鋼結構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)

鋼結構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、結構抗震性能好等優(yōu)點，很好地符合了我國住宅產業(yè)化的發(fā)展方向，有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α１疚尼槍︿摻Y構住宅框架結構的綜合性能進行了初步探討，并分析比較了幾種不同結構形式的優(yōu)缺點，以期對工程實際有所裨益。

1 結構性能研究

鋼結構住宅可采用的結構形式包括框架結構、框支結構、框架—核心筒體系、輕鋼龍骨結構以及交錯桁架體系等。其中框架結構傳力明確、構造簡單，在多層、小高層或高層中均可采用，是最基本的結構體系。本文從多層及小高層兩個方面對鋼結構框架體系進行討論，通過大量的計算數(shù)據(jù)分析了梁柱截面變化對結構側移的影響效果，以及結構最大側移、層高、跨距與單位耗鋼量之間的變化關系。在我國，鋼結構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構，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構的長度、寬度及樓高，其中多層結構長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。在此基礎上通過改變層數(shù)和長度方向的跨數(shù)來實現(xiàn)結構跨距、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進行模擬，可設置截面，樓板用Shell63單元模擬。計算中考慮結構自重、樓面荷載及水平方向靜荷載，其中水平荷載僅考慮橫向，通過在結構各單元上施加水平加速度a=0.52 m/s2來模擬實現(xiàn)。

1)梁柱截面對結構側移的影響效果。

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，然后計算出結構頂點位移也即結構最大側移量。以此來考察梁柱截面對結構側移的影響，并分析結構層高或跨距的變化對這種影響效果帶來的改變。發(fā)現(xiàn)在多層及小高層結構中，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構側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 側移—梁柱截面曲線（層高3 m，跨距4 m）

2)側移與單位耗鋼量之間的關系。

隨著梁柱截面的增大，結構側移必然減小，同時用鋼量也增大。為了研究側移與用鋼量之間的變化關系，本文繪制出多層及小高層結構的側移—單位耗鋼量曲線(見圖2)。通過對各種層高、跨距情況下側移—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構，側移隨單位耗鋼量的增大而減小，當跨距較大時變化較為迅速，但當單位耗鋼量達到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移。同時，層高的變化對側移與單位耗鋼量之間的關系影響不大。

圖2 最大側移—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系。

當梁柱截面偏小時，很可能引起結構的內力超限，造成構件破壞或失穩(wěn)，同時也會導致結構變形過大，影響使用;而如果截面偏大的話，結構自重增加，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構的各項內力均滿足要求，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的單位耗鋼量與結構的跨距、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，當跨距達到5 m以后減小速度漸趨緩慢，到12 m或13 m左右時耗鋼量達到最小，此后耗鋼量開始隨跨距的增大而上升。因此本文認為鋼結構住宅建筑的跨距應控制在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，當跨距較大時并不明顯，而當跨距小于4 m時，變化逐漸顯著起來。因此當跨距較大時，層高在一定范圍內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構住宅框架結構的綜合性能。在實際工程中特別是抗震烈度較高的地區(qū)，為控制結構在地震作用下的位移，提高抗震性能，會在框架結構的基礎上設置抗側力支撐或核心筒體等。因此，本文擬對多層及小高層鋼結構住宅的框架、框支、框筒結構等進行算例分析，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

對于小高層鋼結構住宅，本文對框架、框支、框筒三種方案進行了比較。整個計算采用PKPM系列STS+SATWE完成，考慮風荷載和地震荷載，基本風壓0.35 kg/m2，抗震設防烈度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。最后的計算結果如表1所示。

表1 計算結果

從表1結果中可以看出，方案一的純鋼框架結構自重輕，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。而鋼結構住宅的外墻及內隔墻普遍采用輕質材料，強度低，變形能力差，過大的結構變形很容易使其開裂。而框架—支撐結構(方案二)由于支撐的設置，橫向的抗側移剛度有了較大的提高，而用鋼量只增加了1.43%，結構的自振周期從2.339 s減小到1.662 s，同時地震力增加了約50%?？偟膩砜矗蚣堋谓Y構仍然具有自重輕，延性好等特點，同時又保證了足夠的側向剛度。方案三的框筒結構側向剛度很大，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，結構承受的地震力達到前兩方案的兩倍左右。

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

3 結語

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

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