適用于高層住宅的新型鋼結(jié)構(gòu)體系實例研究

馬飛鶴

（中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司太原設(shè)計院，太原 030013）

1 新體系的提出

國內(nèi)某公司針對高層鋼結(jié)構(gòu)住宅提出了一種新型的結(jié)構(gòu)體系，新體系包括立柱、鋼梁、主板架、偏心支撐等構(gòu)件。立柱選取矩形鋼管柱；鋼梁屬于空腹桁架梁，選取槽鋼作為弦桿，選取方鋼管作為腹桿；主板架由樓承板組成；偏心支撐為槽接式。新體系采用法蘭盤節(jié)點作為梁柱連接方式，在每層柱端均設(shè)置柱帽，整體示意如圖1a所示，節(jié)點示意及結(jié)構(gòu)外觀示意分別見圖1b和1c。

圖1 新結(jié)構(gòu)體系示意圖

2 新體系實例研究

2.1 基本參數(shù)

本項目±0.000 m以上共25層，地下設(shè)2層地下室，標準層高度為3.0 m，建筑平面尺寸45.0 m×15.0 m，建筑方案布置和結(jié)構(gòu)方案布置分別見圖2和圖3。

圖2 建筑方案布置圖

圖3 結(jié)構(gòu)方案布置圖

2.1.1 建筑方案

1）樓面做法：10 mm實木地板，20 mm厚1∶3水泥砂漿，考慮地暖。

2）屋面做法：3 mm厚的高聚物改性瀝青防水卷材，25 mm厚的1∶3水泥砂漿，110 mm厚的瀝青礦渣棉保溫層，120 mm厚的膨脹珍珠巖，坡度2%，最薄處20 mm。

3）圍護板系采用煤矸石ALC板。

2.1.2 結(jié)構(gòu)方案

1）設(shè)計基本參數(shù)

基本風(fēng)壓：0.40 kN/m2；基本雪壓：0.35 kN/m2；

基本抗震設(shè)防烈度：8度；基本地震加速度：0.20g。

2）荷載取值

樓面恒載計算值為3.4 k N/m2，屋面恒載計算值為4.2 kN/m2；樓面活載取2.0 kN/m2，不上人屋面活載取0.5 k N/m2。

3）結(jié)構(gòu)布置及截面選擇

以某25層工程為分析對象，鋼材為Q355B，混凝土為C30。構(gòu)件截面如表1所示。

表1 構(gòu)件截面

2.2 整體模擬分析

采用Midas Gen結(jié)構(gòu)分析軟件進行整體模擬。

2.2.1 靜力分析

靜力分析部分主要是分析了在豎向恒載、豎向活載和風(fēng)載3種荷載單獨加載工況及荷載組合下結(jié)構(gòu)整體的等效應(yīng)力、結(jié)構(gòu)層間位移及層間位移角等。其中，柱子和梁的弦桿均采用梁單元來建模，梁的腹桿和支撐均采用桁架單元來建模。

1）由梁單元和桁架單元等效應(yīng)力云圖可以得到梁的上下弦桿最大應(yīng)力是253 MPa，中柱的最大應(yīng)力是302 MPa，邊柱的最大應(yīng)力是244 MPa。梁的腹桿最大壓應(yīng)力是158 MPa，支撐的最大壓應(yīng)力是205 MPa。柱端和梁端總體應(yīng)力大小比較均勻，說明本體系受力合理。

2）結(jié)構(gòu)在X向風(fēng)載（Wx）作用下，結(jié)構(gòu)的第5層層間位移最大，為1.1 mm，對應(yīng)的層間位移角為1/2759＜1/250；結(jié)構(gòu)在Y向風(fēng)載（Wy）作用下，結(jié)構(gòu)的第5層層間位移最大，為4.2 mm，對應(yīng)層間位移角為1/699＜1/250，因此，本體系在靜力作用下滿足層間位移角的最大值要求。

2.2.2 動力分析——模態(tài)分析

本次模態(tài)分析采用子空間迭代法，由結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析能夠得到結(jié)構(gòu)的自振周期，JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中考慮扭轉(zhuǎn)影響的結(jié)構(gòu)類型，一般取10～15個振型進行模擬，本次取前15個振型進行模擬分析。由分析結(jié)果可以得到：結(jié)構(gòu)的第一階扭轉(zhuǎn)周期（Tt）與第一階平動周期（Tx）的比值為2.3451/3.1625=0.74＜0.90，滿足JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中對結(jié)構(gòu)整體周期比的最大值要求。結(jié)構(gòu)3個方向的結(jié)構(gòu)質(zhì)量參與系數(shù)分別為93.62%、93.25%、92.31%，均超過90%。結(jié)構(gòu)前2階振型分別為X向平動和Y向平動，第3階振型為Z向扭轉(zhuǎn)，每一階的振動周期差距較小，說明整體結(jié)構(gòu)振動性能較好。

2.2.3動力分析——反應(yīng)譜分析

1）多遇地震下結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析

X向多遇地震下結(jié)構(gòu)最大層間位移[1]為5.1 mm，層間位移角為1/584＜1/250；Y向多遇地震下結(jié)構(gòu)最大層間位移為6.1 mm，層間位移角為1/487＜1/250。因此，本體系在多遇地震下滿足JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》關(guān)于層間位移角的最大值要求。

2）罕遇地震下結(jié)構(gòu)反應(yīng)譜分析

X向罕遇地震下結(jié)構(gòu)最大層間位移[2]為32.9 mm，層間位移角為1/91＜1/50；Y向罕遇地震下結(jié)構(gòu)最大層間位移為36.1 mm，層間位移角為1/83＜1/50。因此，本體系在罕遇地震下滿足JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》關(guān)于層間位移角的最大值要求。

2.2.4 動力分析——時程分析

選取2條天然波和1條人工波[3]，分別為EL CENTRO SITE波、LOMA PRIETA波和蘭州波（人工波）。其中，3種波記錄的時間間隔均為0.02 s；3種波時程曲線的加速度峰值分別為358.9 cm/s2、269.4 cm/s2、139.8 cm/s2；3種波的記錄時間均為12 s，在結(jié)構(gòu)底部沿X和Y兩個方向輸入地震波。

可以得出在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)X向頂點位移的變化＞Y向頂點位移的變化，故僅針對X向進行分析。3種波作用下，結(jié)構(gòu)X向最大層間位移分別為25.3 mm、8.5 mm、32.9 mm，層間位移角分別為1/118＜1/50、1/349＜1/50、1/91＜1/50，滿足JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的要求。

2.3 節(jié)點模擬分析

采用殼體單元進行有限元建模分析，選用Q355B鋼材，彈性模量E為2.06×105MPa，泊松比μ為0.3，梁柱節(jié)點位移取80 mm，單調(diào)進行加載，節(jié)點分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 節(jié)點有限元云圖

圖4中梁柱節(jié)點處以及梁的弦桿與腹桿連接處應(yīng)力均較大，大面積區(qū)域發(fā)生屈服，梁柱連接節(jié)點處最為明顯。從分析結(jié)果中進一步提取出梁柱節(jié)點處的力與位移數(shù)值，繪制得到力（F）與位移（Δ）的關(guān)系圖（見圖5）。由圖5可以得到：位移Δ在0～20 mm時，梁柱節(jié)點處力與位移處于彈性階段；位移Δ在20～40 mm時，梁柱節(jié)點處開始發(fā)生塑形；位移Δ在40～80 mm時，隨著位移增大，受力基本不再增長，達到峰值210 kN左右。梁端力與位移曲線符合經(jīng)典力學(xué)規(guī)律，表明新體系梁柱節(jié)點受力性能良好。

圖5 梁端力與位移曲線

3 結(jié)語

通過整體模擬及節(jié)點有限元的分析得到本文分析的新型高層鋼結(jié)構(gòu)住宅體系在力學(xué)性能方面是可行的，而其在標準化、工廠化、裝配化方面的優(yōu)勢也是顯而易見的[4]。該鋼結(jié)構(gòu)新體系符合我國大力倡導(dǎo)的裝配式建筑的要求，在高層住宅中具有實際應(yīng)用性及一定的發(fā)展前景和推廣價值。