適用于高層住宅的新型鋼結構體系實例研究

馬飛鶴

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司太原設計院，太原 030013）

1 新體系的提出

國內某公司針對高層鋼結構住宅提出了一種新型的結構體系，新體系包括立柱、鋼梁、主板架、偏心支撐等構件。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點作為梁柱連接方式，在每層柱端均設置柱帽，整體示意如圖1a所示，節點示意及結構外觀示意分別見圖1b和1c。

圖1 新結構體系示意圖

2 新體系實例研究

2.1 基本參數

本項目±0.000 m以上共25層，地下設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，建筑方案布置和結構方案布置分別見圖2和圖3。

圖2 建筑方案布置圖

圖3 結構方案布置圖

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 結構方案

1）設計基本參數

基本風壓：0.40 kN/m2；基本雪壓：0.35 kN/m2；

基本抗震設防烈度：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）結構布置及截面選擇

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

表1 構件截面

2.2 整體模擬分析

采用Midas Gen結構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、豎向活載和風載3種荷載單獨加載工況及荷載組合下結構整體的等效應力、結構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力云圖可以得到梁的上下弦桿最大應力是253 MPa，中柱的最大應力是302 MPa，邊柱的最大應力是244 MPa。梁的腹桿最大壓應力是158 MPa，支撐的最大壓應力是205 MPa。柱端和梁端總體應力大小比較均勻，說明本體系受力合理。

2）結構在X向風載（Wx）作用下，結構的第5層層間位移最大，為1.1 mm，對應的層間位移角為1/2759＜1/250；結構在Y向風載（Wy）作用下，結構的第5層層間位移最大，為4.2 mm，對應層間位移角為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——模態分析

本次模態分析采用子空間迭代法，由結構的模態分析能夠得到結構的自振周期，JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結構技術規程》中考慮扭轉影響的結構類型，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。由分析結果可以得到：結構的第一階扭轉周期（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《高層民用建筑鋼結構技術規程》中對結構整體周期比的最大值要求。結構3個方向的結構質量參與系數分別為93.62%、93.25%、92.31%，均超過90%。結構前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，每一階的振動周期差距較小，說明整體結構振動性能較好。

2.2.3動力分析——反應譜分析

1）多遇地震下結構反應譜分析

X向多遇地震下結構最大層間位移[1]為5.1 mm，層間位移角為1/584＜1/250；Y向多遇地震下結構最大層間位移為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《高層民用建筑鋼結構技術規程》關于層間位移角的最大值要求。

2）罕遇地震下結構反應譜分析

X向罕遇地震下結構最大層間位移[2]為32.9 mm，層間位移角為1/91＜1/50；Y向罕遇地震下結構最大層間位移為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《高層民用建筑鋼結構技術規程》關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，在結構底部沿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構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，結構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《高層民用建筑鋼結構技術規程》的要求。

2.3 節點模擬分析

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，梁柱節點位移取80 mm，單調進行加載，節點分析結果如圖4所示。

圖4 節點有限元云圖

圖4中梁柱節點處以及梁的弦桿與腹桿連接處應力均較大，大面積區域發生屈服，梁柱連接節點處最為明顯。從分析結果中進一步提取出梁柱節點處的力與位移數值，繪制得到力（F）與位移（Δ）的關系圖（見圖5）。由圖5可以得到：位移Δ在0～20 mm時，梁柱節點處力與位移處于彈性階段；位移Δ在20～40 mm時，梁柱節點處開始發生塑形；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典力學規律，表明新體系梁柱節點受力性能良好。

圖5 梁端力與位移曲線

3 結語

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