装配式住宅钢结构建筑中异型柱钢结构体系技术初探

黄 强，薛 嵩，徐 强，马 青，杭笑洋（上海建科建筑设计院有限公司， 上海 200032）

近年来，我国装配式钢结构建筑取得了较大进展。装配式钢结构住宅作为住宅产业化的重要形式之一，其以预制钢构件为主的结构形式大幅提升了建筑的综合性能，使得这一结构形式的整体性能远优于传统住宅结构[1]。但是，随着越来越多的实际工程中应用装配式钢结构，装配式钢结构住宅也存在一些需要克服的问题，例如在住宅建筑中采用常规钢结构柱存在里露柱现象，影响使用和美观要求。在此背景下，对装配式钢结构梁、柱及节点的进一步研究也逐渐展开，尤其是对区别于传统的方型截面的异型截面梁、柱的研究。但对异型钢管混凝土结构的研究才开始，其现阶段的研究仅仅局限在构件层面上，有关结构体系方面的研究仍属空白。目前尚无针对各种结构体系进行系统对比分析。

本文主要选择了 2 种异型柱框架体系与传统方钢柱框架结构进行对比分析。通过对计算结果的比较，可为以后异型柱框架结构的推广使用积累经验。

1 异型柱框架结构分析

1.1 结构分析模型

按 JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》要求，结构分析模型步骤如下。

（1）对异型钢管柱钢结构体系进行多遇地震力下的弹性分析。

（2）计算异型钢管柱结构构件的内力和变形，采用刚性楼板假定。

（3）不考虑非承重墙体、外挂墙板等非结构构件对结构体系的有利作用。

（4）考虑二阶效应的不利影响。

（5）分析时需考虑钢框架梁的扭转变形和弯矩，钢框架柱的轴向、剪切、扭转变形和弯矩，钢支撑的扭转变形、轴向和弯矩，消能梁段的弯曲变形和剪切变形。

1.2 结构计算参数

按 GB/T 51232—2016《装配式钢结构建筑技术标准》要求，计算参数选用如下。

（1）当楼面钢筋混凝土板与钢梁之间有可靠连接，在结构进行弹性计算时，可以考虑钢梁和现浇混凝土板共同工作的刚度增强。

（2）高层民用建筑钢结构在多遇地震下的阻尼比。中高层（高度 ≤ 50 m）住宅的钢框架或钢框架-支撑结构在多遇地震下阻尼比（ζ）取 0.04，高层（50 m ＜ 高度 ＜ 200m）住宅的钢框架或钢框架-支撑结构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）参照相关规程要求，本次异型钢管柱钢结构模型在地震作用下的结构自振周期考虑 0.9 的折减系数。

2 异形钢框架与方钢柱框架对比分析

2.1 高层钢结构建筑对比

建筑地上 20 F，层高均为 3 m，总高度 60 m。抗震设防烈度为 7 度，设计基本地震加速度值为 0.15 g（g 为重力加速度），设计地震分组为第 2 组，建筑场地类别为第 4类，基本风压为 0.5 kN/m²，地面粗糙度为 B 类。

（1）两种结构采用的竖向构件形式如图1～图3所示[2]。

图1 L 型截面钢柱

图2 T 型截面钢柱

图3 方型截面钢柱

（2）两种结构计算结果如表1 所示。

表1 异型钢框架支撑和方型钢框架支撑计算指标

上述 2 种钢框架-支撑结构模型计算的结果相近。前 3阶周期误差在 5% 左右，扭转周期比均 ＜ 0.9，X、Y向有效质量系数均 ＞ 90%，位移角及层间位移比误差 ≤ 5%，基底剪重比均 ＞ 1.6%，刚重比也均满足规范要求限值，可以不考虑重力二阶效应。结构体系较为合理，计算指标趋于一致，没有出现异常指标。

2.2 小高层钢结构建筑对比

建筑地上 10 F，层高均为 3 m，总高 30 m。抗震设防烈度为 7 度，设计基本地震加速度值为 0.15 g，设计地震分组为第 2 组，建筑场地类别为第 4 类，基本风压为 0.5 kN/m²，地面粗糙度为 B 类。

（1）2 种结构采用的竖向构件形式如图4、图5 所示。

图4 工字加 T 型截面钢柱

图5 方型截面钢柱

（2） 两种结构计算结果如表2 所示。

表2 异型钢框架和方型钢框架计算指标

上述 2 种钢框架结构模型计算的指标结果相近。前 3 阶周期误差 ≤ 5%；扭转周期比均 ＜ 0.9，X、Y向有效质量系数均 ＞ 90%，位移角及层间位移比误差 ≤ 5%，基底剪重比均 ＞ 1.6%，刚重比也均满足规范要求限值，可以不考虑重力二阶效应。结构体系较为合理，计算指标趋于一致，没有出现异常指标。

3 结 语

本文主要通过对高层住宅建筑采用异型钢管柱钢结构与方钢柱框架的设计进行对比，对小高层住宅建筑分别采用异型柱钢结构和方钢柱框架的设计进行对比，主要结论如下。

（1）2 种结构体系不论在高层住宅还是小高层住宅的计算结果都满足规范要求，而且结果输出数据也是相近的，异型柱框架结构替代方钢柱框架结构是可行的。

（2）建议计算软件增加对异型柱构件选型的快捷支持，以便设计师更方便的对此类工程进行设计。

（3）建议钢结构设计规范中增加异型柱钢结构体系的相关章节内容，方便设计人员使用。