多層輕鋼民用建筑中的結(jié)構(gòu)體系分析

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摘要：本文結(jié)合辦公室的典型布置，在對(duì)各種方案分析比較的基礎(chǔ)上，討論了適合多層及小高層建筑的結(jié)構(gòu)體系，給出了3至18層建筑的合理經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)體系及其相應(yīng)的單位用鋼量，為類(lèi)似的建筑物結(jié)構(gòu)體系的選擇提供了可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)體系 用鋼量 多層輕鋼

一、概述

　　過(guò)去，我國(guó)鋼材年產(chǎn)量較低，建筑行業(yè)一直限制鋼材的使用，提倡大力發(fā)展混凝土結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)，因此民用鋼結(jié)構(gòu)一直發(fā)展緩慢。80年代以后，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)房屋，以門(mén)式剛架為主，主要用于工業(yè)廠房、庫(kù)房和一些公共設(shè)施。多層輕鋼結(jié)構(gòu)采用鋼骨架和輕質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，自重輕，對(duì)地質(zhì)條件要求低。另外，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)，適合工廠化生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)安裝，濕作業(yè)少，施工占用場(chǎng)地少，速度快。與多層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，不僅造價(jià)持平甚至略低，而且綜合效益明顯。隨著我國(guó)城市對(duì)粘土磚的禁用，多層民用輕鋼結(jié)構(gòu)越來(lái)越受到工程界的青睞，正成為較有競(jìng)爭(zhēng)力的民用建筑結(jié)構(gòu)體系之一。近幾年，上海、北京、長(zhǎng)沙、大連、天津等地對(duì)多層鋼結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行了有效的嘗試，取得了一些經(jīng)驗(yàn)。但是，目前的示范工程還仍很不多，經(jīng)驗(yàn)還很缺乏，有關(guān)技術(shù)規(guī)程還沒(méi)有跟上，工程界對(duì)合理的多層鋼結(jié)構(gòu)體系還未達(dá)成共識(shí)?？傮w上看，多層鋼結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)還處于啟動(dòng)階段。本文在對(duì)已有的示范工程分析比較的基礎(chǔ)上，本著尋求受力合理、用鋼量低的原則，對(duì)多層民用建筑中的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了分析，以供參考。

二、結(jié)構(gòu)方案

1．結(jié)構(gòu)體系的選擇

　　結(jié)構(gòu)體系的選擇，不僅要從滿足建筑的使用功能出發(fā)，節(jié)約投資考慮，更主要的是取決于建筑的高度，即取決于建筑層數(shù)的多少。建筑層數(shù)越多，高度越高，則由于風(fēng)力或地震力引起的側(cè)向力就越大，建筑物必須有相應(yīng)的剛度來(lái)抵抗側(cè)向力。因此，隨著建筑層數(shù)的不斷增加，結(jié)構(gòu)體系也就需要不斷的發(fā)展。目前，多層和小高層鋼結(jié)構(gòu)建筑常用的結(jié)構(gòu)體系有以下幾種。

　　(1) 純框架結(jié)構(gòu)體系。純框架結(jié)構(gòu)體系在地震區(qū)一般不超過(guò)15層?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的平面布置靈活，可為建筑提供較大的室內(nèi)空間，且結(jié)構(gòu)各部分剛度比較均勻?？蚣芙Y(jié)構(gòu)有較大的延性，自振周期較長(zhǎng)，因而對(duì)地震作用不敏感，抗震性能好。但框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度小，由于側(cè)向位移大，易引起非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，因此不宜建的太高。

　　(2) 框支結(jié)構(gòu)體系。純框架在風(fēng)、地震荷載作用下，側(cè)移不符合要求時(shí)，可以采用帶支撐的框架，即在框架體系中，沿結(jié)構(gòu)的縱、橫兩個(gè)方向布置一定數(shù)量的支撐。在這種體系中，框架的布置原則和柱網(wǎng)尺寸，基本上與框架體系相同，支撐大多沿樓面中心部位服務(wù)面積的周?chē)贾?，沿縱向布置的支撐和沿橫向布置的支撐相連接，形成一個(gè)支撐芯筒。采用由軸向受力桿件形成的豎向支撐來(lái)取代由抗彎桿件形成的框架結(jié)構(gòu)，能獲得比純框架結(jié)構(gòu)大的多的抗側(cè)力剛度，可以明顯減小建筑物的層間位移。

　　(3) 框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系。在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻可以組成框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)以剪力墻作為抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，既具有框架結(jié)構(gòu)平面布置靈活、使用方便的特點(diǎn)，又有較大的剛度，可用于40至60層的高層鋼結(jié)構(gòu)。當(dāng)鋼筋混凝土墻沿服務(wù)性面積（如樓梯間、電梯間和衛(wèi)生間）周?chē)O(shè)置，就形成框架多筒體結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)體系在各個(gè)方向都具有較大的抗側(cè)力剛度，成為主要的抗側(cè)力構(gòu)件，承擔(dān)大部分水平荷載，鋼框架主要承受豎向荷載。

2．樓面結(jié)構(gòu)

　　多層輕鋼建筑樓板必須有足夠的剛度、強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性，同時(shí)應(yīng)盡量采用技術(shù)和構(gòu)造措施減輕樓板自重，并提高施工速度，組合樓蓋是常用的樓蓋之一。到目前為止，組合樓蓋主要有以下三種形式：(1)壓型鋼板組合樓蓋，其下表面凹凸不平，在民用建筑中需做吊頂，造價(jià)較高；(2)現(xiàn)澆整體組合樓蓋，其整體性能好，但需要支模板，施工速度慢；(3)鋼－混凝土疊合板組合樓蓋，其整體性好，還能節(jié)省支模和吊頂?shù)馁M(fèi)用。

　　在組合樓板的應(yīng)用中，為使樓層高度減到最小，提供更大的無(wú)柱空間，現(xiàn)在的趨勢(shì)是把樓板和鋼梁合為一體，形成組合扁梁樓蓋。

3．支撐和剪力墻形式

　　多層框架鋼結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向剛度較弱，隨著層數(shù)的增加，為了抵抗水平地震作用，減小層間錯(cuò)移，常在墻體內(nèi)布置垂直支撐，為了方便門(mén)窗開(kāi)洞，支撐形式可以靈活采用，如X型、單斜桿型、K型、M型、W型、V型和人型等。建議多采用偏心支撐，因其在地震作用下具有較好的延性和耗能性能。

　　剪力墻按其材料和結(jié)構(gòu)的形式可分為鋼筋混凝土剪力墻、鋼筋混凝土帶縫剪力墻和鋼板剪力墻等。鋼筋混凝土剪力墻剛度較大，地震時(shí)易發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致墻體產(chǎn)生斜向大裂縫而脆性破壞。為避免這種現(xiàn)象，可采用帶縫剪力墻。鋼板剪力墻是以鋼板做成剪力墻結(jié)構(gòu)，與鋼框架組合，起到剛性構(gòu)件的作用。

三、 工程實(shí)例分析

1．工程概述

　　分析以典型的辦公樓布置為基礎(chǔ)，平面尺寸為72m×14.4m，基本柱網(wǎng)尺寸為8.4m×7.2m，跨度為6m，柱距為7.2m，內(nèi)走廊寬2.4m,層高為3.2m，層數(shù)考慮3至18層。采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系，若不滿足側(cè)移要求，適當(dāng)加一些支撐。主梁采用焊接工形截面，柱采用焊接箱型截面。框架的橫向和縱向梁柱按剛性連接設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)采用摩擦性高強(qiáng)螺栓和焊接連接，次梁為工字型截面單跨簡(jiǎn)支梁。外墻正立面為240厚瓷磚飾面的混凝土砌塊，主要隔斷內(nèi)墻為200厚混凝土砌塊，次要內(nèi)墻為輕鋼龍骨石膏板輕質(zhì)隔墻。樓蓋采用鋼－混凝土疊合板組合樓蓋，設(shè)計(jì)主次梁時(shí)充分考慮樓蓋與鋼梁的組合作用。

2．計(jì)算參數(shù)及計(jì)算軟件

　　本工程設(shè)計(jì)主要依據(jù)國(guó)家有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程、規(guī)范，如《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GBJ9-87)、《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ11-89)、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ17-88)、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ10-89)、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ7-89)等。所有梁柱均采用Q345鋼，基礎(chǔ)和負(fù)彎距受拉鋼筋為Ⅱ級(jí)，樓板及分布筋Ⅰ級(jí)，樓板混凝土標(biāo)號(hào)為C40。

　　結(jié)構(gòu)上作用活荷載包括樓面活荷、風(fēng)荷和地震作用，橫荷載包括樓板和墻體自重，均按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GBJ9-87)取用，梁柱自重按實(shí)際重量取用；基本風(fēng)壓按北京地區(qū)0.35kN/m2取用；設(shè)計(jì)地震烈度為8度，Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地。

　　計(jì)算軟件采用通用有限元軟件ANSYS,它是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型軟件包。主要利用ANSYS軟件提供的結(jié)構(gòu)靜力分析模塊，采用三維beam4梁?jiǎn)卧蛃hell93殼單元按空間模型進(jìn)行計(jì)算載荷引起的位移和應(yīng)力，并按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》驗(yàn)算構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定性。同時(shí)采用通用結(jié)構(gòu)分析軟件SAP93進(jìn)行結(jié)構(gòu)復(fù)驗(yàn)計(jì)算分析。

3．計(jì)算工況既及說(shuō)明

　　計(jì)算時(shí)考慮以下主要的3種工況：1.2恒荷＋1.4活荷、1.2恒荷＋1.4×0.85（活荷＋風(fēng)荷）以及地震作用。在計(jì)算地震作用時(shí)，12層以下采用底部剪力法，13至18層采用振型疊加法，考慮前5個(gè)自振周期。

四、 計(jì)算結(jié)果及分析

1．層數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)體系及平面布置的影響

　　3至6層建筑物的設(shè)計(jì)是由豎向荷載控制著結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)件截面尺寸的選擇，由于其側(cè)移很容易滿足，為了節(jié)省鋼材，可以抽去靠近走廊的一排柱子，每榀剛架布置3根柱子。

　　隨著層數(shù)的增加，盡管豎向荷載仍對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生著重要影響，但水平荷載卻起著決定性的因素，控制著構(gòu)件截面的選擇。此時(shí)，為了滿足側(cè)移要求，要么保持3排柱子布置不變，增大柱子截面尺寸；要么改3排柱子為4排。兩種方案分析比較發(fā)現(xiàn)改為4排柱子更為經(jīng)濟(jì)。

當(dāng)房屋層數(shù)達(dá)到15層時(shí)，其頂點(diǎn)位移和層間位移已經(jīng)非常大，欲滿足設(shè)計(jì)要求，僅僅靠增大柱截面已經(jīng)不經(jīng)濟(jì)了，這時(shí)沿橫向和縱向在邊跨和中跨適當(dāng)?shù)牟贾靡恍┲畏炊?jié)省鋼材。

2．主要構(gòu)件的截面尺寸

　　根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，對(duì)梁和柱截面規(guī)格尺寸進(jìn)行了優(yōu)化和歸并，以節(jié)約鋼材和減少構(gòu)件種類(lèi)，3至18層的梁柱截面尺寸見(jiàn)表1。

表1 3-18層主要構(gòu)件的尺寸

結(jié)構(gòu)體系 主梁 次梁 柱 備注

3-6層 純框架 I350×200×8×6 I300×200×8×6 □350×350×10×10 三排柱布置

7-9層 純框架 I400×200×8×6 I300×200×8×6 □400×400×14×14 四排柱布置

10-14層 純框架 I400×200×8×6 I300×200×8×6 □450×450×14×14 四排柱布置

15-18層 框支 I400×200×8×6 I300×200×8×6 □480×480×14×14 四排柱布置

　　由上表可以清楚地看到，隨著層數(shù)的增多，為了滿足側(cè)移要求，柱截面增加很多，整個(gè)設(shè)計(jì)和截面的尺寸由側(cè)移控制。當(dāng)增加到15層時(shí)，還必須適當(dāng)布置一些支撐，這時(shí)結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度突然增大，地震作用也增大很多，柱的受力加大，整個(gè)設(shè)計(jì)由柱的穩(wěn)定控制。

3．3至18層的單位用鋼量

　　為了比較用鋼量與層數(shù)的關(guān)系，我們對(duì)各層的單位用鋼量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表2，其中15-18層包含了支撐的用鋼量。

表2 3-18層各層主要構(gòu)件單位用鋼量（單位：kg/m2）

3-6層 7-9層 10-14層 15-18層

柱 13.1～15.2 18.9～20.8 25.5～27.2 28.6～32.4

主梁 17.7～19.4 19.6～20.7 19.6～20.7 19.6～20.7

次梁 9.7 9.7 9.7 9.7

支撐 0 0 0 4.70

合 計(jì) 40.5～44.3 48.2～51.2 54.8～57.6 62.6～67.5

　　由上表可以看出，隨著層數(shù)的增加，用鋼量增加很多，特別是增加到了15層時(shí)，這時(shí)不僅柱的用鋼量有所增加，支撐也使用鋼量增加不少。為了便于比較，對(duì)于15-18層不加支撐也進(jìn)行了計(jì)算，此時(shí)單位用鋼量為65～68kg/m2左右，比加支撐更不經(jīng)濟(jì)。

五、結(jié)論

　　本文通過(guò)對(duì)各種方案的分析比較發(fā)現(xiàn)，3-6層設(shè)計(jì)由豎向荷載來(lái)控制，采用三排柱布置純框架比較經(jīng)濟(jì)；7-14層豎向荷載和水平荷載作用都很顯著，采用四排柱布置的純框架用鋼量較為節(jié)?。欢鴮?duì)于15-18層，水平荷載作用占主導(dǎo)地位，適當(dāng)增加一些支撐，增大整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度，比單純靠梁柱的受彎來(lái)抵抗水平位移更為經(jīng)濟(jì)。