多层钢结构住宅结构设计的要点分析

吴海英,范建洲

(山西大学工程学院，山西太原030013)

钢结构建筑具备“绿色建筑”的特征，即“环保、节能、工业化”，最容易实现设计标准化、构配件生产工厂化、施工装配化、机械化、产品供应社会化、市场消费的系列化，随着钢结构建筑应用技术的发展，经济高效型钢材的研发，我国产业政策的支持，把钢结构用于住宅建筑,期待钢结构住宅建筑的兴起[1]。

作为钢结构住宅的设计者，学生毕业设计(钢结构住宅)的辅导者在设计实践中体会到了其存在和发展的优势，当然也发现了其在今后推广和应用中亟待解决的问题[1]，本文以多层钢结构住宅设计为例，介绍钢结构住宅在结构设计时的若干要点问题及相应对策。

1 结构体系的选择

侧向荷载效应对于多层钢结构住宅的影响处于突出地位，是其设计的焦点所在。依据抵抗侧向荷载作用的功效，目前，对于多层钢结构住宅来说，常用的结构体系主要有钢框架结构体系、框架-支撑结构体系等。

在多层钢结构住宅中应用最广的是框架体系，其柱距宜控制在6～9m范围内，次梁间距以3～4m为宜，该体系平面布置较灵活，刚度分布均匀，延性较大，自振周期较长，抗震性能好；但由于侧向刚度小，易引起非结构构件的破坏。

当房屋层数较多时，可用框架-支撑结构体系。该体系体系有中心支撑、偏心支撑两种。中心支撑在受压时吸收能量的能力主要取决于在反弹变形时对于局部屈曲的抗力和长细比，它的耗能能力受到支撑屈曲的影响，因此当抗侧刚度不足时，不宜采用这种中心支撑框架。偏心支撑在梁端或中部形成耗能梁端，则结构在弹性阶段呈现较好的刚度，在非弹性阶段具有很好的延性和耗能能力，从而保护建筑，主要用在强震地震区。

对于抗震设防烈度为6、7度区的多层钢结构住宅，3～5层建议采用钢框架结构体系，优先采用H型钢组成的结构体系；6～7层宜采用框架-支撑结构体系，优先采用方钢管柱+H型钢梁+XY向支撑结构体系；抗震设防烈度为8、9度区的3～7层钢结构住宅，建议采用H型钢梁+方钢管柱+XY向支撑结构体系[2]。

2 基本结构构件的类型

对于多层钢结构住宅钢构件的截面形式有：热轧H型钢截面，焊接H型钢截面、焊接箱形截面、型钢混凝土截面、钢管截面、钢管混凝土截面等。

在进行结构构件设计的时候，柱选取箱形截面或焊接工字形截面可以大大降低耗钢量，满足甲方的经济适用性要求；而梁应尽可能选取国标H型钢，从而解决局部稳定的问题，也有利于减少构件规格，避免焊接缺陷[3]。型钢混凝土结构虽然抗震性能好，但对于抗震设防烈度8度，抗震等级为二级的多层住宅结构体系，层间位移角的控制较难，致使梁柱截面的承载能力难以得到充分发挥[4]。钢管混凝土受力性能及刚度较H型钢柱为佳[5]。

3 结构计算简图

结构的计算方法和计算简图所依据的简图应相一致。在设计多层框架时，常不作框架结构整体的稳定分析，而是对组成框架的杆件柱子进行稳定计算。采用这种方法计算时，用到的是柱子的计算长度系数，该系数应通过框架结构整体稳定分析得出，才能使柱子的稳定计算等效于框架结构整体的稳定计算。

4 结构分析近似手算方法[6]

4.1 框架结构

4.1.1 竖向荷载作用下的近似计算

(1)弯矩及剪力的计算。竖向荷载作用下，可采用分层法计算框架的内力。分层法计算所得的弯矩即为其最后弯矩，而柱同时属于上下两个楼层，所以柱的弯矩为上下分层计算弯矩之和。该方法计算的结果，在框架各节点上的弯矩可能不平衡，但不平衡弯矩不致很大。如果节点不平衡弯矩较大，可对其进行再一次的分配。

(2)轴力的计算。可将各楼层竖向总荷载按楼面的面积转化为楼面均布荷载，然后近似按各柱分担的楼面荷载面积计算框架柱在竖向荷载作用下产生的轴力。柱的轴力等于柱所在楼层及以上各楼层柱分担楼面荷载面积的所有均布荷载之和。

4.1.2 水平荷载作用下的近似计算

(1)弯矩及剪力的计算可用反弯点法。

(2)轴力的计算。尽管按上述方法可同时得出框架柱在水平荷载作用下的轴力，但由于是考虑楼层剪力平衡条件得到的，忽略了楼层倾覆力矩平衡条件。因此，当结构较高时(或高宽比较大时)，其柱轴力结果有可能偏于不安全。建议按框架各楼层倾覆力矩计算水平荷载作用下框架柱的轴力。

对于由水平荷载所引起框架梁轴力，由于楼板的存在，一般可近似忽略。

4.2 框架-支撑结构

4.2.1 竖向荷载作用下的近似计算

可近似忽略支撑对竖向荷载作用下框架内力的影响，即可采用与框架结构相同的分层法，近似计算竖向荷载作用下框架-支撑结构各构件的弯矩、剪力与轴力。

4.2.2 水平荷载作用下的近似计算

(1)框架弯矩、剪力及支撑轴力的计算。

考虑整个框架-支撑结构在水平荷载作用下任一楼层的水平剪力Vi由剪力方向的各榀框架及楼层该方向的所有支撑共同承担，并按楼层侧移刚度分配，即：

式中：Kfi为剪力方向第i榀框架的楼层侧移刚度；Kbi为剪力方向第i个支撑的楼层抗侧移刚度。

图1是所考虑楼层上的某个支撑，设支撑在楼面上的投影方向与楼层剪力方向夹角为φ，则该支撑的楼层侧移刚度为：

式中：A为支撑截面面积；l为支撑长度；E为弹性模量。

图1 支撑平面与立面

图2是框架-支撑结构中的任一榀框架及所考虑的楼层段，假设梁柱的反弯点均在其长度方向的中点。

图2 一榀框架的典型楼层段

则框架楼层的侧移刚度为：

式中：Ic为所考虑楼层柱的惯性矩；Ib为所考虑楼层梁的惯性矩。

确定了框架-支撑结构体系中的某榀框架分担的楼层剪力后，即可按框架结构的近似计算方法计算该框架各构件的弯矩与剪力。

而支撑的轴力可由支撑分配的剪力Vbi按下式计算：

(2)框架轴力的计算。

首先计算与支撑相邻的框架柱的轴力，可按梁-柱-支撑共享节点的平衡条件计算。然后按框架结构同样的近似方法计算各榀框架的边柱在水平荷载作用下产生的轴力。如该榀框架有支撑，则计算框架边柱轴力时，所采用的框架楼层倾覆力矩应按水平荷载所引起的倾覆力矩减去与支撑相邻柱的轴力所抵抗的倾覆力矩后所剩余的倾覆力矩计算。

5 节点设计

节点连接的承载力应高于构件截面的承载力，并应能满足各种不同结构体系相应的强度、刚度和延性的要求。钢结构的节点设计包括：梁柱连接节点、梁梁连接节点、柱柱拼接节点、柱脚节点。

5.1 梁柱的连接

(1) 梁柱的刚性连接。一般有三种做法：①全焊接节点；②栓焊混合节点；③全螺栓节点。如图3所示。

图3 梁柱的刚性连接

以上三种连接节点，在地震时吸收能量、耗散能量的能力差别较大。图4(a)为全焊接的滞回曲线，该曲线饱满，呈稳定的纺锤形，节点刚度、延性最好；图4(b)所示的为全栓接节点的滞回曲线，呈滑动形，节点延性较差，在地震作用下，节点承载能力下降，一般只适用于非地震区多层框架。栓焊混合节点，其抗震性能与全焊接节点相差不大，在工程中普遍使用。

图4 梁柱连接的滞回曲线

图5 圆钢管混凝土柱与钢梁连接的节点

H型钢梁与圆钢管混凝土柱的刚性连接常采用柱贯通式的外加强环式节点进行连接，如图5所示。

H型钢梁与方钢管混凝土柱的刚性连接节点采用内隔板式连接：(1)带短梁内隔板式连接，方钢管内设隔板，柱外预焊短钢梁 (图6)；(2)无短梁内隔板式连接，方钢管内设隔板，钢梁的翼缘与柱钢管壁焊接，腹板与柱钢壁采用高强度螺栓摩擦型连接(图7)。

图6 带短梁内隔板式连接

图7 无短梁内隔板式连接

(2) 梁柱的铰接连接。一些比较次要的连接、在非地震区，，梁柱连接即可采取铰接方案(图8)。

(3) 梁柱的半刚性连接。其分析与设计的方法不成熟完善，目前尚无实用的设计方法，为简化计算通常假定梁柱的连接节点为完全刚接或完全铰接。

图8 梁柱的铰接连接节点

5.2 梁-梁的连接

梁-梁的连接包括：梁的拼接，主次梁的连接。

5.2.1 梁、梁拼接

梁柱刚性节点柱外悬臂梁端与中间梁段的连接如图9所示。

图9 梁梁的拼接

框梁的拼接接头应位于内力较小的位置(2倍的梁高)及框架节点塑性区段以外，但为了方便施工安装，拼接位置常设在距梁端1.0～1.6m左右的位置处,对于有抗震设计和塑性设计要求的结构，其拼接节点应按等强条件进行设计。

5.2.2主次梁连接

主次梁的连接，通常设计为铰接连接如图10所示。主梁的扭转影响通常被忽视，只考虑主次梁连接处的剪力作用；在进行螺栓或焊缝的强度计算时，应考虑由于剪力对螺栓或焊缝的偏心所产生的附加弯矩的影响。 确定性因素的影响排除在外，其决策目标函数为只追求造价(成本)最低的单目标。造成由于目标函数达不到应有的数量(这里目标函数的数量是指综合目标函数中包含的子目标函数的个数)从而降低决策结果的可信度的后果。

4 小结

结构选型所涉及的影响因素是比较多，它是一个多目标的综合决策问题。要求在确定决策的综合目标函数时，要尽可能多地考虑各种影响因素(包括确定性和非确定性的影响因素)，并反映到具体的子目标函数上来。一个综合目标函数只有充分地考虑了大多数的影响因素时，得出的综合目标函数值才有足够的根据，最终的决策才可能有足够的说服力和可信度。从而综合目标函数值最高的结构方案即为能使该高层建筑的综合经济效益达到“令人满意”的结构方案。在考虑子目标函数时由于在多个目标之间可能存在矛盾甚至可能是互斥，对一个目标来说是最优的，对另一些目标就不一定能满足的情况，就不存在对所有目标都是最优的方案。这就形成一个对目标函数数量选择的“度”的问题。

[1] 叶浩波.高层建筑结构选型影响因素分析[J]. 中国高新技术企业， 2007，(13)

[2] 喻敏波,王全凤.浅谈高层建筑结构选型[J]. 福建建筑， 2010，(5)

[3] 冯望.高层建筑结构选型的探讨[J]. 中华建设，2008，(4)

[4] 卢铭杰.浅谈房屋建筑成本控制[J]. 技术与市场，2011，(3)