高層鋼結構住宅結構體系及抗震性能探析

高層鋼結構住宅結構體系中采用以鋼材制作為主，并由型鋼和鋼板制成的鋼梁以及鋼柱等構件組成，這些構件會通過焊縫、鉚釘以及螺栓等方式進行固定。高層鋼結構住宅結構體系正是以其強度高、重量輕、可靠性高、易安裝、密封性好等優點被現今大型建筑所采用，并取得了較好的效果。我國是在新中國成立之后才開始大規模的進行鋼的冶煉，相比于西方發達國家而言有較大的技術差異，但是我國經過長期的實踐過程之后在鋼的冶煉和安裝方面都取得了非常大的成就，并逐漸接近國際水平。高層鋼結構住宅建筑數量的多少往往體現出了一個國家的經濟實力，我國的鋼產量處于世界領先地位，但是鋼材沒有得到較好的利用。使用鋼結構進行建筑可以比混凝土建筑結構性能更加好，而且施工周期明顯縮短、建造價格較低。但是我國目前高層鋼結構住宅的施工過程中存在這較多的問題，以至于存在了較大的安全隱患。尤其是在高層鋼結構住宅的結構以及抗震性能方面需要進行更深入的探討，要使得高層鋼結構住宅的安全性得到有效的保障。

1 國內外高層鋼結構住宅結構體系的研究現狀

1.1 國外高層鋼結構住宅結構體系的研究現狀

國外關于高層鋼結構住宅結構的研究較早，而且在不斷的發展過程中已經形成了較大的規模，在一些發達國家已經建造了較多的鋼結構住宅[1]。高層鋼結構住宅結構體系主要包括交錯桁架體系和鋼—混凝土混合結構體系，其中交錯桁架體系的結構是美國學者在1966年所提出的，并與次年成功的建造了一所鋼結構公寓。1974年又有學者提出了關于交錯桁架體系中的抗震性能，然后在1983年進行了交錯桁架體系的橫向水平風荷載試驗，并得出了相關的實驗數據。直到20世紀70年代歐洲才進行了關于鋼-混凝土混合結構體系的住宅，并且在1981年進行了關于地震作用下的動力特性分析。

1.2 國內高層鋼結構住宅結構體系的研究現狀

我國對于高層鋼結構住宅結構體系的研究較晚，我國在2001年才開始進行關于鋼結構住宅相關的科研，并與多所高校進行合作[2]。我國對于高層鋼結構住宅的建設較晚，但是所取得的成就較高。目前我國高層鋼結構住宅的體系主要包括鋼框架-支撐結構體系，鋼框架-混凝土筒體結構體系。而且鋼-混凝土混合結構中關于抗震性能的研究也取得了較好的成就，李國強等人將鋼-混凝土混合結構中將鋼框架簡化為半剛性框架，從混合結構中的特性以及受力和破壞方面進行了全面的分析。

2 高層鋼結構住宅結構體系

目前高層鋼結構住宅結構體系主要包括鋼框架結構體系、剛框架-支撐結構體系、鋼框架-剪力墻結構體系、剛框架-混凝土核心筒體系以及交錯桁架結構體系，下面將對這五中高層鋼結構住宅結構體系進行詳述。

2.1 鋼框架結構體系

鋼框架結構體系是較為常見的，鋼框架結構體系所指的是沿著縱、橫方向的框架來作為承重的主要結構，鋼結構框架結構體系能夠使得建筑物的空間得到最大程度的利用。而且鋼框架結構體系的受力部位非常明確[3]，構造也非常簡潔，安裝過程中非常簡單，在鋼材生產過程中能夠進行批量化生產。但是鋼框架結構體系的抗震能力較差，對于15層以上的住宅盡量避免使用鋼框架結構。

2.2 鋼框架—支撐結構體系

鋼框架-支撐結構體系主要是利用框架結構作為基礎，并在住宅中布置相關數量的豎向結構來支撐，這就使得鋼框架-支撐結構體系能夠承受水平力和側向力，這種結構相對于鋼框架結構體系而言有著較好的抗震性能，而且在進行高層剛結構住宅的建造中所耗用的資金也較少，利于更高層數的施工[4]。但是鋼框架-支撐結構體系在施工過程中的施工難度較大，支撐的不合理也會使得建筑的布局存在局限性。

2.3 鋼框架—剪力墻結構體系

剪力墻也可稱為抗風墻或者抗震墻，在住宅結構中主要是承受地震作用引起的水平荷載，能夠有效的防治住宅結構受到剪切的破壞。在高層鋼結構住宅中合理的運用剪力墻能夠使其更加穩固，使得高層鋼結構住宅能夠承受更大的負荷。鋼框架—剪力墻結構體系中豎向的負荷是依靠鋼框架承擔的，而橫向的荷載是鋼框架和剪力墻共同承擔的。當然剪力墻也分為多種形式，有的是鋼板結構的剪力墻、鋼板混凝土組合的墻板或者鋼筋混凝土剪力墻，鋼框架—剪力墻結構體系能夠使得高層鋼結構住宅結構能夠抵御更強的推力，并能夠承受更大的地震中的剪力[5]。這樣就能夠使得高層鋼結構住宅的高度得到更大的提高，但是在地震發生時容易使得住宅的局部出現破壞的情況。

2.4 鋼框架—混凝土核心筒體系

鋼框架-混凝土核心筒體系主要是鋼筋混凝土的芯筒和鋼框架共同組成的混合結構體系，鋼框架—混凝土核心筒體系與鋼框架—剪力墻結構體系有很多的相似之處，這種結構體系能夠承受較大的荷載。鋼框架—混凝土核心筒體系中核心筒主要是承擔橫向荷載，并占據其中90%以上的荷載，而鋼框架主要是承擔豎向荷載。這種結構體系在高層鋼結構住宅的建設當中運用的非常廣泛，而且其施工過程中能夠有效的節省材料，更大限度的降低了工程造價。但是這種結構體系中鋼框架與核心筒的關聯性不夠緊密，即在較大的地震作用下核心筒遭到破壞，那么鋼框架也就無法抵御地震的沖擊。

2.5 交錯桁架結構體系

交錯桁架結構體系主要是由柱子、桁架以及樓面板所構成的，通常柱子是固定在建筑的外圍，而桁架則是固定在柱子上，樓面板則是固定在桁架的上弦與下弦中。交錯桁架結構體系對于搞成鋼結構住宅的空間占用較小，其中橫向荷載是由桁架承擔的，柱子主要是承受軸力[6]。雖然交錯桁架結構體系能夠更大限度的節省住宅面積，但是其結構較為復雜，施工難度偏大，不易于在高層鋼結構住宅中進行施工。

3 高層鋼結構住宅結構體系中抗震設計的基本方法

高層鋼結構住宅結構容易受到地震的影響，地震發生時會產生橫向和縱向兩個方向的力。高層住宅在地震發生時所遭受的破壞也會更大，所以在進行高層鋼結構住宅結構體系的建設中要尤其注意其抗震性能的分析。在進行高層鋼結構住宅結構體系的抗震性能分析中要根據地震的反應特點進行相關的計算，因為關于高層鋼結構住宅結構體系的抗震包括建筑場地、結構類型以及高度等多方面的因素的影響。簡化精確的計算將能夠使得高層鋼結構住宅的安全性能得到更大限度的保障，下面將詳述抗震設計的集中基本方法。

3.1 底部剪力法

這種方法的計算較為簡單，而且計算的時間也較短，這種方法通常運用在較為規則的住宅結構在水平方向所受的荷載。這種計算方法不僅可以得到住宅結構在水平方向的地震作用，而且還能夠得到地震作用在結構高度上的分布。

3.2 反應譜法

反應譜法的理論基礎主要是利用單質點在地震過程中的反應來進行研究的，然后就可以繪制相關的地震反應譜曲線，反應譜曲線描述的是質點在地震作用下反應和自振周期之間的函數關系，利用這種方法能夠分析不同的地震對高層鋼結構住宅結構的影響。

3.3 時程分析法

反應譜法主要是以地震反應譜為依據，其能夠在很大限度上分析有關與承載力和變形的結果，但是其不能夠體現出結構存在的薄弱位置以及可能發生的震害，有較大的局限性。但是時程分析法能夠將整個高層鋼結構住宅結構作為一個振動系統[7]，然后依據地震加速度與時間之間的變化函數就能夠較好的分析出各質點的地震響應，同時時程分析法也能夠分析出對于不規則住宅的地震反應。

4 高層鋼結構住宅結構抗震性能探析

關于高層鋼結構住宅結構抗震性能的探析首先應該建立相關的模型，然后采取相應的簡化模型來進行數據結果的分析，其中應該包含框架的邊長、壁厚、主梁截面、次梁截面，鋼支撐矩形截面的邊長、壁厚以及厚度等。建立相關的模型之后就要進行模態分析，模態分析主要是運用于高層鋼結構住宅結構在地震荷載作用下的線性分析，也可稱之為振型疊加法，這能夠更大限度的縮短高層鋼結構住宅結構的計算方法，模態分析所得到的結果是進行動力分析的重要參數，也是反應譜分析以及時程分析的基礎保障。反應譜分析中所得到的是地震運動的平均值，能夠反映出每個振型位移中的最大值，對于反應譜所得到的結果可以直接用于高層鋼結構住宅的結構體系設計中[8]。地震作用的計算方法有兩種，一種是底部剪力法，而另一種是振型分解法，底部剪力法只考慮了結構的第一振型，但是對于高層鋼結構住宅而言會帶來較大的誤差，所以在高層鋼結構住宅結構中應該采用振型分解法。

本文主要介紹了高層鋼結構住宅的幾種不同的結構體系，然后講述了各種結構體系的優缺點以及適用范圍，然后主要講述的是高層鋼結構住宅的抗震性能分析，通過這些講述可以得到在高層鋼結構住宅結構體系的設計過程中應該綜合考慮其經濟性、施工時間以及施工場地等因素，然后配合相關的抗震性能分析，最后來選取較好的方案。

[1]宋俊瑞.高層鋼結構住宅結構體系及抗震性能研究[D].合肥工業大學，2012-04-01.

[2]沈健偉.發展鋼結構住宅遇到問題和對策及發展現狀和前景分析[A].2012中國鋼結構行業大會論文集[C].2012年.

[3]吳席爽，曲衍進，白鶴.鋼結構住宅新工藝及新材料[A].第九屆沈陽科學學術年會論文集(信息科學與工程技術分冊)[C].2012年.

[4]沈祖炎.必須還鋼結構輕、快、好、省的本來面目[A].影響中國-第二屆中國鋼結構產業高峰論壇論文集[C].2010年.

[5]王明貴.中國的住宅產業化與鋼結構住宅——《輕型鋼結構住宅技術規程》JGJ209—2010介紹[A].影響中國-第二屆中國鋼結構產業高峰論壇論文集[C].2010年.

[6]孫永強，張旭，蘇醒.不同體量鋼結構住宅結構及圍護結構生命周期詳單分析[A].全國暖通空調制冷2010年學術年會論文集[C].2010年.

[7]王明貴，趙爽，張大力.一種新的輕型鋼結構住宅體系介紹[A].2010年全國建筑鋼結構行業大會論文集[C].2010年.

[8]史三元，侯桂欣，蘇曉亮.小高層鋼結構住宅抗震性能研究[J].河北工程大學學報(自然科學版)，2010年.