钢结构住宅结构体系的经济性比选

钢结构住宅结构体系的经济性比选

[摘要]文章总结钢结构住宅的结构体系类型及特点，并通过结构设计计算来分析框架梁是如何影响抗侧移刚度的，从而确定在钢结构住宅设计时根据设计的层数等要求而选用不同的结构体系进行设计，以达到经济性的目的。

[关键词]钢结构住宅；结构体系；设计计算；经济分析[作者简介] 肖剑凤，南宁市建筑科学研究设计院，广西南宁，530000

[中图分类号]TU375

[文献标识码]A

[文章编号]1007-7723(2007)08-0157-0003

建设节能省地型住宅是中国未来的住宅建设方向，而发展钢结构住宅建筑则是解决高能耗建筑的一条行之有效的途径。绿色建材、节能设施、最大限度利用有效空间等都是钢结构住宅建筑的优点。对于钢结构住宅体系的选择，不必拘泥于某一种特定的体系。可以根据建筑平面设计的要求，灵活处理，综合使用不同的抗侧力体系。本文通过结构设计计算来分析框架梁是如何影响抗侧移刚度的，从而确定在钢结构住宅设计时根据设计的层数等要求而选用不同的结构体系进行设计，以达到经济性的目的。

一、钢结构住宅的结构体系类型及特点

住宅钢结构按类型及其构件材料组成可分为纯钢结构

住宅和钢―混凝土混合结构住宅。纯钢结构住宅包括纯钢组成的钢框架或钢框架与钢支撑组成的结构体系等；钢―混凝土混合结构包括纯钢框架与混凝土核心筒(剪力墙)组成的结构体系以及组合构件形成的钢框架与混凝土核心筒(剪力墙)组成的结构体系。抗侧力构件可为混凝土剪力墙(核心筒)或支撑。支撑可由型钢(含钢管)组成，但不宜采用钢管混凝土构件。

1、纯框架体系。它主要由宽翼缘的H型或箱形柱和工字型梁组成，亦可采用热轧H型钢。这种体系具有较为灵活的空间布局，但侧向刚度较弱。相对于框架―支撑体系，用钢量较大。纯框架体系多采用双向刚接，这样可以加大结构自身的侧移刚度，减少抗侧移构件内力，加强耗能机制，提高建筑物的延性。但节点形式较为复杂。由于建筑美观的要求，端板连接不宜于多层轻钢住宅。

2、框架一支撑体系主要由焊接工字型梁柱组成。多数情况下，这种体系为横向承重。梁柱节点在横向上，为刚接；

纵向为铰接。因此，结构在纵向相当于排架，抗侧移刚度很低，需设置侧向支撑抵抗水平荷载，限制结构的水平变形。支撑可用槽钢、角钢或圆钢杆，具体形式可结合建筑立面或门窗洞口需要采用单斜杆、x型、K型或偏心支撑。单斜杆简单明快，但必须设置两组不同倾斜支撑，以保证结构在两个方向具有同样抗侧力能力。x型支撑具有很好的侧向刚度，但是交叉点处的细部构造比较复杂。偏心支撑具有非常好的抗震耗能效果。它的工作原理是：在中、小地震作用下，支撑提供主要的抗侧力刚度与中心支撑相似；在大地震作用下，保证支撑不发生受压屈曲，而让耗能梁段屈服消耗能量。它是专为抗震设计提供的支撑形式。

3、框架一钢筋混凝土剪力墙(筒)体系。用钢筋混凝土剪力墙部分或全部代替钢支撑，就形成了框架―钢筋混凝土剪力墙(筒)体系。一般将楼梯或电梯间设计成钢筋混凝土墙(筒)。这样既有效地加强了建筑物的侧向刚度，又解决了楼梯问的防火问题。如果结构刚心偏移过大，出现扭转的问题，可在适当部位设置钢支撑。

4、周围抗侧力体系。这种体系在欧美国家的商业和民用建筑中十分流行。它的特点是刚架柱强轴与其相交的建筑轴线垂直，形成外筒，抵抗水平荷载，将之传递到基础。它

适用于建筑外型接近于正方形的结构。可以将这种思路应用到框架一支撑体系中。把纵向的支撑去掉，将原有位置的刚架柱扭转90度，梁柱由铰接变为刚接。这样，刚架柱同时起到抗风柱与竖向支撑的作用。

一般认为在抗震烈度7度以上用纯框架结构体系作多层住宅是不太经济的，因为一般钢框架的抗侧移刚度较小，在地震力水平荷载作用下，结构的层间位移角达不到规范要求。对于框架结构来说，柱顶与梁铰接时，在水平荷载作用下，如果框架梁的线刚度相对较小，不能对柱子的侧向弯曲变形进行有效约束，则水平荷载产生的倾覆弯矩全部由各柱脚端承担。显然这对于框架柱来说是很不利的，会造成柱子截面的加大和用钢量的上升。事实上，柱顶与梁刚接，适当加大框架梁的截面尺寸和减小框架柱的截面尺寸，对增加结构抵抗地震水平力和降低用钢量是有利的。

二、计算模型概况

标准层结构平面如图1所示。钢框架的柱网布置原计划采用两开间一排框架柱，即大跨度布置，这样建筑布置会更灵活。但7200的柱距将导致框架梁高度加大，如要保证室内净高不小于2400，则层高须不小3000，不利于节能，且结构布置次梁过多并有二级次梁或三级次梁存在，结构不合

理，因此最后采用了一个开间一排框架柱，即小开间密柱式布置。楼面及屋面采用压型钢板现浇混凝土组合楼板。外墙采用150mm厚ALC蒸汽轻质加气混凝土板材。梁与柱刚性连接，采用坡口全熔透焊缝。

计算软件采用中国建筑科学研究院TAT结构三维分析

软件，前处理用STS进行。

三、结构设计计算

1、结构荷载。荷载(恒、活)：卧室、客厅、厨房、卫生间、楼梯等2.0kN/m2；阳台2.5 kN/m2；不上人屋面0.5

kN/m22；墙体：外墙及分户墙150厚ALC轻质加气混凝土板板，恒载为0.75 kN/m2；楼屋面恒载取值：按材料及楼屋面做法计算。计算层高：首层4.2m，其他层2.8m。

2、结构设计计算参数。结构重要性系数为1，按不对称分析，计算x和Y方向水平地震；计算x和Y方向水平风荷载，基本风压0.3 kN/m2，地面粗糙度c类；由于钢框架的侧向刚度较柔，在风荷载或水平地震作用下将产生较大的水平位移，故考虑P-△效应；钢柱计算长度系数按有侧移考虑；不考虑梁端弯矩折减。抗震设防烈度为8度，设计基本地震

加速度度值为0.2g，设计地震分组第二组，II类场地，近震；考虑扭转耦联；不考虑双向地震作用；不考虑5％偶然偏心；周转折减系数0.95；结构在多遇地震作用下的阻尼比按不超过12层的钢结构取值为0.035；在罕遇地震下的分析，阻尼比可采用0.05。边梁刚度放大系数1，中梁刚度放大系数取1.5；梁端弯矩调幅系数为1，梁跨中弯矩增大系数为1。

3、具体计算结果。按振型分解法进行地震反应计算，采用总刚计算方法，分别按低层(以3层为例)和多层(6层为例)计算，钢框架柱梁均为热轧H型钢，Q345钢。计算结果如表1所示。从表中可以看到，在7度以上抗震、地面粗糙度为c类地区用纯框架结构作为多层(6―8层)住宅的结构体系其抗侧移刚度不足。由于多层住宅结构的长宽比一般大于2，结构的抗侧移刚度之比与结构的长宽比成反比，所以其Y向侧移在地震荷载作用下在算例中达到了1/289，大于规范的许可值(规范规定，按多遇地震进行抗震设计时，多层钢框架的层间侧移标准值，不得超过结构层高的1/300)。解决办法是加钢支撑增强Y向刚度。在客厅与客厅相接的横向位置加上钢支撑，计算结果如下：振周期：T1＝15894，T2＝1.4716，T3＝1.1846，T4＝1.1269，T5＝1.0933，T6＝0.956。计算位移：x方向地震作用下最大层间位移角1/527；Y方向地震作用下最大层间位移角1/517。单位面积用钢量