裝配式住宅鋼結(jié)構(gòu)建筑中異型柱鋼結(jié)構(gòu)體系技術(shù)初探

黃 強(qiáng)，薛 嵩，徐 強(qiáng)，馬 青，杭笑洋（上海建科建筑設(shè)計(jì)院有限公司， 上海 200032）

近年來(lái)，我國(guó)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑取得了較大進(jìn)展。裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅作為住宅產(chǎn)業(yè)化的重要形式之一，其以預(yù)制鋼構(gòu)件為主的結(jié)構(gòu)形式大幅提升了建筑的綜合性能，使得這一結(jié)構(gòu)形式的整體性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)住宅結(jié)構(gòu)[1]。但是，隨著越來(lái)越多的實(shí)際工程中應(yīng)用裝配式鋼結(jié)構(gòu)，裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅也存在一些需要克服的問題，例如在住宅建筑中采用常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)柱存在里露柱現(xiàn)象，影響使用和美觀要求。在此背景下，對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁、柱及節(jié)點(diǎn)的進(jìn)一步研究也逐漸展開，尤其是對(duì)區(qū)別于傳統(tǒng)的方型截面的異型截面梁、柱的研究。但對(duì)異型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究才開始，其現(xiàn)階段的研究?jī)H僅局限在構(gòu)件層面上，有關(guān)結(jié)構(gòu)體系方面的研究仍屬空白。目前尚無(wú)針對(duì)各種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行系統(tǒng)對(duì)比分析。

本文主要選擇了 2 種異型柱框架體系與傳統(tǒng)方鋼柱框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的比較，可為以后異型柱框架結(jié)構(gòu)的推廣使用積累經(jīng)驗(yàn)。

1 異型柱框架結(jié)構(gòu)分析

1.1 結(jié)構(gòu)分析模型

按 JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》要求，結(jié)構(gòu)分析模型步驟如下。

（1）對(duì)異型鋼管柱鋼結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行多遇地震力下的彈性分析。

（2）計(jì)算異型鋼管柱結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力和變形，采用剛性樓板假定。

（3）不考慮非承重墻體、外掛墻板等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)體系的有利作用。

（4）考慮二階效應(yīng)的不利影響。

（5）分析時(shí)需考慮鋼框架梁的扭轉(zhuǎn)變形和彎矩，鋼框架柱的軸向、剪切、扭轉(zhuǎn)變形和彎矩，鋼支撐的扭轉(zhuǎn)變形、軸向和彎矩，消能梁段的彎曲變形和剪切變形。

1.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

按 GB/T 51232—2016《裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求，計(jì)算參數(shù)選用如下。

（1）當(dāng)樓面鋼筋混凝土板與鋼梁之間有可靠連接，在結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性計(jì)算時(shí)，可以考慮鋼梁和現(xiàn)澆混凝土板共同工作的剛度增強(qiáng)。

（2）高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)在多遇地震下的阻尼比。中高層（高度 ≤ 50 m）住宅的鋼框架或鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)在多遇地震下阻尼比（ζ）取 0.04，高層（50 m ＜ 高度 ＜ 200m）住宅的鋼框架或鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)在多遇地震下阻尼比（ζ）取 0.03，在罕遇地震作用下阻尼比（ζ）均取 0.05。

（3）參照相關(guān)規(guī)程要求，本次異型鋼管柱鋼結(jié)構(gòu)模型在地震作用下的結(jié)構(gòu)自振周期考慮 0.9 的折減系數(shù)。

2 異形鋼框架與方鋼柱框架對(duì)比分析

2.1 高層鋼結(jié)構(gòu)建筑對(duì)比

建筑地上 20 F，層高均為 3 m，總高度 60 m?？拐鹪O(shè)防烈度為 7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為 0.15 g（g 為重力加速度），設(shè)計(jì)地震分組為第 2 組，建筑場(chǎng)地類別為第 4類，基本風(fēng)壓為 0.5 kN/m2，地面粗糙度為 B 類。

（1）兩種結(jié)構(gòu)采用的豎向構(gòu)件形式如圖1～圖3所示[2]。

圖1 L 型截面鋼柱

圖2 T 型截面鋼柱

圖3 方型截面鋼柱

（2）兩種結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 異型鋼框架支撐和方型鋼框架支撐計(jì)算指標(biāo)

上述 2 種鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)模型計(jì)算的結(jié)果相近。前 3階周期誤差在 5% 左右，扭轉(zhuǎn)周期比均 ＜ 0.9，X、Y向有效質(zhì)量系數(shù)均 ＞ 90%，位移角及層間位移比誤差 ≤ 5%，基底剪重比均 ＞ 1.6%，剛重比也均滿足規(guī)范要求限值，可以不考慮重力二階效應(yīng)。結(jié)構(gòu)體系較為合理，計(jì)算指標(biāo)趨于一致，沒有出現(xiàn)異常指標(biāo)。

2.2 小高層鋼結(jié)構(gòu)建筑對(duì)比

建筑地上 10 F，層高均為 3 m，總高 30 m?？拐鹪O(shè)防烈度為 7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為 0.15 g，設(shè)計(jì)地震分組為第 2 組，建筑場(chǎng)地類別為第 4 類，基本風(fēng)壓為 0.5 kN/m2，地面粗糙度為 B 類。

（1）2 種結(jié)構(gòu)采用的豎向構(gòu)件形式如圖4、圖5 所示。

圖4 工字加 T 型截面鋼柱

圖5 方型截面鋼柱

（2） 兩種結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 異型鋼框架和方型鋼框架計(jì)算指標(biāo)

上述 2 種鋼框架結(jié)構(gòu)模型計(jì)算的指標(biāo)結(jié)果相近。前 3 階周期誤差 ≤ 5%；扭轉(zhuǎn)周期比均 ＜ 0.9，X、Y向有效質(zhì)量系數(shù)均 ＞ 90%，位移角及層間位移比誤差 ≤ 5%，基底剪重比均 ＞ 1.6%，剛重比也均滿足規(guī)范要求限值，可以不考慮重力二階效應(yīng)。結(jié)構(gòu)體系較為合理，計(jì)算指標(biāo)趨于一致，沒有出現(xiàn)異常指標(biāo)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文主要通過對(duì)高層住宅建筑采用異型鋼管柱鋼結(jié)構(gòu)與方鋼柱框架的設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)小高層住宅建筑分別采用異型柱鋼結(jié)構(gòu)和方鋼柱框架的設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，主要結(jié)論如下。

（1）2 種結(jié)構(gòu)體系不論在高層住宅還是小高層住宅的計(jì)算結(jié)果都滿足規(guī)范要求，而且結(jié)果輸出數(shù)據(jù)也是相近的，異型柱框架結(jié)構(gòu)替代方鋼柱框架結(jié)構(gòu)是可行的。

（2）建議計(jì)算軟件增加對(duì)異型柱構(gòu)件選型的快捷支持，以便設(shè)計(jì)師更方便的對(duì)此類工程進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（3）建議鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中增加異型柱鋼結(jié)構(gòu)體系的相關(guān)章節(jié)內(nèi)容，方便設(shè)計(jì)人員使用。