鋼結構高層住宅雙重體系設計運用探討

周益眾

(溫州市城市規劃設計研究院，浙江溫州 325000)

0 引言

鋼結構住宅作為一種綠色環保建筑，以其抗震性能優越、強度高、自重輕、施工速度快以及工業化程度高等特點符合住宅產業化發展戰略的要求。隨著國家政策要求加快住宅產業化進程，近十年來，全國各地新建了一批鋼結構住宅示范工程，其中以鋼框架—鋼筋混凝土結構住宅居多，如北京金宸公寓(13層/8度)、山東櫻花園小區(12層/7度)、天津麗苑小區(12層/7度)、上海中福城(17層/7度)、馬鞍山光明新村(17層/6度)、浙江泰和花園(17層/6度)、濟南百花小區(26層/6度)以及杭州市金都城市芯宇(29層/6度)等。推廣鋼結構住宅體系已迫在眉睫。

1 雙重體系結構構成

雙重體系結構是由外圍的鋼結構以鋼梁、鋼柱為骨架與鋼筋混凝土核心筒或墻體共同組成。它具有鋼材強度高、混凝土抗壓強度高、施工快和防火性能好的特性。

1)柱子形式。

a.圓鋼管混凝土;b.方鋼管混凝土;c.H型鋼;d.鋼骨混凝土。

2)外墻體材料。

a.GRC夾心復合板;b.輕質加氣混凝土板材;c.鋼絲網水泥夾心板，等等。

內墻體材料:a.加氣混凝土砌塊;b.纖維石膏板;c.紙面稻草板，等等。

3)樓板體系。

a.壓型鋼板混凝土組合樓板;b.預制混凝土疊合板;c.現澆鋼筋混凝土樓板。

4)鋼梁通常采用H形截面或箱形截面。

2 雙重體系結構設計

1)平面布置，適合于基本規正、凹凸變化少的建筑平面，不適宜軸線錯開較多、形心和質心距離較大的建筑平面。

2)結構布置和結構選型，重點要考慮抗側力結構的合理設置，通常把樓梯間、電梯間墻體設計為鋼筋混凝土抗側力結構。柱網平面分割，結合梁的位置、截面高度、鋼橫梁隱藏的方式來決定，通常用住宅外墻的間距來確定外部支柱，外圍柱子應盡可能地采用小開間。在鋼梁結構布置時，一般應將主軸設置在鋼框架平面內。

3)對于構件斷面形式，可以選擇鋼管或H型鋼截面等，一般情況下是根據軸向壓力、雙向受彎或單向受彎的不同來進行選擇的。鋼柱可以采用鋼管混凝土柱，承載力較高且用鋼量較省，圓鋼管混凝土柱受力性能好、柱子截面尺寸小，方鋼管柱節點構造較簡單且合理。H型鋼柱弱軸方向剛度較差，當外包鋼筋混凝土形成鋼骨混凝土柱時，受力性能較好。鋼梁目前常用為H型鋼。

4)預估構件截面尺寸，圓鋼管混凝土柱一般控制長細比，方鋼管混凝土柱一般控制軸壓比，滿足必要的延性要求。H型鋼柱若要滿足強柱弱梁，柱子尺寸要增大許多，可采用鋼骨混凝土柱，控制軸壓比。板件厚度按規范中局部穩定的構造規定預估。

5)結構模型計算，按線彈性分析，條件允許時考慮P—Δ和p—δ效應。目前ANSYS，SAP2000，3D3S等有限元軟件可以部分考慮幾何非線性及鋼材彈塑性能。

6)結構安全判定，對計算結果如各項周期、總剪力、變形特征等進行有效分析與調整。

3 雙重體系結構節點連接方式

節點構造設計必須與結構模型計算相符合，無論是要求傳遞還是不傳遞彎矩的節點連接，都應分別賦予它足夠的剛度和柔度。

1)柱腳節點連接方式采用剛接，樓面梁與混凝土剪力墻(核心筒)采用鉸接。

2)鋼柱為貫通型，框架梁的上下翼緣處在鋼柱內設置橫向加勁肋形成貫通式節點。在剪力墻端部或核心筒拐角處用小鋼柱加強，便于安裝。

3)樓板與鋼梁的連接節點，為保證樓板與鋼梁的共同作用，鋼梁翼緣必須設置必要的栓釘，以傳遞水平力。

4)填充墻與鋼梁、鋼柱的連接節點，當用砌塊外包柱子或用條形掛板外掛，可通過鋼梁與板構件上的預埋件焊接解決，同時加強拉接結構措施。

4 雙重體系結構抗震要求與整體穩定性分析

1)結構倒塌機制。

隨著混凝土核心筒嚴重破壞，結構層位移曲線由彎剪型發展為剪切型，破壞順序是混凝土連梁—核心筒—鋼框架[1]。核心筒的破壞首先是Y方向墻體拉壓開裂，形成水平裂縫;然后X方向墻體受剪開裂，形成斜裂縫。外圍鋼框架主要破壞是從底層柱部分屈服，大部分梁的梁端屈服。

2)控制風荷載和地震荷載作用下的水平位移。

混凝土承受的水平力和位移控制指標可以參照鋼筋混凝土結構，鋼框架部分承擔的地震力應大于結構最大剪力的1.8倍和底部剪力的20%，通常取二者的較小值，并檢驗鋼框架作為抗震二道防線是否滿足要求。

3)保證鋼梁整體穩定性。

H型鋼梁側向剛度較差，當梁的自由長度(側向無支承長度)較大和受壓翼緣寬度較小時，會產生較大的側向位移和扭轉變形，而使梁喪失整體穩定的臨界荷載常小于強度破壞的荷載，故需進行梁截面抗彎強度計算和整體穩定性驗算。可以在梁跨中設置側向支承和加大受壓翼緣板的寬度來增加整體穩定性，同時在鋼梁支座處采取構造措施，使該處截面不能產生側向位移和繞梁軸的轉動。

4)必須符合強柱弱梁及強連接弱構件的要求。

增大柱端彎矩設計值或者加強抗震構造措施，保證在彈性階段時節點抗彎能力大于梁抗彎能力，防止在梁尚未出現塑性鉸之前節點過早的發生脆性破壞;在彈塑性階段時控制塑性鉸不出現在連接節點區或鋼柱上，而在鋼梁上形成塑性鉸，以達到耗散地震能量的目的。

5 雙重體系結構防火

鋼結構不耐火，超過一定溫度后強度急劇下降出現塑性變形，最終會使整體結構失去靜態平衡穩定而發生倒塌。鋼框架—鋼筋混凝土結構是一種混合結構，較其他鋼結構在防火性能上有一定的優勢。

1)鋼管混凝土柱的耐火性比H型鋼柱顯著。鋼管直徑越大，耐火時間越長。住宅的抗側力構件采用鋼筋混凝土剪力墻或核心筒體系，也具有優良的耐火性能。

2)樓板目前仍以混凝土為主體材料，同樣具有良好的耐火性能。

3)H型鋼梁防火保護通常結合住宅的裝修要求，采用防火板包覆。

4)樓梯是重要的疏散通道，采用鋼筋混凝土結構能較好滿足防火、安全要求。

6 雙重體系結構經濟性

從目前已施工的案例比較，工程造價略高于鋼筋混凝土—剪力墻(核心筒)結構約10%，但綜合經濟指標較好[3]。同時還具備土建造價低、施工工期減少、能有效利用面積增加、節能費用降低以及銀行貸款利息減少等，性價比較高。

7 結語

鋼框架—鋼筋混凝土結構雙重體系屬于混合結構，雖然全國各地住宅已逐漸開始運用，但目前對它的抗震性能研究還不夠，在防火、梁柱節點做法、配套墻體材料、經濟性及市場可接受程度上尚有許多不完善之處。鋼結構住宅是環保住宅，符合可持續發展概念，應加快對鋼結構體系的研究，促進住宅現代化。

[1] 劉 星.鋼框架—鋼筋混凝土核心筒結構在強震作用下的性能分析[J].鋼結構，2010(3):27-28.

[2] 王衛東.輕鋼結構住宅防火技術和構造處理[A].全國輕型鋼結構技術研討會論文集[C].2007.

[3] 熊 軍.高層鋼結構住宅的經濟性分析[J].安徽建筑，2010(1):51-53.