基于保障房標準戶型的鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系對比分析

陳 剛, 薛 強, 周義柏

(1 中冶南方工程技術(shù)有限公司，深圳 518028；2 西安建筑科技大學土木工程學院，西安 710055)

0 引言

為改變建筑業(yè)傳統(tǒng)粗放型的生產(chǎn)方式,實現(xiàn)向現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級,國家大力推廣鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑。但目前,我國鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用住宅占比仍很低,這是因為鋼結(jié)構(gòu)住宅目前尚具有成本較高、圍護體系功能(隔音、隔熱、防火、防腐)不成熟和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系露梁露柱三大問題,降低成本的主要途徑在于標準化設(shè)計,規(guī)模化生產(chǎn)。目前關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)住宅標準化戶型的研究不少,但大多從結(jié)構(gòu)的角度出發(fā),強調(diào)正交、少凹凸等,過于理想化。目前鋼結(jié)構(gòu)住宅應(yīng)用最多的市場領(lǐng)域是政府投資建設(shè)的保障性住房(保障房)。為推動住宅產(chǎn)業(yè)化,深圳住房和建設(shè)局于2015年發(fā)布了《深圳市保障性住房標準化設(shè)計圖集》(SJG 27-2015)[1],適用于深圳市范圍內(nèi)新建、改建的保障房。作為政府發(fā)布的文件,該標準戶型平面經(jīng)過了充分的論證,建筑功能完全符合保障房建設(shè)標準。因此本文基于該標準戶型,通過不同結(jié)構(gòu)體系計算分析比較,力求得到一個建筑功能合理,力學性能指標和經(jīng)濟指標均較優(yōu)的鋼結(jié)構(gòu)體系。本文首先簡略介紹保障房標準戶型的全壽命適應(yīng)性設(shè)計和解決露梁露柱問題的新型鋼結(jié)構(gòu)體系,然后選取兩個標準戶型單元平面進行分析比較,從而為鋼結(jié)構(gòu)高層住宅的結(jié)構(gòu)設(shè)計選型提供一些參考。

1 保障房標準化戶型的全壽命適應(yīng)性設(shè)計

全壽命適應(yīng)性是指隨著家庭人口的變化,居住者可以通過調(diào)整居住房間的數(shù)量和大小,滿足不同階段的家庭需要。要具備這種空間靈活性,需取消或減少室內(nèi)承重墻柱,可以利用鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)越的性能來實現(xiàn)大跨度空間布置。圖1和圖2是深圳市保障房的兩個標準戶型建筑單元平面,原為混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)。圖3、圖4采用鋼結(jié)構(gòu)布置方案并進行了全壽命適應(yīng)性設(shè)計,實現(xiàn)了室內(nèi)無柱,可根據(jù)需要劃分為一室一廳、兩室一廳、三室一廳,具備從夫妻二人、三人家庭到三代同堂的全壽命適應(yīng)性。

圖1 標準戶型建筑單元平面一

圖2 標準戶型建筑單元平面二

圖3 建筑單元平面一(結(jié)構(gòu)體系布置方案)

圖4 建筑單元平面二(結(jié)構(gòu)體系布置方案)

2 新型鋼結(jié)構(gòu)體系

高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)體系以框架類(框架-支撐、框架-延性墻板)為主,露梁露柱情況突出,影響居住體驗。為解決這一問題,一些科研單位開展研究,提出了一些創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)體系,可分為兩大類,一類是仍保持框架類體系,把框架柱截面扁化;另一類則采用鋼板(組合)剪力墻體系?？蚣茴惾缥靼步ㄖ萍即髮W郝際平等[2-4]提出的壁柱體系,將鋼柱截面常規(guī)為1∶2的長寬比擴展至1∶4;天津大學陳志華、周婷等[5-7]提出的組合異形柱體系,采用格構(gòu)化的多個小截面鋼管柱;王彥超、洪奇等[8-10]提出的隱式框架體系,采用扁鋼管柱。鋼板剪力墻類如付波、張鵬等[11-13]提出的鋼管束組合剪力墻體系;韓建紅、張會凱等[14-15]提出的多腔體鋼板組合剪力墻體系;袁霓緋、王新宇等[16-17]提出將鋼框架-防屈曲鋼板剪力墻體系設(shè)計應(yīng)用在政府安置房鋼結(jié)構(gòu)住宅項目。本文研究采用西安建筑科技大學的壁柱體系,柱截面長寬比最大可以擴展到1∶4。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計概況

3.1 設(shè)計資料

選取的建筑單元平面是由標準化的住宅單元戶型組合而成,分析建筑擬分別定位于武漢市和深圳市,武漢地區(qū)設(shè)計參數(shù)為:基本風壓為0.35kN/m2,地面粗糙度類別為B類,抗震設(shè)防烈度為6度,設(shè)計基本地震加速度值為0.05g,按40、70、100m三種不同建筑高度分別布置不同的結(jié)構(gòu)體系計算。深圳地區(qū)設(shè)計參數(shù)為:基本風壓為0.75kN/m2,地面粗糙度類別為C類,抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計基本地震加速度值為0.10g。其他裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計要求為:外墻采用ALC復(fù)合保溫墻板,內(nèi)墻采用輕鋼龍骨內(nèi)隔墻,樓板采用裝配式鋼筋桁架樓承板,鋼梁和支撐按《鋼結(jié)構(gòu)住宅主要構(gòu)件尺寸指南》[18]中選用住宅常用規(guī)格的型鋼截面,鋼管柱內(nèi)部填充自密實混凝土。設(shè)計計算采用的結(jié)構(gòu)體系見表1。

表1 結(jié)構(gòu)體系

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

按表1中需要計算的結(jié)構(gòu)體系對建筑單元平面分別進行結(jié)構(gòu)布置設(shè)計計算。傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)體系的鋼柱為普通矩形鋼管混凝土柱,新型鋼結(jié)構(gòu)體系的鋼柱主要為壁柱,且壁柱可以組合成L形、T形等異形截面形式。在滿足建筑功能前提下合理布置鋼支撐與延性墻板,具體布置見圖3、圖4,主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面形式及尺寸見表2。

表2 采用的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸

4 不同結(jié)構(gòu)體系的對比分析

從力學性能指標、經(jīng)濟指標(含鋼量)以及建筑功能性角度對不同高度、不同結(jié)構(gòu)類型的結(jié)構(gòu)進行分析對比,綜合評估不同建筑高度適宜采用何種結(jié)構(gòu)類型,以及傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)體系與新型鋼結(jié)構(gòu)體系的主要區(qū)別等。

4.1 周期分析

在多遇地震作用下,采用PKPM結(jié)構(gòu)計算軟件對傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)體系和新型鋼結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)模型進行計算分析,周期計算結(jié)果見表3～5。選取前三階振型進行分析,同時選取同一振型中平動和扭轉(zhuǎn)各自參與分量進行比較,以反映結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)特性。

表3 建筑高度40m時不同結(jié)構(gòu)體系的周期和平動、扭轉(zhuǎn)系數(shù)計算結(jié)果(建筑單元平面一)

表4 建筑高度70m時不同結(jié)構(gòu)體系的周期和平動、扭轉(zhuǎn)系數(shù)計算結(jié)果(建筑單元平面一)

表5 建筑高度100m時不同結(jié)構(gòu)體系的周期和平動、扭轉(zhuǎn)系數(shù)計算結(jié)果(建筑單元平面一)

對于高層建筑來說,較為理想的振型方式為:第1、2階振型為X和Y向兩個方向平動,第3階振型為扭轉(zhuǎn)。從表3～5可以看出,各種結(jié)構(gòu)體系均滿足前兩階振型以平動為主,第3階振型為扭轉(zhuǎn)的要求,且結(jié)構(gòu)兩方向的平動周期比較接近,平動周期都遠大于扭轉(zhuǎn)周期,滿足規(guī)范周期比的要求。對比不同建筑高度的計算結(jié)果(表3～5)可以得出,建筑單元平面一建筑高度40m時,普通鋼框架結(jié)構(gòu)和壁柱框架結(jié)構(gòu)的周期比普通鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)和壁柱框架-支撐結(jié)構(gòu)略大,說明普通鋼框架結(jié)構(gòu)和壁柱框架結(jié)構(gòu)的剛度比普通鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)以及壁柱框架-支撐結(jié)構(gòu)略小;建筑高度70m時,壁柱框架-延性墻板結(jié)構(gòu)周期最小,剛度最大,受力最好,壁柱框架-支撐結(jié)構(gòu)周期稍小,普通鋼框架結(jié)構(gòu)周期最小,說明隨著建筑高度增加,普通鋼框架結(jié)構(gòu)適應(yīng)性變差;建筑高度100m時,普通鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)周期比壁柱框架-延性墻板結(jié)構(gòu)大,說明支撐和延性墻板都提供了較強的抗側(cè)剛度,但比較而言延性墻板提供的更多。同時可以看出,傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)體系和新型鋼結(jié)構(gòu)體系周期大小趨勢基本相同,差別不大。建筑單元平面二在武漢地區(qū)不同結(jié)構(gòu)體系周期計算結(jié)果見表6。同樣由表6可以看出,建筑高度40m時,鋼框架結(jié)構(gòu)的周期比鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)周期略大;建筑高度70m和100m時,壁柱框架-延性墻板結(jié)構(gòu)周期最小,鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)和鋼框架結(jié)構(gòu)周期稍大,但總體差別不大,這是因為該建筑平面可供布置的支撐或延性墻板位置較少,提供的剛度略有不足。同時對比表3～5和表6得出建筑單元平面二與建筑單元平面一在武漢地區(qū)不同結(jié)構(gòu)體系計算結(jié)果具有相似性。

表6 武漢地區(qū)的周期計算結(jié)果(建筑單元平面二)/s

4.2 層間位移角分析

根據(jù)相關(guān)標準[19-20],針對住宅建筑結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)層間位移角限值宜控制在1/350以內(nèi)。不同結(jié)構(gòu)體系的層間位移角計算結(jié)果見圖5。由圖5可以看出,不同結(jié)構(gòu)體系、不同建筑高度下結(jié)構(gòu)層間位移角均滿足規(guī)范要求。

圖5 武漢地區(qū)四種不同結(jié)構(gòu)體系不同高度下的X、Y向?qū)娱g位移角(建筑單元平面一)

從圖5還可以看出,當建筑高度為40m時,壁柱框架結(jié)構(gòu)的最大層間位移角最大,壁柱框架-支撐結(jié)構(gòu)最大層間位移角最小,說明支撐提供了較強的側(cè)向剛度;壁柱框架結(jié)構(gòu)的最大層間位移角略大,主要是因為相同結(jié)構(gòu)布置下,壁柱剛度較小。建筑高度為70m時,比較不同結(jié)構(gòu)體系得出鋼框架結(jié)構(gòu)的最大層間位移角最大,壁柱框架-延性墻板結(jié)構(gòu)的最小,說明壁柱框架-延性墻板結(jié)構(gòu)的剛度最強。建筑高度100m時,鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)的最大層間位移角最大,鋼框架-延性墻板結(jié)構(gòu)的最大層間位移角最小。綜合來看,兩種框架-延性墻板結(jié)構(gòu)的層間位移角曲線接近,兩種框架-支撐結(jié)構(gòu)的層間位移角曲線也比較接近,框架-延性墻板結(jié)構(gòu)的層間位移角小于框架-支撐結(jié)構(gòu)。

4.3 經(jīng)濟指標(含鋼量)分析

對不同結(jié)構(gòu)體系的性能指標進行分析后,再對結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟指標(含鋼量)進行分析對比,以便確定在某一建筑高度范圍內(nèi)優(yōu)選何種結(jié)構(gòu)體系更加合理。含鋼量計算結(jié)果見表7。由表7可以看出,建筑高度在40m時,鋼框架結(jié)構(gòu)與壁柱框架結(jié)構(gòu),鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)與壁柱框架-支撐結(jié)構(gòu)含鋼量基本相當,鋼框架結(jié)構(gòu)比鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)的含鋼量稍大。當建筑高度在70m時,鋼框架結(jié)構(gòu)含鋼量明顯大于鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)的含鋼量,壁柱框架-支撐結(jié)構(gòu)與鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)的含鋼量基本相當,壁柱框架-延性墻板結(jié)構(gòu)含鋼量最小。當武漢地區(qū)建筑高度在100m時,鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)含鋼量比鋼框架-延性墻板結(jié)構(gòu)大,但不是很顯著;當深圳地區(qū)建筑高度在100m時,鋼框架-延性墻板結(jié)構(gòu)的含鋼量比鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)明顯減小,結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟。且從表7中可以看出,對于同類型結(jié)構(gòu)體系,新型鋼結(jié)構(gòu)體系含鋼量稍低于傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)體系,說明新型鋼結(jié)構(gòu)體系較為經(jīng)濟。

表7 不同結(jié)構(gòu)體系含鋼量(建筑平面一)

4.4 建筑功能性分析

當房屋建筑高度較低時,傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)體系的豎向構(gòu)件尺寸較小,基本不會影響到建筑房屋室內(nèi)空間。當建筑高度逐漸提高時,傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)體系豎向構(gòu)件截面尺寸逐漸增大,會出現(xiàn)露梁露柱現(xiàn)象。新型鋼結(jié)構(gòu)體系采用壁柱,則豎向構(gòu)件寬度可以隱藏在建筑墻體內(nèi)部,不會凸出墻外。鋼支撐對建筑外觀影響很大,需要進行包裹覆蓋。而延性墻板墻的布置則很靈活,不會影響建筑功能的實現(xiàn)。

5 結(jié)論

(1)對小高層的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑住宅,建議采用鋼框架結(jié)構(gòu),其側(cè)向剛度能夠滿足層間位移角的需要,而且不用顯著增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸,經(jīng)濟性較好。

(2)對高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅,可采用框架-支撐結(jié)構(gòu)或框架-延性墻板結(jié)構(gòu),支撐與延性墻板都能顯著提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度。但對于高水平力地區(qū),建議采用框架-延性墻板結(jié)構(gòu),剛度更大,結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性合理。而且延性墻板布置靈活,對建筑外觀影響小。

(3)新型鋼結(jié)構(gòu)體系與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)體系相比較,其建筑功能性明顯好于傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)體系,解決了露梁露柱現(xiàn)象,應(yīng)為優(yōu)選的結(jié)構(gòu)體系。