關(guān)于多層鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系綜述

摘 要:多層鋼結(jié)構(gòu)住宅一般采用裝配式結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢(shì)是施工速度快，建筑布局限制小。其結(jié)構(gòu)都是由多層水平的樓板、梁和豎向的柱、墻等組成。主要的豎向荷載首先傳給樓板，樓板再傳給梁，然后每層的樓面荷載通過(guò)梁以及梁上的填充墻荷載傳給豎向的柱、墻等構(gòu)件，而柱、墻等構(gòu)件除了把從上至下的荷載傳給基礎(chǔ)之外，還承擔(dān)著風(fēng)力和地震力的荷載。因而隨著建筑高度的變化，其組成方式、受力變形特性及結(jié)構(gòu)體系會(huì)有明顯的變化。框架、剪力墻及筒體是結(jié)構(gòu)中抵抗豎向及水平荷載的基本單元，由它們及其變體組成了各種結(jié)構(gòu)體系，如框架結(jié)構(gòu)體系、框架一支撐結(jié)構(gòu)體系、框架一筒體結(jié)構(gòu)體系、錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)體系等。

關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鋼框架結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào):TU391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)06(c)-0031-01

鋼柱和鋼梁一般采用H型鋼，也有把鋼柱做成鋼管混凝土柱或者是勁性柱(外包混凝土的型鋼柱)的。在多層鋼結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)形式的選擇上，主要綜合考慮它們工業(yè)化裝配、結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、建筑發(fā)揮的自由度、施工速度、建筑造價(jià)的經(jīng)濟(jì)性等幾個(gè)方面。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)而言，結(jié)構(gòu)抗側(cè)力性能是結(jié)構(gòu)整體性能的重要因素，決定著結(jié)構(gòu)的選型和用鋼量。下文主要論述目前我國(guó)主要的幾種抗側(cè)力體系。

1 鋼框架結(jié)構(gòu)體系

1.1 體系簡(jiǎn)介

1)框架體系是指沿房屋的縱向和橫向均采用框架作為承重和抵抗側(cè)力的主要構(gòu)件所形成的結(jié)構(gòu)體系。2)地震區(qū)的建筑采用框架體系時(shí)，縱、橫向框架梁與柱的連接一般采用剛性連接，某些情況下，為加大結(jié)構(gòu)的延性，或防止梁與柱連接焊縫的脆斷，也有采取半剛性連接構(gòu)造。3)框架的桿件類(lèi)型少，構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工周期短，對(duì)于層數(shù)不太多的樓房，框架體系是一種應(yīng)用較多的結(jié)構(gòu)體系。

1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論成熟，設(shè)計(jì)施工簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)各部分剛度比較均勻，自震周期較長(zhǎng)，對(duì)地震作用不敏感。節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單。但是在抗震設(shè)防烈度較高地區(qū)，其抗側(cè)剛度較小，水平位移較大。為滿足水平位移的要求，會(huì)導(dǎo)致梁、柱截面急劇增大，用鋼量明顯多于其他的結(jié)構(gòu)形式，造價(jià)太大，不適合推廣建造，從而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)指標(biāo)無(wú)法滿足市場(chǎng)推廣的要求。但對(duì)于多層住宅結(jié)構(gòu)，鋼框架體系仍然是不可或缺的基本體系之一。

2 鋼框架支撐結(jié)構(gòu)體系

2.1 體系簡(jiǎn)介

1)以樓房的框架體系為基礎(chǔ)，沿房屋的縱、橫兩個(gè)方向均布置一定數(shù)量的豎向支撐所形成的結(jié)構(gòu)體系稱(chēng)為框架一支撐體系，簡(jiǎn)稱(chēng)框一撐體系。2)在框一撐體系中，框架的布置原則、柱網(wǎng)尺寸和構(gòu)造要求基本上與框架體系相同，豎向支撐的布置在房屋的縱向、橫向等主軸方向均應(yīng)基本對(duì)稱(chēng)，支撐框架之間樓蓋的長(zhǎng)寬比不宜大于3。3)支撐框架中的框架梁與框架柱大多仍為剛性連接。支撐斜桿兩端與框架梁、柱的連接盡管在結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖中假定為鉸接，但實(shí)際構(gòu)造仍多采用剛性連接，少數(shù)工程(上海金茂大廈等)也有采用鋼銷(xiāo)連接的鉸接構(gòu)造。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)

支撐對(duì)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力貢獻(xiàn)很大，而且用鋼量也較純鋼框架少、造價(jià)經(jīng)濟(jì)。該體系改進(jìn)了框架體系抗側(cè)力能力較弱的缺點(diǎn)，但是支撐體系在施工當(dāng)中難度較大，而且由于支撐截面寬度較大，墻板與其不易配套，從而給室內(nèi)裝修帶來(lái)一定的問(wèn)題，這些都需要著重解決。

3 鋼框架－剪力墻結(jié)構(gòu)體系

3.1 體系簡(jiǎn)介

1)在框架結(jié)構(gòu)中，布置一定數(shù)量的剪力墻，使框架和剪力墻結(jié)合起來(lái)，共同抵抗水平荷載，就組成了框架－剪力墻結(jié)構(gòu)。2)按照材料不同，剪力墻可分為鋼筋混凝土剪力墻、鋼板剪力墻兩大類(lèi)。鋼筋混凝土剪力墻剛度大，地震時(shí)容易引起開(kāi)裂。鋼板剪力墻由鋼板組成、其厚度一般在8～10mm，與鋼框架組合，起到剛性構(gòu)件的作用。3)在框架－剪力墻體系中，剪力墻剛度較大，承擔(dān)大部分水平剪力(80％～90％)，整個(gè)結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度大大提高，框架主要承受豎向荷載，同時(shí)承擔(dān)少量水平荷載，因此柱的截面較小。

3.2 體系優(yōu)缺點(diǎn)

該結(jié)構(gòu)體系既有框架結(jié)構(gòu)平面布置的靈活性使用方便的特點(diǎn)，又有較大的剛度。但如果使用鋼筋混凝土剪力墻，地震時(shí)容易引起開(kāi)裂，且剪力墻的存在對(duì)門(mén)窗洞口及隔墻位置調(diào)整有影響。

4 鋼框架－核心筒結(jié)構(gòu)體系

4.1 體系簡(jiǎn)介

1)豎向構(gòu)件:①混凝土核心筒一鋼框架體系是指由鋼筋混凝土核心筒與外圈的剛接或鉸接鋼框架共同組成的混合結(jié)構(gòu)體系。②當(dāng)建筑的樓層平面采用核心式建筑布置方案，沿樓面中心部位的服務(wù)型面積周邊設(shè)置鋼筋混凝土墻體所形成的核心筒，是一個(gè)立體構(gòu)件，在各個(gè)方向都具有較大的抗推剛度。③混凝土核心筒是結(jié)構(gòu)體系中的主要或唯一的抗側(cè)力豎向構(gòu)件。當(dāng)樓面外圈為鉸接框架時(shí)，核心筒則承擔(dān)樓房的全部水平荷載。

4.2 水平構(gòu)件

①進(jìn)行樓面構(gòu)件布置時(shí)，應(yīng)恰當(dāng)安排各層樓蓋的梁、板走向，以便讓更多的樓面豎向荷載直接傳到核心筒，加大其筒壁的豎向壓應(yīng)力，以提高核心筒的受剪承載力和抵抗傾覆力矩的能力。②當(dāng)核心筒的高寬比值較大時(shí)，宜在頂層及每隔若干樓層的設(shè)備層或避難層，沿核心筒的縱、橫墻體所在平面，設(shè)置整層樓高的外伸剛性析架(剛臂)，加強(qiáng)核心筒與外圈鋼柱的連接，讓外圈鋼柱與核心筒連成一個(gè)整體抗彎構(gòu)件，以加大整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的抗推剛度和抵抗傾覆力矩的能力，減小結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)側(cè)移值和最大層間側(cè)移值。

4.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)

該體系在我國(guó)應(yīng)用極為廣泛，目前新建的高層、超高層建筑幾乎都采用了這種結(jié)構(gòu)體系，但是雖然混凝土筒體抗側(cè)力的效果較好，具有節(jié)約鋼材、降低造價(jià)，施工方便等優(yōu)點(diǎn)，但由于核心筒與鋼外框架的延性、剛度嚴(yán)重不匹配。這種結(jié)構(gòu)體系在歷史上曾有過(guò)震害破壞記錄。且混凝土筒體與鋼框架的連接較為復(fù)雜，施工進(jìn)度不匹配，施工精度要求較高，在美國(guó)和日本都不提倡。雖然住宅中衛(wèi)生間、廚房等部分可以看做是一小筒體，但是其對(duì)結(jié)構(gòu)的有利貢獻(xiàn)在結(jié)構(gòu)計(jì)算當(dāng)中建議不予考慮。該體系在多層住宅當(dāng)中的應(yīng)用還需要進(jìn)一步的研究。

5 錯(cuò)列桁架鋼結(jié)構(gòu)體系

5.1 體系簡(jiǎn)介

錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)體系是一種新型結(jié)構(gòu)體系主要適用于中、高層住宅、旅館、辦公樓等平面為矩形或由矩形組成的鋼結(jié)構(gòu)房屋，在美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家已有不少應(yīng)用，但在我國(guó)基本還是空白。錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)體系，可獲得兩倍柱距的大開(kāi)間，在建筑上便于自由布置，在結(jié)構(gòu)上便于采用小柱距和短跨樓板，使樓板厚度減小，減輕結(jié)構(gòu)自重。由于沒(méi)有樓面梁格，層高可以減小并且美觀。在頂層和第二層，用立柱或吊桿支承樓面，可使頂層或一層做成無(wú)柱或很少柱的大廳。便于頂層作餐廳或多功能廳，底層作車(chē)庫(kù)。桁架跨中節(jié)點(diǎn)間可不設(shè)斜桿，做成矩形門(mén)孔，設(shè)置走廊或連通相鄰房間。

5.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)

1)其主要優(yōu)點(diǎn):①室內(nèi)無(wú)柱，開(kāi)間大，建筑平面布置靈活;②樓板直接支承在相鄰柱列的上下弦上，不需設(shè)樓面梁格，降低層高，節(jié)約造價(jià);③柱、桁架預(yù)先在工廠制作，現(xiàn)場(chǎng)安裝方便，施工周期短。

2)其主要缺點(diǎn)在于:①桁架對(duì)住宅建筑平面設(shè)計(jì)有影響。②抗震性能待進(jìn)一步研究。

6 結(jié)構(gòu)體系綜合比較分析

根據(jù)以上對(duì)多層鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系的介紹，我們可以明確地得出各種結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)勢(shì)和弊端，在設(shè)計(jì)選擇鋼結(jié)構(gòu)住宅的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)注意不同結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短。對(duì)于多層鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的選擇不僅要按照安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理和施工方便的等原則，結(jié)合建筑功能、建筑模塊及建筑維護(hù)等要求合理選用，還要從滿足建筑的使用功能出發(fā)，節(jié)約投資考慮。