高層鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系優(yōu)缺點(diǎn)分析

丘崇鑫(美建建筑系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司,

高層鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系優(yōu)缺點(diǎn)分析

丘崇鑫(美建建筑系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司,廣州 510000）

分析了鋼框架結(jié)構(gòu)體系、鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)體系、鋼結(jié)構(gòu)框架——混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系、交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)體系、鋼框架—核心筒體系，為鋼結(jié)構(gòu)在高層住宅建筑應(yīng)用提供了一定的參考。

鋼結(jié)構(gòu)；住宅建筑；結(jié)構(gòu)體系

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)建筑業(yè)隨著經(jīng)濟(jì)與科技的水漲而船高，住宅產(chǎn)業(yè)占國(guó)民經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的相當(dāng)重的比例，是我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)。鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)與工藝的發(fā)展也加速了住宅引入了建設(shè)住宅，并以其工業(yè)化程度高、施工方便快速、自重小抗震優(yōu)、外形美觀、環(huán)境污染少、投資回收快等等優(yōu)點(diǎn)快速形成產(chǎn)業(yè)。近年來(lái)，建設(shè)部有關(guān)部門推出鋼結(jié)構(gòu)住宅體系相關(guān)的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，各地出現(xiàn)了大量的鋼結(jié)構(gòu)住宅試點(diǎn)工程，使鋼結(jié)構(gòu)多理論走向?qū)嵺`，客觀上促進(jìn)了鋼結(jié)構(gòu)住宅的健康發(fā)展。

1 鋼框架結(jié)構(gòu)體系分析

鋼框架結(jié)構(gòu)體系是目前被建筑使用最多、應(yīng)用最廣的結(jié)構(gòu)形式，通常采用剛接梁柱的節(jié)點(diǎn)，梁柱受彎可以很好地將水平與豎向荷載承受起來(lái)。這種體系具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗震能力強(qiáng)、具有良好的延性、不容易產(chǎn)生應(yīng)力 集中、制作安裝簡(jiǎn)單、受力靈活、容易施工優(yōu)點(diǎn)等等。但這種純框架體系要較大的梁柱截面才能抵抗得了側(cè)向力，這就注定了它應(yīng)用于高層建筑經(jīng)濟(jì)性較差，多見(jiàn)于6層以下的多層建筑，住宅建筑一般在10層以下，在地震頻發(fā)的地區(qū)最高也不能超過(guò)15層。比較有代表性的工程有瑞典首都斯德哥爾摩的朗茨克魯納單戶房屋、北京長(zhǎng)富宮中心工程、江蘇江陰京輕鋼房屋公司實(shí)驗(yàn)樓、濟(jì)南艾菲爾花園等等。

2 鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)體系分析

這種結(jié)構(gòu)是建立在鋼框架結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)之上，向房屋的橫向或者縱向布置一定數(shù)量的豎向支撐保證建筑的受力結(jié)構(gòu)，在力學(xué)結(jié)構(gòu)上形成新的建筑結(jié)構(gòu)體系。原則上，鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)體系是采用剛性連接。當(dāng)然也有假設(shè)條件，如果在非抗震區(qū)和6度設(shè)防區(qū)，對(duì)于連接就另當(dāng)別論。根據(jù)工程的實(shí)際，在某些部分采用鉸接。這種結(jié)構(gòu)在水平荷載的作用下，摟板形變與剛接框架的作用力全部加在支撐框架身上，從而生產(chǎn)了新的結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)體系具有雙重搞側(cè)力的特點(diǎn)，相對(duì)于基礎(chǔ)框架，具有超起性，成為了抗震的首道防線，在抗側(cè)度上比純鋼框架體系高出許多，可以適合于高層的鋼結(jié)構(gòu)住宅。

支撐結(jié)構(gòu)有中心支撐和偏心支撐之分，它他們區(qū)別在于柱匯交于一點(diǎn)時(shí)有沒(méi)有出現(xiàn)偏心現(xiàn)象。中心支撐結(jié)構(gòu)具有側(cè)向剛度大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、水平側(cè)移小、內(nèi)力分布科學(xué)的特點(diǎn)，偏心支撐體系利用支撐中心線偏離梁柱交點(diǎn)，可以在中等以下的地震中保持結(jié)構(gòu)處于彈性，剛度大，耗能梁段可以吸收大部分地震發(fā)出的能量，這對(duì)于保障在地震發(fā)生后受力構(gòu)件不失效具有十分重要的意義，進(jìn)一步說(shuō)明該結(jié)構(gòu)很具有延性。其缺點(diǎn)主要體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜；建筑整體的美觀比較差；在鋼支撐下只能采用砌筑形式，用輕型砌塊而不能使用墻板，對(duì)于土建方面有一定的限制；支撐還會(huì)影響門、窗的洞口布置，在建筑整體的布局顯示起到消極的阻礙作用。

3 鋼結(jié)構(gòu)框架——混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系分析

鋼結(jié)構(gòu)框架——混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系是在鋼框架體系的基礎(chǔ)上，按照整體剛度均勻的原則，通過(guò)設(shè)置部分剪力寺而將框架與混凝土全二為一，相互補(bǔ)充，互相促進(jìn)，達(dá)到防止側(cè)向位移過(guò)大，增加結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的目的。這種結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)在于核心筒布置成衛(wèi)生間、電梯間，非常適合管道布置、防潮、隔聲；側(cè)向剛度大，可以有效保護(hù)穩(wěn)定性與整體剛度；這種結(jié)構(gòu)具有較好的耐火性，對(duì)于防火作用非常大，有“防火墻”之稱。其缺點(diǎn)在于當(dāng)發(fā)生強(qiáng)烈地震時(shí)，剪力墻利用其剛性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能生產(chǎn)應(yīng)力集中，破壞局部結(jié)構(gòu)。為了減少混凝土剪力墻平面彎矩和鋼框架與混凝土墻軸向壓縮變形引起的附加內(nèi)力，只要整體剛度能滿足規(guī)范要求，框架梁與混凝土一律采用鉸接，反之即使用剛接。

4 交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)體系分析

交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)體系就由美國(guó)麻省理工大學(xué)于二十世紀(jì)六十年代時(shí)期提出，并且于1986年應(yīng)用于美國(guó)新澤西州大西洋城，建造出43層、100米以上的國(guó)際旅游飯店。交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)體系不失為一種較好的鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系，與普通鋼框架結(jié)構(gòu)相比，無(wú)論在力學(xué)特性還是在建筑功能上，都具有他的優(yōu)越性。其基本結(jié)構(gòu)是由柱子、鋼桁、平面和樓面板組成的，柱子沿著房屋周邊布置，桁架在相信柱子上下層交錯(cuò)布置，中間無(wú)柱，在相鄰的桁架下弦擱置另一端，適用于15～20層建筑住宅。

交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)體系優(yōu)點(diǎn)在于：（1）桁架隔層的布置，使得桁架弦桿引起的彎矩得以有效的減小，柱在框架平面內(nèi)的彎矩也不大，軸力是主授力，框架柱斷面可以縮小。由于樓板可以直接與桁架的上下弦桿相連的，樓蓋體系在沒(méi)有樓面梁格的情況下顯得簡(jiǎn)潔，而且減輕自重。交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)采用小柱距即可以獲得非?？捎^的空間。對(duì)于桁架與梁、柱的連接，為進(jìn)一步簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，使其工作量減輕，還可采用鉸接方案。 （2）交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)體系能滿足建筑上大開(kāi)間的要求，使得建筑平面自由布置更加便捷。采用短跨樓板和小柱距，可以達(dá)到減少樓板厚度，減輕結(jié)構(gòu)自重的目標(biāo)。（3）交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)件都是以承受軸向力為主，充分利用結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度，節(jié)約鋼村的使用，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。其缺點(diǎn)在于：它和中心支撐的鋼框架在地震力的作用下都難以支撐，腹桿構(gòu)件容易出現(xiàn)非彈性變形，剛度和承載力都會(huì)突然減少。

5 鋼框架—核心筒體系分析

鋼框架—核心筒體系是以熱扎H型鋼框架與樓梯間、電梯間、衛(wèi)生間等組成四周全封閉的現(xiàn)澆鋼筋混凝土核心筒結(jié)合組合結(jié)構(gòu)，具有核心筒抗側(cè)移剛度極強(qiáng)、結(jié)構(gòu)受力分工明確、防水性能較好等特點(diǎn)。造價(jià)介于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之間，比鋼框架結(jié)構(gòu)側(cè)向金剛度要大，比鋼筋混凝土的施工速度要快，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)面積要小。其缺點(diǎn)鋼框架—核心筒體系誤差比鋼結(jié)構(gòu)大，抗震性能及適當(dāng)?shù)膶游晃灰葡拗颠€不夠科學(xué)、合理，一旦地震致混凝土核心筒裂開(kāi)時(shí)，結(jié)構(gòu)風(fēng)度減少，加重鋼框架的剪力，抗側(cè)力體系負(fù)擔(dān)沉重。

[1]閻興華.淺析鋼結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)體系[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2004（02）.