小高層鋼結構住宅的結構體系及其結構受力分析

魏寶元

（寧夏工業設計院有限責任公司，寧夏 銀川750011）

0 引言

小高層結構住宅實際上是指層數為7-11 層的中高層住宅，具有許多優點：能節約用地，戶型比較優越，適宜的尺度，能夠提高生活質量等。 所以小高層鋼結構住宅現在正在推廣。

1 框架結構體系

高層建筑鋼結構常用的一種形式就是純框架結構體系，它是一種無支撐框架體系，是由柱和梁通過剛性或半剛性節點連接組成的。 它的優點是：沒有柱間支撐，可以采用較大的柱距從而獲得較大的使用空間；靈活的布置建筑平面；結構體系簡單；剛度均勻；具有良好的延性和較強的耗能能力等。把框架結構應用于多層或低層建筑而言是一種經濟合理的作法，并且這種框架結構的應用也非常廣泛。 然而純框架的結構體系其剛度比較小，如果建的太高的話，框架結構會因其剛度相對較小，對其施加水平荷載時，結構會產生超過限值的側向位移。因此由于純鋼框架結構體系抗側力剛度較小，因而建筑高度受到了限制。

由于梁與柱的連接形式不同，鋼框架結構可劃分為半剛接框架和剛接框架。 而梁柱的連接根據鋼框架結構的受力變形特征，又可劃分為以下三類：

剛性連接：梁柱間無相對轉動，連接能承受彎矩；

鉸支連接：梁柱間有相對轉動，連接不能承受彎矩；

半剛性連接：梁柱間有相對轉動，連接能承受一定彎矩。

由水平力引起的框架側移的剪切側移分量中，直接構成框架的側移的是由柱的彎曲變形所引起的位移；而框架節點的轉動是由梁的彎曲變形引起的，而梁的彎曲變形間接的引起框架的側移，框架在水平力作用下的總剪力側移就是兩者之和。 可見，梁與柱的抗彎能力和剛度決定了框架結構的抗側移能力，而梁、柱的抗彎能力和剛度的提高，也只能通過加大梁、柱的截面來實現。而有的情況下要使用的梁、柱截面會遠大于承載力要求，其經濟合理性也就無從談起。 并且隨著框架梁截面的增大可能使梁的彎矩往柱上面轉移，還會在節點域引起較大的剪力。彈塑性變形時，還會在節點域產生較大的不可恢復變形，引發節點提前發生塑性破壞，節點耗能的作用也無從談起。 而層間位移也會因節點域的這種不可恢復的變形大大增加，從而引發P-△效應。 所以，不能只在抗震結構體系中設置很少的抗震防線，要盡量多設置，防止整個體系由于結構局部或構件破壞而喪失抗震性能。當地震作用在單一抗側力體系的框架結構，外有P-△二階效應，結構會發生嚴重破壞。 整個結構的破壞會由于純框架某個節點的破壞而引發，多次國內外震害調查也證明了這點。

2 鋼結構框架-支撐結構體系

2.1 鋼框架-中心支撐結構

鋼框架結構抗側剛度相對較小，因為其只能依靠梁柱受彎承受荷載。 如果把框架結構應用在較高的結構中時，在水平力（風或地震）的作用下，結構的抗側剛度難以滿足設計要求，雖然加大結構梁柱截面能增大剛度，但如果一味的采取這種措施，結構的經濟合理性就難以保證。在這種情況下，可在鋼框架結構中布置支撐構成鋼框架-中心支撐結構。

支撐是鋼框架-中心支撐結構用來耗能的構件，水平地震荷載下，受壓的中心支撐會失去側向穩定性，具體缺點為：①多次壓屈會大大減弱支撐斜桿的受壓性能；②位于支撐兩邊的柱的軸向變形會引起較大的支撐內力；③反復的水平地震作用會引發沖擊性作用力，并使原本受壓的支撐轉為受拉，最終沖擊力作用于結構，引發支撐及其相鄰構件等發生應力重分布； 并使本層支撐框架的斜桿逐漸產生塑性壓屈，迅速降低樓層的受剪承載力；④中心支撐一旦失效，使整個結構的受剪性能迅速減弱，最終造成整個結構失穩破壞。 所以為保證其安全可靠，國外在限制建筑高度的同時，也增強了鋼框架的抗震性能。

2.2 鋼框架-偏心支撐結構

偏心支撐是近年來發展起來的一種新形結構體系，尤其在地震區的高層鋼結構建筑中應用較多。在支撐框架中對支撐斜桿與梁進行偏心連接的意圖是要構成耗能梁段。 因此，偏心支撐框架的支撐斜桿與梁、柱的軸線不交匯于一點，而是以偏心連接，以形成一個先于支撐斜桿屈服的 “耗能梁段”， 或在兩根支撐斜桿的桿端之間構成 “耗能梁段”。

偏心支撐框架的剛度與中心支撐框架接近，消能梁段越短，其剛度越大。在中小地震時，結構處于彈性階段，在強震時耗能梁段進入塑性，利用梁的塑性變形來吸收能量，而支撐始終保持為彈性。偏心支撐框架較好地解決了中心支撐所存在的強度、剛度和耗能這三種性能不匹配問題，兼有中心支撐框架強度與剛度好、純框架耗能大的優點，抗側移剛度大、延性好。 偏心支撐相對于純框架，支撐在每層加設，抗側剛度會更大，并具有較好的延性，但比框架的構件截面尺寸小，成本更低。 偏心支撐框架減弱地震作用比中心支撐框架更明顯，并能減小結構的側向位移和頂層位移， 使樓層之間的層間相對位移的差別縮小，且讓變形更加緩慢；相比較之后發現，中心支撐框架的層間位移發展無規律可尋，而且相差很大，有時頂層和底層層間位移差三倍。存在有耗能梁段的偏心支撐，能起到保護支撐的作用，發生罕遇地震時，支撐因為耗能梁段先發生剪切屈曲而受到保護，防止了因支撐失穩而造成的整體剛度大大降低，并且，延性、變形和耗能能力都很好的耗能梁段，又具有相對穩定的結構滯回環。 此外，加設支撐斜桿時，其軸線和梁、柱軸線不相交，這會簡化節點構造，使門窗洞口的設置更富有靈活性。 所以在防止變形方面，偏心支撐框架更加有優勢，并且節省鋼材（比純框架約節省20%，比中心支撐框架約節省30%）。

3 筒體體系

3.1 框筒結構

由密排柱和跨高比比較小的窗群梁連接， 形成密柱深梁的框架，這種方式構成框筒結構。 框筒一般布置在建筑的外圍，在水平力作用下形成空間受力結構，除了腹板框架抵抗部分傾覆力矩外，翼緣框架柱承受拉、壓力，可以抵抗水平荷載產生的部分傾覆力矩。框筒結構具有很大的抗側移和抗扭剛度， 又可以增大內部空間的使用靈活性，對于高層建筑，是有效的抗側力結構體系。

框筒也可看成在實腹筒上開了很多小孔洞，但它的受力比一個實腹筒要復雜得多。框筒結構的梁主要為剪切變形，或為剪彎變形，有較大的剛度；而框筒結構的柱產生的主要是與結構整體彎曲相適應的軸向變形，也就是可視為軸力構件。由于框筒結構存在剪切變形，使得框筒柱的軸力分布與實腹筒不完全一致，而出現“剪力滯后”現象，“剪力滯后”使翼緣框架各柱受力不均勻，中部柱子的軸向應力減少，角柱軸向應力增大，腹板框架與一般平面框架相似，各柱軸力也不是直線分布。一般框筒結構的柱距越大，剪力滯后效應越大。 所以，如何減少翼緣框架“剪力滯后”的影響成為設計框筒結構時的主要問題。

3.2 束筒結構

單獨采用框筒為抗側體系的高層建筑結構較少，因為框筒的剪力滯后效應的影響會減弱筒體的整體抗彎性能，從而大大降低筒體的抗側性能。所以，把大的框筒結構劃分為一些小框筒，可以很明顯的減小剪力滯后效應，而結構的整體抗震性能也會因此增大，這一個個小框筒就組成看束筒。

3.3 筒中筒結構

用框筒作為外筒，將樓（電）梯間、管道豎井等服務設施集中在建筑平面的中心做成內筒，就成為了筒中筒結構。 對于鋼結構的筒中筒結構，外筒用框筒，內筒為一般采用鋼框筒或鋼支撐框架。這種框筒與實腹筒組成的筒中筒結構不僅增大了結構的抗側剛度，還帶來了協同工作的優點，成為雙重抗側力體系。實腹筒是以彎曲變形為主的，框筒以剪切型變形為主，二者通過樓板協同工作抵抗水平荷載。與框－剪結構協同工作類似， 框筒與實腹筒的協同工作可使層間變形更加均勻；框筒上部、下部內力也趨于均勻；框筒以承受傾覆力矩為主，內筒則承受部分剪力，內筒下部承受的剪力很大；由于框筒布置在建筑周邊，它使結構的抗扭剛度增大；此外，設置內筒減小了樓板跨度。 因此，筒中筒結構時一種適用于超高層建筑的較好的體系。 但是它也有缺點，密柱深梁常使建筑外形呆板，窗口小，影響采光與視野。

4 巨型結構體系

巨型結構也叫做主次框架結構，主框架為巨型框架，次框架為普通框架。 其優點為：在主體巨型結構的平面布置和沿高度布置均為規則的前提下，建筑布置和建筑空間在不同樓層可以有所變化，形成不同的建筑平面和空間。

5 結束語

總之，有地震作用時，鋼結構房屋由于鋼材的材質均勻，強度易于保證，因而結構的可靠性大；而它輕質高強的特點，使鋼結構房屋的自重比較輕，從而使結構所受的地震作用減小；其良好的延性性能，使鋼結構具有很大的變形能力，即使在很大的變形下仍不致倒塌，從而保證結構的抗震安全性。

［1］李育容.住宅鋼結構體系研究與經濟性分析[D].合肥工業大學，2004.

［2］趙霄.多層住宅全鋼結構體系的優化設計[D].太原理工大學，2004.