擔(dān)樓面荷載面積的所有均布荷載之和。

4.1.2 水平荷載作用下的近似計(jì)算

(1)彎矩及剪力的計(jì)算可用反彎點(diǎn)法。

(2)軸力的計(jì)算。盡管按上述方法可同時得出框架柱在水平荷載作用下的軸力，但由于是考慮樓層剪力平衡條件得到的，忽略了樓層傾覆力矩平衡條件。因此，當(dāng)結(jié)構(gòu)較高時(或高寬比較大時)，其柱軸力結(jié)果有可能偏于不安全。建議按框架各樓層傾覆力矩計(jì)算水平荷載作用下框架柱的軸力。

對于由水平荷載所引起框架梁軸力，由于樓板的存在，一般可近似忽略。

4.2 框架-支撐結(jié)構(gòu)

4.2.1 豎向荷載作用下的近似計(jì)算

可近似忽略支撐對豎向荷載作用下框架內(nèi)力的影響，即可采用與框架結(jié)構(gòu)相同的分層法，近似計(jì)算豎向荷載作用下框架-支撐結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的彎矩、剪力與軸力。

4.2.2 水平荷載作用下的近似計(jì)算

(1)框架彎矩、剪力及支撐軸力的計(jì)算。

考慮整個框架-支撐結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下任一樓層的水平剪力Vi由剪力方向的各榀框架及樓層該方向的所有支撐共同承擔(dān)，并按樓層側(cè)移剛度分配，即：

式中：Kfi為剪力方向第i榀框架的樓層側(cè)移剛度；Kbi為剪力方向第i個支撐的樓層抗側(cè)移剛度。

圖1是所考慮樓層上的某個支撐，設(shè)支撐在樓面上的投影方向與樓層剪力方向夾角為φ，則該支撐的樓層側(cè)移剛度為：

式中：A為支撐截面面積；l為支撐長度；E為彈性模量。

圖1 支撐平面與立面

圖2是框架-支撐結(jié)構(gòu)中的任一榀框架及所考慮的樓層段，假設(shè)梁柱的反彎點(diǎn)均在其長度方向的中點(diǎn)。

圖2 一榀框架的典型樓層段

則框架樓層的側(cè)移剛度為：

式中：Ic為所考慮樓層柱的慣性矩；Ib為所考慮樓層梁的慣性矩。

確定了框架-支撐結(jié)構(gòu)體系中的某榀框架分擔(dān)的樓層剪力后，即可按框架結(jié)構(gòu)的近似計(jì)算方法計(jì)算該框架各構(gòu)件的彎矩與剪力。

而支撐的軸力可由支撐分配的剪力Vbi按下式計(jì)算：

(2)框架軸力的計(jì)算。

首先計(jì)算與支撐相鄰的框架柱的軸力，可按梁-柱-支撐共享節(jié)點(diǎn)的平衡條件計(jì)算。然后按框架結(jié)構(gòu)同樣的近似方法計(jì)算各榀框架的邊柱在水平荷載作用下產(chǎn)生的軸力。如該榀框架有支撐，則計(jì)算框架邊柱軸力時，所采用的框架樓層傾覆力矩應(yīng)按水平荷載所引起的傾覆力矩減去與支撐相鄰柱的軸力所抵抗的傾覆力矩后所剩余的傾覆力矩計(jì)算。

5 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)連接的承載力應(yīng)高于構(gòu)件截面的承載力，并應(yīng)能滿足各種不同結(jié)構(gòu)體系相應(yīng)的強(qiáng)度、剛度和延性的要求。鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)包括：梁柱連接節(jié)點(diǎn)、梁梁連接節(jié)點(diǎn)、柱柱拼接節(jié)點(diǎn)、柱腳節(jié)點(diǎn)。

5.1 梁柱的連接

(1) 梁柱的剛性連接。一般有三種做法：①全焊接節(jié)點(diǎn)；②栓焊混合節(jié)點(diǎn)；③全螺栓節(jié)點(diǎn)。如圖3所示。

圖3 梁柱的剛性連接

以上三種連接節(jié)點(diǎn)，在地震時吸收能量、耗散能量的能力差別較大。圖4(a)為全焊接的滯回曲線，該曲線飽滿，呈穩(wěn)定的紡錘形，節(jié)點(diǎn)剛度、延性最好；圖4(b)所示的為全栓接節(jié)點(diǎn)的滯回曲線，呈滑動形，節(jié)點(diǎn)延性較差，在地震作用下，節(jié)點(diǎn)承載能力下降，一般只適用于非地震區(qū)多層框架。栓焊混合節(jié)點(diǎn)，其抗震性能與全焊接節(jié)點(diǎn)相差不大，在工程中普遍使用。

圖4 梁柱連接的滯回曲線

圖5 圓鋼管混凝土柱與鋼梁連接的節(jié)點(diǎn)

H型鋼梁與圓鋼管混凝土柱的剛性連接常采用柱貫通式的外加強(qiáng)環(huán)式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，如圖5所示。

H型鋼梁與方鋼管混凝土柱的剛性連接節(jié)點(diǎn)采用內(nèi)隔板式連接：(1)帶短梁內(nèi)隔板式連接，方鋼管內(nèi)設(shè)隔板，柱外預(yù)焊短鋼梁 (圖6)；(2)無短梁內(nèi)隔板式連接，方鋼管內(nèi)設(shè)隔板，鋼梁的翼緣與柱鋼管壁焊接，腹板與柱鋼壁采用高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接(圖7)。

圖6 帶短梁內(nèi)隔板式連接

圖7 無短梁內(nèi)隔板式連接

(2) 梁柱的鉸接連接。一些比較次要的連接、在非地震區(qū)，，梁柱連接即可采取鉸接方案(圖8)。

(3) 梁柱的半剛性連接。其分析與設(shè)計(jì)的方法不成熟完善，目前尚無實(shí)用的設(shè)計(jì)方法，為簡化計(jì)算通常假定梁柱的連接節(jié)點(diǎn)為完全剛接或完全鉸接。

圖8 梁柱的鉸接連接節(jié)點(diǎn)

5.2 梁-梁的連接

梁-梁的連接包括：梁的拼接，主次梁的連接。

5.2.1 梁、梁拼接

梁柱剛性節(jié)點(diǎn)柱外懸臂梁端與中間梁段的連接如圖9所示。

圖9 梁梁的拼接

框梁的拼接接頭應(yīng)位于內(nèi)力較小的位置(2倍的梁高)及框架節(jié)點(diǎn)塑性區(qū)段以外，但為了方便施工安裝，拼接位置常設(shè)在距梁端1.0～1.6m左右的位置處,對于有抗震設(shè)計(jì)和塑性設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)，其拼接節(jié)點(diǎn)應(yīng)按等強(qiáng)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5.2.2主次梁連接

主次梁的連接，通常設(shè)計(jì)為鉸接連接如圖10所示。主梁的扭轉(zhuǎn)影響通常被忽視，只考慮主次梁連接處的剪力作用；在進(jìn)行螺栓或焊縫的強(qiáng)度計(jì)算時，應(yīng)考慮由于剪力對螺栓或焊縫的偏心所產(chǎn)生的附加彎矩的影響。 確定性因素的影響排除在外，其決策目標(biāo)函數(shù)為只追求造價(成本)最低的單目標(biāo)。造成由于目標(biāo)函數(shù)達(dá)不到應(yīng)有的數(shù)量(這里目標(biāo)函數(shù)的數(shù)量是指綜合目標(biāo)函數(shù)中包含的子目標(biāo)函數(shù)的個數(shù))從而降低決策結(jié)果的可信度的后果。

4 小結(jié)

結(jié)構(gòu)選型所涉及的影響因素是比較多，它是一個多目標(biāo)的綜合決策問題。要求在確定決策的綜合目標(biāo)函數(shù)時，要盡可能多地考慮各種影響因素(包括確定性和非確定性的影響因素)，并反映到具體的子目標(biāo)函數(shù)上來。一個綜合目標(biāo)函數(shù)只有充分地考慮了大多數(shù)的影響因素時，得出的綜合目標(biāo)函數(shù)值才有足夠的根據(jù)，最終的決策才可能有足夠的說服力和可信度。從而綜合目標(biāo)函數(shù)值最高的結(jié)構(gòu)方案即為能使該高層建筑的綜合經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到“令人滿意”的結(jié)構(gòu)方案。在考慮子目標(biāo)函數(shù)時由于在多個目標(biāo)之間可能存在矛盾甚至可能是互斥，對一個目標(biāo)來說是最優(yōu)的，對另一些目標(biāo)就不一定能滿足的情況，就不存在對所有目標(biāo)都是最優(yōu)的方案。這就形成一個對目標(biāo)函數(shù)數(shù)量選擇的“度”的問題。

[1] 葉浩波.高層建筑結(jié)構(gòu)選型影響因素分析[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè)， 2007，(13)

[2] 喻敏波,王全鳳.淺談高層建筑結(jié)構(gòu)選型[J]. 福建建筑， 2010，(5)

[3] 馮望.高層建筑結(jié)構(gòu)選型的探討[J]. 中華建設(shè)，2008，(4)

[4] 盧銘杰.淺談房屋建筑成本控制[J]. 技術(shù)與市場，2011，(3)