小高层钢结构住宅的结构体系及其结构受力分析

2013-08-15魏宝元

山东工业技术 2013年15期

关键词：剪力偏心框架结构

魏宝元

（宁夏工业设计院有限责任公司，宁夏银川750011）

0 引言

小高层结构住宅实际上是指层数为7-11 层的中高层住宅，具有许多优点：能节约用地，户型比较优越，适宜的尺度，能够提高生活质量等。所以小高层钢结构住宅现在正在推广。

1 框架结构体系

高层建筑钢结构常用的一种形式就是纯框架结构体系，它是一种无支撑框架体系，是由柱和梁通过刚性或半刚性节点连接组成的。它的优点是：没有柱间支撑，可以采用较大的柱距从而获得较大的使用空间；灵活的布置建筑平面；结构体系简单；刚度均匀；具有良好的延性和较强的耗能能力等。把框架结构应用于多层或低层建筑而言是一种经济合理的作法，并且这种框架结构的应用也非常广泛。然而纯框架的结构体系其刚度比较小，如果建的太高的话，框架结构会因其刚度相对较小，对其施加水平荷载时，结构会产生超过限值的侧向位移。因此由于纯钢框架结构体系抗侧力刚度较小，因而建筑高度受到了限制。

由于梁与柱的连接形式不同，钢框架结构可划分为半刚接框架和刚接框架。而梁柱的连接根据钢框架结构的受力变形特征，又可划分为以下三类：

刚性连接：梁柱间无相对转动，连接能承受弯矩；

铰支连接：梁柱间有相对转动，连接不能承受弯矩；

半刚性连接：梁柱间有相对转动，连接能承受一定弯矩。

由水平力引起的框架侧移的剪切侧移分量中，直接构成框架的侧移的是由柱的弯曲变形所引起的位移；而框架节点的转动是由梁的弯曲变形引起的，而梁的弯曲变形间接的引起框架的侧移，框架在水平力作用下的总剪力侧移就是两者之和。可见，梁与柱的抗弯能力和刚度决定了框架结构的抗侧移能力，而梁、柱的抗弯能力和刚度的提高，也只能通过加大梁、柱的截面来实现。而有的情况下要使用的梁、柱截面会远大于承载力要求，其经济合理性也就无从谈起。并且随着框架梁截面的增大可能使梁的弯矩往柱上面转移，还会在节点域引起较大的剪力。弹塑性变形时，还会在节点域产生较大的不可恢复变形，引发节点提前发生塑性破坏，节点耗能的作用也无从谈起。而层间位移也会因节点域的这种不可恢复的变形大大增加，从而引发P-△效应。所以，不能只在抗震结构体系中设置很少的抗震防线，要尽量多设置，防止整个体系由于结构局部或构件破坏而丧失抗震性能。当地震作用在单一抗侧力体系的框架结构，外有P-△二阶效应，结构会发生严重破坏。整个结构的破坏会由于纯框架某个节点的破坏而引发，多次国内外震害调查也证明了这点。

2 钢结构框架-支撑结构体系

2.1 钢框架-中心支撑结构

钢框架结构抗侧刚度相对较小，因为其只能依靠梁柱受弯承受荷载。如果把框架结构应用在较高的结构中时，在水平力（风或地震）的作用下，结构的抗侧刚度难以满足设计要求，虽然加大结构梁柱截面能增大刚度，但如果一味的采取这种措施，结构的经济合理性就难以保证。在这种情况下，可在钢框架结构中布置支撑构成钢框架-中心支撑结构。

支撑是钢框架-中心支撑结构用来耗能的构件，水平地震荷载下，受压的中心支撑会失去侧向稳定性，具体缺点为：①多次压屈会大大减弱支撑斜杆的受压性能；②位于支撑两边的柱的轴向变形会引起较大的支撑内力；③反复的水平地震作用会引发冲击性作用力，并使原本受压的支撑转为受拉，最终冲击力作用于结构，引发支撑及其相邻构件等发生应力重分布；并使本层支撑框架的斜杆逐渐产生塑性压屈，迅速降低楼层的受剪承载力；④中心支撑一旦失效，使整个结构的受剪性能迅速减弱，最终造成整个结构失稳破坏。所以为保证其安全可靠，国外在限制建筑高度的同时，也增强了钢框架的抗震性能。

2.2 钢框架-偏心支撑结构

偏心支撑是近年来发展起来的一种新形结构体系，尤其在地震区的高层钢结构建筑中应用较多。在支撑框架中对支撑斜杆与梁进行偏心连接的意图是要构成耗能梁段。因此，偏心支撑框架的支撑斜杆与梁、柱的轴线不交汇于一点，而是以偏心连接，以形成一个先于支撑斜杆屈服的 “耗能梁段”，或在两根支撑斜杆的杆端之间构成 “耗能梁段”。

偏心支撑框架的刚度与中心支撑框架接近，消能梁段越短，其刚度越大。在中小地震时，结构处于弹性阶段，在强震时耗能梁段进入塑性，利用梁的塑性变形来吸收能量，而支撑始终保持为弹性。偏心支撑框架较好地解决了中心支撑所存在的强度、刚度和耗能这三种性能不匹配问题，兼有中心支撑框架强度与刚度好、纯框架耗能大的优点，抗侧移刚度大、延性好。偏心支撑相对于纯框架，支撑在每层加设，抗侧刚度会更大，并具有较好的延性，但比框架的构件截面尺寸小，成本更低。偏心支撑框架减弱地震作用比中心支撑框架更明显，并能减小结构的侧向位移和顶层位移，使楼层之间的层间相对位移的差别缩小，且让变形更加缓慢；相比较之后发现，中心支撑框架的层间位移发展无规律可寻，而且相差很大，有时顶层和底层层间位移差三倍。存在有耗能梁段的偏心支撑，能起到保护支撑的作用，发生罕遇地震时，支撑因为耗能梁段先发生剪切屈曲而受到保护，防止了因支撑失稳而造成的整体刚度大大降低，并且，延性、变形和耗能能力都很好的耗能梁段，又具有相对稳定的结构滞回环。此外，加设支撑斜杆时，其轴线和梁、柱轴线不相交，这会简化节点构造，使门窗洞口的设置更富有灵活性。所以在防止变形方面，偏心支撑框架更加有优势，并且节省钢材（比纯框架约节省20%，比中心支撑框架约节省30%）。

3 筒体体系

3.1 框筒结构

由密排柱和跨高比比较小的窗群梁连接，形成密柱深梁的框架，这种方式构成框筒结构。框筒一般布置在建筑的外围，在水平力作用下形成空间受力结构，除了腹板框架抵抗部分倾覆力矩外，翼缘框架柱承受拉、压力，可以抵抗水平荷载产生的部分倾覆力矩。框筒结构具有很大的抗侧移和抗扭刚度，又可以增大内部空间的使用灵活性，对于高层建筑，是有效的抗侧力结构体系。

框筒也可看成在实腹筒上开了很多小孔洞，但它的受力比一个实腹筒要复杂得多。框筒结构的梁主要为剪切变形，或为剪弯变形，有较大的刚度；而框筒结构的柱产生的主要是与结构整体弯曲相适应的轴向变形，也就是可视为轴力构件。由于框筒结构存在剪切变形，使得框筒柱的轴力分布与实腹筒不完全一致，而出现“剪力滞后”现象，“剪力滞后”使翼缘框架各柱受力不均匀，中部柱子的轴向应力减少，角柱轴向应力增大，腹板框架与一般平面框架相似，各柱轴力也不是直线分布。一般框筒结构的柱距越大，剪力滞后效应越大。所以，如何减少翼缘框架“剪力滞后”的影响成为设计框筒结构时的主要问题。

3.2 束筒结构

单独采用框筒为抗侧体系的高层建筑结构较少，因为框筒的剪力滞后效应的影响会减弱筒体的整体抗弯性能，从而大大降低筒体的抗侧性能。所以，把大的框筒结构划分为一些小框筒，可以很明显的减小剪力滞后效应，而结构的整体抗震性能也会因此增大，这一个个小框筒就组成看束筒。

3.3 筒中筒结构

用框筒作为外筒，将楼（电）梯间、管道竖井等服务设施集中在建筑平面的中心做成内筒，就成为了筒中筒结构。对于钢结构的筒中筒结构，外筒用框筒，内筒为一般采用钢框筒或钢支撑框架。这种框筒与实腹筒组成的筒中筒结构不仅增大了结构的抗侧刚度，还带来了协同工作的优点，成为双重抗侧力体系。实腹筒是以弯曲变形为主的，框筒以剪切型变形为主，二者通过楼板协同工作抵抗水平荷载。与框－剪结构协同工作类似，框筒与实腹筒的协同工作可使层间变形更加均匀；框筒上部、下部内力也趋于均匀；框筒以承受倾覆力矩为主，内筒则承受部分剪力，内筒下部承受的剪力很大；由于框筒布置在建筑周边，它使结构的抗扭刚度增大；此外，设置内筒减小了楼板跨度。因此，筒中筒结构时一种适用于超高层建筑的较好的体系。但是它也有缺点，密柱深梁常使建筑外形呆板，窗口小，影响采光与视野。