裝配式住宅鋼結構建筑中異型柱鋼結構體系技術初探

黃 強，薛 嵩，徐 強，馬 青，杭笑洋（上海建科建筑設計院有限公司， 上海 200032）

近年來，我國裝配式鋼結構建筑取得了較大進展。裝配式鋼結構住宅作為住宅產業化的重要形式之一，其以預制鋼構件為主的結構形式大幅提升了建筑的綜合性能，使得這一結構形式的整體性能遠優于傳統住宅結構[1]。但是，隨著越來越多的實際工程中應用裝配式鋼結構，裝配式鋼結構住宅也存在一些需要克服的問題，例如在住宅建筑中采用常規鋼結構柱存在里露柱現象，影響使用和美觀要求。在此背景下，對裝配式鋼結構梁、柱及節點的進一步研究也逐漸展開，尤其是對區別于傳統的方型截面的異型截面梁、柱的研究。但對異型鋼管混凝土結構的研究才開始，其現階段的研究僅僅局限在構件層面上，有關結構體系方面的研究仍屬空白。目前尚無針對各種結構體系進行系統對比分析。

本文主要選擇了 2 種異型柱框架體系與傳統方鋼柱框架結構進行對比分析。通過對計算結果的比較，可為以后異型柱框架結構的推廣使用積累經驗。

1 異型柱框架結構分析

1.1 結構分析模型

按 JGJ 99—2015《高層民用建筑鋼結構技術規程》要求，結構分析模型步驟如下。

（1）對異型鋼管柱鋼結構體系進行多遇地震力下的彈性分析。

（2）計算異型鋼管柱結構構件的內力和變形，采用剛性樓板假定。

（3）不考慮非承重墻體、外掛墻板等非結構構件對結構體系的有利作用。

（4）考慮二階效應的不利影響。

（5）分析時需考慮鋼框架梁的扭轉變形和彎矩，鋼框架柱的軸向、剪切、扭轉變形和彎矩，鋼支撐的扭轉變形、軸向和彎矩，消能梁段的彎曲變形和剪切變形。

1.2 結構計算參數

按 GB/T 51232—2016《裝配式鋼結構建筑技術標準》要求，計算參數選用如下。

（1）當樓面鋼筋混凝土板與鋼梁之間有可靠連接，在結構進行彈性計算時，可以考慮鋼梁和現澆混凝土板共同工作的剛度增強。

（2）高層民用建筑鋼結構在多遇地震下的阻尼比。中高層（高度 ≤ 50 m）住宅的鋼框架或鋼框架-支撐結構在多遇地震下阻尼比（ζ）取 0.04，高層（50 m ＜ 高度 ＜ 200m）住宅的鋼框架或鋼框架-支撐結構在多遇地震下阻尼比（ζ）取 0.03，在罕遇地震作用下阻尼比（ζ）均取 0.05。

（3）參照相關規程要求，本次異型鋼管柱鋼結構模型在地震作用下的結構自振周期考慮 0.9 的折減系數。

2 異形鋼框架與方鋼柱框架對比分析

2.1 高層鋼結構建筑對比

建筑地上 20 F，層高均為 3 m，總高度 60 m。抗震設防烈度為 7 度，設計基本地震加速度值為 0.15 g（g 為重力加速度），設計地震分組為第 2 組，建筑場地類別為第 4類，基本風壓為 0.5 kN/m2，地面粗糙度為 B 類。

（1）兩種結構采用的豎向構件形式如圖1～圖3所示[2]。

圖1 L 型截面鋼柱

圖2 T 型截面鋼柱

圖3 方型截面鋼柱

（2）兩種結構計算結果如表1 所示。

表1 異型鋼框架支撐和方型鋼框架支撐計算指標

上述 2 種鋼框架-支撐結構模型計算的結果相近。前 3階周期誤差在 5% 左右，扭轉周期比均 ＜ 0.9，X、Y向有效質量系數均 ＞ 90%，位移角及層間位移比誤差 ≤ 5%，基底剪重比均 ＞ 1.6%，剛重比也均滿足規范要求限值，可以不考慮重力二階效應。結構體系較為合理，計算指標趨于一致，沒有出現異常指標。

2.2 小高層鋼結構建筑對比

建筑地上 10 F，層高均為 3 m，總高 30 m。抗震設防烈度為 7 度，設計基本地震加速度值為 0.15 g，設計地震分組為第 2 組，建筑場地類別為第 4 類，基本風壓為 0.5 kN/m2，地面粗糙度為 B 類。

（1）2 種結構采用的豎向構件形式如圖4、圖5 所示。

圖4 工字加 T 型截面鋼柱

圖5 方型截面鋼柱

（2） 兩種結構計算結果如表2 所示。

表2 異型鋼框架和方型鋼框架計算指標

上述 2 種鋼框架結構模型計算的指標結果相近。前 3 階周期誤差 ≤ 5%；扭轉周期比均 ＜ 0.9，X、Y向有效質量系數均 ＞ 90%，位移角及層間位移比誤差 ≤ 5%，基底剪重比均 ＞ 1.6%，剛重比也均滿足規范要求限值，可以不考慮重力二階效應。結構體系較為合理，計算指標趨于一致，沒有出現異常指標。

3 結 語

本文主要通過對高層住宅建筑采用異型鋼管柱鋼結構與方鋼柱框架的設計進行對比，對小高層住宅建筑分別采用異型柱鋼結構和方鋼柱框架的設計進行對比，主要結論如下。

（1）2 種結構體系不論在高層住宅還是小高層住宅的計算結果都滿足規范要求，而且結果輸出數據也是相近的，異型柱框架結構替代方鋼柱框架結構是可行的。

（2）建議計算軟件增加對異型柱構件選型的快捷支持，以便設計師更方便的對此類工程進行設計。

（3）建議鋼結構設計規范中增加異型柱鋼結構體系的相關章節內容，方便設計人員使用。