小高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)體系及其結(jié)構(gòu)受力分析

魏寶元

（寧夏工業(yè)設計院有限責任公司，寧夏 銀川750011）

0 引言

小高層結(jié)構(gòu)住宅實際上是指層數(shù)為7-11 層的中高層住宅，具有許多優(yōu)點：能節(jié)約用地，戶型比較優(yōu)越，適宜的尺度，能夠提高生活質(zhì)量等。 所以小高層鋼結(jié)構(gòu)住宅現(xiàn)在正在推廣。

1 框架結(jié)構(gòu)體系

高層建筑鋼結(jié)構(gòu)常用的一種形式就是純框架結(jié)構(gòu)體系，它是一種無支撐框架體系，是由柱和梁通過剛性或半剛性節(jié)點連接組成的。 它的優(yōu)點是：沒有柱間支撐，可以采用較大的柱距從而獲得較大的使用空間；靈活的布置建筑平面；結(jié)構(gòu)體系簡單；剛度均勻；具有良好的延性和較強的耗能能力等。把框架結(jié)構(gòu)應用于多層或低層建筑而言是一種經(jīng)濟合理的作法，并且這種框架結(jié)構(gòu)的應用也非常廣泛。 然而純框架的結(jié)構(gòu)體系其剛度比較小，如果建的太高的話，框架結(jié)構(gòu)會因其剛度相對較小，對其施加水平荷載時，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生超過限值的側(cè)向位移。因此由于純鋼框架結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)力剛度較小，因而建筑高度受到了限制。

由于梁與柱的連接形式不同，鋼框架結(jié)構(gòu)可劃分為半剛接框架和剛接框架。 而梁柱的連接根據(jù)鋼框架結(jié)構(gòu)的受力變形特征，又可劃分為以下三類：

剛性連接：梁柱間無相對轉(zhuǎn)動，連接能承受彎矩；

鉸支連接：梁柱間有相對轉(zhuǎn)動，連接不能承受彎矩；

半剛性連接：梁柱間有相對轉(zhuǎn)動，連接能承受一定彎矩。

由水平力引起的框架側(cè)移的剪切側(cè)移分量中，直接構(gòu)成框架的側(cè)移的是由柱的彎曲變形所引起的位移；而框架節(jié)點的轉(zhuǎn)動是由梁的彎曲變形引起的，而梁的彎曲變形間接的引起框架的側(cè)移，框架在水平力作用下的總剪力側(cè)移就是兩者之和。 可見，梁與柱的抗彎能力和剛度決定了框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移能力，而梁、柱的抗彎能力和剛度的提高，也只能通過加大梁、柱的截面來實現(xiàn)。而有的情況下要使用的梁、柱截面會遠大于承載力要求，其經(jīng)濟合理性也就無從談起。 并且隨著框架梁截面的增大可能使梁的彎矩往柱上面轉(zhuǎn)移，還會在節(jié)點域引起較大的剪力。彈塑性變形時，還會在節(jié)點域產(chǎn)生較大的不可恢復變形，引發(fā)節(jié)點提前發(fā)生塑性破壞，節(jié)點耗能的作用也無從談起。 而層間位移也會因節(jié)點域的這種不可恢復的變形大大增加，從而引發(fā)P-△效應。 所以，不能只在抗震結(jié)構(gòu)體系中設置很少的抗震防線，要盡量多設置，防止整個體系由于結(jié)構(gòu)局部或構(gòu)件破壞而喪失抗震性能。當?shù)卣鹱饔迷趩我豢箓?cè)力體系的框架結(jié)構(gòu)，外有P-△二階效應，結(jié)構(gòu)會發(fā)生嚴重破壞。 整個結(jié)構(gòu)的破壞會由于純框架某個節(jié)點的破壞而引發(fā)，多次國內(nèi)外震害調(diào)查也證明了這點。

2 鋼結(jié)構(gòu)框架-支撐結(jié)構(gòu)體系

2.1 鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)

鋼框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度相對較小，因為其只能依靠梁柱受彎承受荷載。 如果把框架結(jié)構(gòu)應用在較高的結(jié)構(gòu)中時，在水平力（風或地震）的作用下，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度難以滿足設計要求，雖然加大結(jié)構(gòu)梁柱截面能增大剛度，但如果一味的采取這種措施，結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟合理性就難以保證。在這種情況下，可在鋼框架結(jié)構(gòu)中布置支撐構(gòu)成鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)。

支撐是鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)用來耗能的構(gòu)件，水平地震荷載下，受壓的中心支撐會失去側(cè)向穩(wěn)定性，具體缺點為：①多次壓屈會大大減弱支撐斜桿的受壓性能；②位于支撐兩邊的柱的軸向變形會引起較大的支撐內(nèi)力；③反復的水平地震作用會引發(fā)沖擊性作用力，并使原本受壓的支撐轉(zhuǎn)為受拉，最終沖擊力作用于結(jié)構(gòu)，引發(fā)支撐及其相鄰構(gòu)件等發(fā)生應力重分布； 并使本層支撐框架的斜桿逐漸產(chǎn)生塑性壓屈，迅速降低樓層的受剪承載力；④中心支撐一旦失效，使整個結(jié)構(gòu)的受剪性能迅速減弱，最終造成整個結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。 所以為保證其安全可靠，國外在限制建筑高度的同時，也增強了鋼框架的抗震性能。

2.2 鋼框架-偏心支撐結(jié)構(gòu)

偏心支撐是近年來發(fā)展起來的一種新形結(jié)構(gòu)體系，尤其在地震區(qū)的高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中應用較多。在支撐框架中對支撐斜桿與梁進行偏心連接的意圖是要構(gòu)成耗能梁段。 因此，偏心支撐框架的支撐斜桿與梁、柱的軸線不交匯于一點，而是以偏心連接，以形成一個先于支撐斜桿屈服的 “耗能梁段”， 或在兩根支撐斜桿的桿端之間構(gòu)成 “耗能梁段”。

偏心支撐框架的剛度與中心支撐框架接近，消能梁段越短，其剛度越大。在中小地震時，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，在強震時耗能梁段進入塑性，利用梁的塑性變形來吸收能量，而支撐始終保持為彈性。偏心支撐框架較好地解決了中心支撐所存在的強度、剛度和耗能這三種性能不匹配問題，兼有中心支撐框架強度與剛度好、純框架耗能大的優(yōu)點，抗側(cè)移剛度大、延性好。 偏心支撐相對于純框架，支撐在每層加設，抗側(cè)剛度會更大，并具有較好的延性，但比框架的構(gòu)件截面尺寸小，成本更低。 偏心支撐框架減弱地震作用比中心支撐框架更明顯，并能減小結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移和頂層位移， 使樓層之間的層間相對位移的差別縮小，且讓變形更加緩慢；相比較之后發(fā)現(xiàn)，中心支撐框架的層間位移發(fā)展無規(guī)律可尋，而且相差很大，有時頂層和底層層間位移差三倍。存在有耗能梁段的偏心支撐，能起到保護支撐的作用，發(fā)生罕遇地震時，支撐因為耗能梁段先發(fā)生剪切屈曲而受到保護，防止了因支撐失穩(wěn)而造成的整體剛度大大降低，并且，延性、變形和耗能能力都很好的耗能梁段，又具有相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)滯回環(huán)。 此外，加設支撐斜桿時，其軸線和梁、柱軸線不相交，這會簡化節(jié)點構(gòu)造，使門窗洞口的設置更富有靈活性。 所以在防止變形方面，偏心支撐框架更加有優(yōu)勢，并且節(jié)省鋼材（比純框架約節(jié)省20%，比中心支撐框架約節(jié)省30%）。

3 筒體體系

3.1 框筒結(jié)構(gòu)

由密排柱和跨高比比較小的窗群梁連接， 形成密柱深梁的框架，這種方式構(gòu)成框筒結(jié)構(gòu)。 框筒一般布置在建筑的外圍，在水平力作用下形成空間受力結(jié)構(gòu)，除了腹板框架抵抗部分傾覆力矩外，翼緣框架柱承受拉、壓力，可以抵抗水平荷載產(chǎn)生的部分傾覆力矩。框筒結(jié)構(gòu)具有很大的抗側(cè)移和抗扭剛度， 又可以增大內(nèi)部空間的使用靈活性，對于高層建筑，是有效的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。

框筒也可看成在實腹筒上開了很多小孔洞，但它的受力比一個實腹筒要復雜得多?？蛲步Y(jié)構(gòu)的梁主要為剪切變形，或為剪彎變形，有較大的剛度；而框筒結(jié)構(gòu)的柱產(chǎn)生的主要是與結(jié)構(gòu)整體彎曲相適應的軸向變形，也就是可視為軸力構(gòu)件。由于框筒結(jié)構(gòu)存在剪切變形，使得框筒柱的軸力分布與實腹筒不完全一致，而出現(xiàn)“剪力滯后”現(xiàn)象，“剪力滯后”使翼緣框架各柱受力不均勻，中部柱子的軸向應力減少，角柱軸向應力增大，腹板框架與一般平面框架相似，各柱軸力也不是直線分布。一般框筒結(jié)構(gòu)的柱距越大，剪力滯后效應越大。 所以，如何減少翼緣框架“剪力滯后”的影響成為設計框筒結(jié)構(gòu)時的主要問題。

3.2 束筒結(jié)構(gòu)

單獨采用框筒為抗側(cè)體系的高層建筑結(jié)構(gòu)較少，因為框筒的剪力滯后效應的影響會減弱筒體的整體抗彎性能，從而大大降低筒體的抗側(cè)性能。所以，把大的框筒結(jié)構(gòu)劃分為一些小框筒，可以很明顯的減小剪力滯后效應，而結(jié)構(gòu)的整體抗震性能也會因此增大，這一個個小框筒就組成看束筒。

3.3 筒中筒結(jié)構(gòu)

用框筒作為外筒，將樓（電）梯間、管道豎井等服務設施集中在建筑平面的中心做成內(nèi)筒，就成為了筒中筒結(jié)構(gòu)。 對于鋼結(jié)構(gòu)的筒中筒結(jié)構(gòu)，外筒用框筒，內(nèi)筒為一般采用鋼框筒或鋼支撐框架。這種框筒與實腹筒組成的筒中筒結(jié)構(gòu)不僅增大了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，還帶來了協(xié)同工作的優(yōu)點，成為雙重抗側(cè)力體系。實腹筒是以彎曲變形為主的，框筒以剪切型變形為主，二者通過樓板協(xié)同工作抵抗水平荷載。與框－剪結(jié)構(gòu)協(xié)同工作類似， 框筒與實腹筒的協(xié)同工作可使層間變形更加均勻；框筒上部、下部內(nèi)力也趨于均勻；框筒以承受傾覆力矩為主，內(nèi)筒則承受部分剪力，內(nèi)筒下部承受的剪力很大；由于框筒布置在建筑周邊，它使結(jié)構(gòu)的抗扭剛度增大；此外，設置內(nèi)筒減小了樓板跨度。 因此，筒中筒結(jié)構(gòu)時一種適用于超高層建筑的較好的體系。 但是它也有缺點，密柱深梁常使建筑外形呆板，窗口小，影響采光與視野。

4 巨型結(jié)構(gòu)體系

巨型結(jié)構(gòu)也叫做主次框架結(jié)構(gòu)，主框架為巨型框架，次框架為普通框架。 其優(yōu)點為：在主體巨型結(jié)構(gòu)的平面布置和沿高度布置均為規(guī)則的前提下，建筑布置和建筑空間在不同樓層可以有所變化，形成不同的建筑平面和空間。

5 結(jié)束語

總之，有地震作用時，鋼結(jié)構(gòu)房屋由于鋼材的材質(zhì)均勻，強度易于保證，因而結(jié)構(gòu)的可靠性大；而它輕質(zhì)高強的特點，使鋼結(jié)構(gòu)房屋的自重比較輕，從而使結(jié)構(gòu)所受的地震作用減小；其良好的延性性能，使鋼結(jié)構(gòu)具有很大的變形能力，即使在很大的變形下仍不致倒塌，從而保證結(jié)構(gòu)的抗震安全性。

［1］李育容.住宅鋼結(jié)構(gòu)體系研究與經(jīng)濟性分析[D].合肥工業(yè)大學，2004.

［2］趙霄.多層住宅全鋼結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)化設計[D].太原理工大學，2004.