多層輕鋼民用建筑中的結(jié)構(gòu)體系分析

谷增鵬 高芳園

摘要：本文結(jié)合辦公室的典型布置，在對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

過去，我國鋼材年產(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。近幾年，上海、北京、長沙、大連、天津等地對多層鋼結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行了有效的嘗試，取得了一些經(jīng)驗。但是，目前的示范工程還仍很不多，經(jīng)驗還很缺乏，有關(guān)技術(shù)規(guī)程還沒有跟上，工程界對合理的多層鋼結(jié)構(gòu)體系還未達(dá)成共識。總體上看，多層鋼結(jié)構(gòu)的開發(fā)還處于啟動階段。本文在對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，因而對地震作用不敏感，抗震性能。

（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，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)面積的周圍布置，沿縱向布置的支撐和沿橫向布置的支撐相連接，形成一個支撐芯筒。

（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，又有較大的剛度，可用于40至60層的高層鋼結(jié)構(gòu)。

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用。

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，減小層間錯移，常在墻體內(nèi)布置垂直支撐，為了方便門窗開洞，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。

2.計算參數(shù)及計算軟件

本工程設(shè)計主要依據(jù)國家有關(guān)設(shè)計規(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)計規(guī)范》（GBJ11-89）、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GBJ17-88）、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GBJ10-89）、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(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，樓板及分布筋Ⅰ級，樓板混凝土標(biāo)號為C40。

3.計算工況既及說明

計算時考慮以下主要的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。在計算地震作用時，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個自振周期。

四、 計算結(jié)果及分析

1.層數(shù)對結(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，盡管豎向荷載仍對結(jié)構(gòu)設(shè)計產(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，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，其頂點位移和層間位移已經(jīng)非常大，欲滿足設(shè)計要求，僅僅靠增大柱截面已經(jīng)不經(jīng)濟(jì)了，這時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。

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，我們對各層的單位用鋼量進(jìn)行了統(tǒng)計，其中15-18層包含了支撐的用鋼量。

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，這時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，對于15-18層不加支撐也進(jìn)行了計算，此時單位用鋼量為65～68kg/m2左右，比加支撐更不經(jīng)濟(jì)。

五、結(jié)論

本文通過對各種方案的分析比較發(fā)現(xiàn)，3-6層設(shè)計由豎向荷載來控制，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)??；而對于15-18層，水平荷載作用占主導(dǎo)地位，適當(dāng)增加一些支撐，增大整個結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度，比單純靠梁柱的受彎來抵抗水平位移更為經(jīng)濟(jì)。