高層鋼結構住宅結構體系優缺點分析

丘崇鑫(美建建筑系統（中國）有限公司,

高層鋼結構住宅結構體系優缺點分析

丘崇鑫(美建建筑系統（中國）有限公司,廣州 510000）

分析了鋼框架結構體系、鋼框架—支撐結構體系、鋼結構框架——混凝土剪力墻結構體系、交錯桁架結構體系、鋼框架—核心筒體系，為鋼結構在高層住宅建筑應用提供了一定的參考。

鋼結構；住宅建筑；結構體系

進入二十一世紀以來，我國建筑業隨著經濟與科技的水漲而船高，住宅產業占國民經濟增長的相當重的比例，是我國的支柱產業。鋼結構技術與工藝的發展也加速了住宅引入了建設住宅，并以其工業化程度高、施工方便快速、自重小抗震優、外形美觀、環境污染少、投資回收快等等優點快速形成產業。近年來，建設部有關部門推出鋼結構住宅體系相關的規范與標準，各地出現了大量的鋼結構住宅試點工程，使鋼結構多理論走向實踐，客觀上促進了鋼結構住宅的健康發展。

1 鋼框架結構體系分析

鋼框架結構體系是目前被建筑使用最多、應用最廣的結構形式，通常采用剛接梁柱的節點，梁柱受彎可以很好地將水平與豎向荷載承受起來。這種體系具有結構簡單、抗震能力強、具有良好的延性、不容易產生應力 集中、制作安裝簡單、受力靈活、容易施工優點等等。但這種純框架體系要較大的梁柱截面才能抵抗得了側向力，這就注定了它應用于高層建筑經濟性較差，多見于6層以下的多層建筑，住宅建筑一般在10層以下，在地震頻發的地區最高也不能超過15層。比較有代表性的工程有瑞典首都斯德哥爾摩的朗茨克魯納單戶房屋、北京長富宮中心工程、江蘇江陰京輕鋼房屋公司實驗樓、濟南艾菲爾花園等等。

2 鋼框架—支撐結構體系分析

這種結構是建立在鋼框架結構體系的基礎之上，向房屋的橫向或者縱向布置一定數量的豎向支撐保證建筑的受力結構，在力學結構上形成新的建筑結構體系。原則上，鋼框架—支撐結構體系是采用剛性連接。當然也有假設條件，如果在非抗震區和6度設防區，對于連接就另當別論。根據工程的實際，在某些部分采用鉸接。這種結構在水平荷載的作用下，摟板形變與剛接框架的作用力全部加在支撐框架身上，從而生產了新的結構體系，這種結構體系具有雙重搞側力的特點，相對于基礎框架，具有超起性，成為了抗震的首道防線，在抗側度上比純鋼框架體系高出許多，可以適合于高層的鋼結構住宅。

支撐結構有中心支撐和偏心支撐之分，它他們區別在于柱匯交于一點時有沒有出現偏心現象。中心支撐結構具有側向剛度大、結構簡單、水平側移小、內力分布科學的特點，偏心支撐體系利用支撐中心線偏離梁柱交點，可以在中等以下的地震中保持結構處于彈性，剛度大，耗能梁段可以吸收大部分地震發出的能量，這對于保障在地震發生后受力構件不失效具有十分重要的意義，進一步說明該結構很具有延性。其缺點主要體現節點構造復雜；建筑整體的美觀比較差；在鋼支撐下只能采用砌筑形式，用輕型砌塊而不能使用墻板，對于土建方面有一定的限制；支撐還會影響門、窗的洞口布置，在建筑整體的布局顯示起到消極的阻礙作用。

3 鋼結構框架——混凝土剪力墻結構體系分析

鋼結構框架——混凝土剪力墻結構體系是在鋼框架體系的基礎上，按照整體剛度均勻的原則，通過設置部分剪力寺而將框架與混凝土全二為一，相互補充，互相促進，達到防止側向位移過大，增加結構側向剛度的目的。這種結構體系的優點在于核心筒布置成衛生間、電梯間，非常適合管道布置、防潮、隔聲；側向剛度大，可以有效保護穩定性與整體剛度；這種結構具有較好的耐火性，對于防火作用非常大，有“防火墻”之稱。其缺點在于當發生強烈地震時，剪力墻利用其剛性結構特點，能生產應力集中，破壞局部結構。為了減少混凝土剪力墻平面彎矩和鋼框架與混凝土墻軸向壓縮變形引起的附加內力，只要整體剛度能滿足規范要求，框架梁與混凝土一律采用鉸接，反之即使用剛接。

4 交錯桁架結構體系分析

交錯桁架結構體系就由美國麻省理工大學于二十世紀六十年代時期提出，并且于1986年應用于美國新澤西州大西洋城，建造出43層、100米以上的國際旅游飯店。交錯桁架結構體系不失為一種較好的鋼結構住宅結構體系，與普通鋼框架結構相比，無論在力學特性還是在建筑功能上，都具有他的優越性。其基本結構是由柱子、鋼桁、平面和樓面板組成的，柱子沿著房屋周邊布置，桁架在相信柱子上下層交錯布置，中間無柱，在相鄰的桁架下弦擱置另一端，適用于15～20層建筑住宅。

交錯桁架結構體系優點在于：（1）桁架隔層的布置，使得桁架弦桿引起的彎矩得以有效的減小，柱在框架平面內的彎矩也不大，軸力是主授力，框架柱斷面可以縮小。由于樓板可以直接與桁架的上下弦桿相連的，樓蓋體系在沒有樓面梁格的情況下顯得簡潔，而且減輕自重。交錯桁架結構采用小柱距即可以獲得非常可觀的空間。對于桁架與梁、柱的連接，為進一步簡化節點構造，使其工作量減輕，還可采用鉸接方案。 （2）交錯桁架結構體系能滿足建筑上大開間的要求，使得建筑平面自由布置更加便捷。采用短跨樓板和小柱距，可以達到減少樓板厚度，減輕結構自重的目標。（3）交錯桁架結構體系的構件都是以承受軸向力為主，充分利用結構材料強度，節約鋼村的使用，具有良好的經濟性。其缺點在于：它和中心支撐的鋼框架在地震力的作用下都難以支撐，腹桿構件容易出現非彈性變形，剛度和承載力都會突然減少。

5 鋼框架—核心筒體系分析

鋼框架—核心筒體系是以熱扎H型鋼框架與樓梯間、電梯間、衛生間等組成四周全封閉的現澆鋼筋混凝土核心筒結合組合結構，具有核心筒抗側移剛度極強、結構受力分工明確、防水性能較好等特點。造價介于鋼結構和鋼筋混凝土結構之間，比鋼框架結構側向金剛度要大，比鋼筋混凝土的施工速度要快，鋼筋混凝土結構的結構面積要小。其缺點鋼框架—核心筒體系誤差比鋼結構大，抗震性能及適當的層位位移限值還不夠科學、合理，一旦地震致混凝土核心筒裂開時，結構風度減少，加重鋼框架的剪力，抗側力體系負擔沉重。

[1]閻興華.淺析鋼結構住宅的結構體系[J].北京建筑工程學院學報，2004（02）.