钢结构住宅体系及性能研究

崔文杰

(中机十院国际工程有限公司，北京 100083)

钢结构住宅在我国是一种新兴的住宅建筑形式，具有施工简便、工期短、投资回报快、结构抗震性能好等优点，很好地符合了我国住宅产业化的发展方向，有着巨大的发展潜力。本文针对钢结构住宅框架结构的综合性能进行了初步探讨，并分析比较了几种不同结构形式的优缺点，以期对工程实际有所裨益。

1 结构性能研究

钢结构住宅可采用的结构形式包括框架结构、框支结构、框架—核心筒体系、轻钢龙骨结构以及交错桁架体系等。其中框架结构传力明确、构造简单，在多层、小高层或高层中均可采用，是最基本的结构体系。本文从多层及小高层两个方面对钢结构框架体系进行讨论，通过大量的计算数据分析了梁柱截面变化对结构侧移的影响效果，以及结构最大侧移、层高、跨距与单位耗钢量之间的变化关系。在我国，钢结构住宅的主流及以后的发展方向是多层及小高层住宅，一般都属于平面板式结构，其长、宽及高度都符合一定的范围。根据这些建筑特点，本文首先确定多层及小高层结构的长度、宽度及楼高，其中多层结构长40 m，宽12 m，楼高取22 m;而小高层的长度为48 m，宽度14.4 m，楼高36 m。在此基础上通过改变层数和长度方向的跨数来实现结构跨距、层高的变化。同时在各种跨距、层高情况下又配合有梁柱截面的变化，共有1万余种组合。整个计算分析过程采用ANSYS-APDL语言编程完成，梁、柱用单元Beam188进行模拟，可设置截面，楼板用Shell63单元模拟。计算中考虑结构自重、楼面荷载及水平方向静荷载，其中水平荷载仅考虑横向，通过在结构各单元上施加水平加速度a=0.52 m/s2来模拟实现。

1)梁柱截面对结构侧移的影响效果。

本文在各种层高、跨距情况下分别连续变化梁柱截面的大小，然后计算出结构顶点位移也即结构最大侧移量。以此来考察梁柱截面对结构侧移的影响，并分析结构层高或跨距的变化对这种影响效果带来的改变。发现在多层及小高层结构中，梁、柱截面越大，跨距越小，在大跨距情况下梁柱截面变化对结构侧移的影响较小跨距情况下更为显著;而层高在一定范围变化时这种影响效果并没有大的波动，不占主要因素(见图1)。

图1 侧移—梁柱截面曲线（层高3 m，跨距4 m）

2)侧移与单位耗钢量之间的关系。

随着梁柱截面的增大，结构侧移必然减小，同时用钢量也增大。为了研究侧移与用钢量之间的变化关系，本文绘制出多层及小高层结构的侧移—单位耗钢量曲线(见图2)。通过对各种层高、跨距情况下侧移—单位耗钢量曲线的分析比较，可得知无论是多层或小高层结构，侧移随单位耗钢量的增大而减小，当跨距较大时变化较为迅速，但当单位耗钢量达到40 kg/m2后，曲线趋于水平，此时再一味增大梁柱截面并不能有效地控制侧移。同时，层高的变化对侧移与单位耗钢量之间的关系影响不大。

图2 最大侧移—单位耗钢量曲线（多层，层高3.14 m）

3)跨距、层高与单位耗钢量的关系。

当梁柱截面偏小时，很可能引起结构的内力超限，造成构件破坏或失稳，同时也会导致结构变形过大，影响使用;而如果截面偏大的话，结构自重增加，耗钢量增大，也造成不必要的浪费。本文在各种跨距、层高情况下选取最为合理的梁柱截面，选取的原则为保证结构的各项内力均满足要求，同时控制最大层间位移角，避免截面过大，造成浪费。将这一合理的梁柱截面所对应的单位耗钢量与结构的跨距、层高联系起来，绘制出跨距—单位耗钢量曲线及层高—单位耗钢量曲线。由图3及图4可看到，单位耗钢量随跨距的增大而减小，当跨距达到5 m以后减小速度渐趋缓慢，到12 m或13 m左右时耗钢量达到最小，此后耗钢量开始随跨距的增大而上升。因此本文认为钢结构住宅建筑的跨距应控制在5 m～12 m。

图3 跨距—单位耗钢量曲线（多层）

图5为层高—单位耗钢量曲线，可看出层高越大单位耗钢量越大，当跨距较大时并不明显，而当跨距小于4 m时，变化逐渐显著起来。因此当跨距较大时，层高在一定范围内的改变对单位耗钢量不会带来大的影响。

2 算例分析

前面研究并了解了钢结构住宅框架结构的综合性能。在实际工程中特别是抗震烈度较高的地区，为控制结构在地震作用下的位移，提高抗震性能，会在框架结构的基础上设置抗侧力支撑或核心筒体等。因此，本文拟对多层及小高层钢结构住宅的框架、框支、框筒结构等进行算例分析，以比较各自的优缺点。

图4 跨距—单位耗钢量曲线（小高层）

图5 层高—单位耗钢量曲线

对于小高层钢结构住宅，本文对框架、框支、框筒三种方案进行了比较。整个计算采用PKPM系列STS+SATWE完成，考虑风荷载和地震荷载，基本风压0.35 kg/m2，抗震设防烈度8度;柱采用焊接箱形柱，梁为H型钢，支撑则用φ114×4的圆钢管。计算中楼板假定为刚性楼板，框架节点为刚接，框架梁与核心筒连接为铰接，柱脚刚接。最后的计算结果如表1所示。

表1 计算结果

从表1结果中可以看出，方案一的纯钢框架结构自重轻，周期长，地震作用小，但刚度较小，因而在水平荷载作用下的位移较大，最大层间位移角为1/378。而钢结构住宅的外墙及内隔墙普遍采用轻质材料，强度低，变形能力差，过大的结构变形很容易使其开裂。而框架—支撑结构(方案二)由于支撑的设置，横向的抗侧移刚度有了较大的提高，而用钢量只增加了1.43%，结构的自振周期从2.339 s减小到1.662 s，同时地震力增加了约50%。总的来看，框架—支撑结构仍然具有自重轻，延性好等特点，同时又保证了足够的侧向刚度。方案三的框筒结构侧向刚度很大，但同时自重增大了23.5%，且由于刚度的增加自振周期明显减小，结构承受的地震力达到前两方案的两倍左右。

总之，综合经济性、施工方便性、抗侧性能等多个方面来看，在高抗震烈度地区的小高层钢结构住宅中采用框架—支撑体系具备抗侧刚度较大，施工简便，用钢量少，经济合理等优点。相比于其他结构形式更为适宜。另外，通过对多层钢结构住宅的体系算例比较，本文认为在多层钢结构住宅中，由于建筑高度较低，纯钢框架结构在保证强度要求的同时能够提供足够的抗侧刚度，因此最为适宜。

3 结语

通过以上的分析研究，我们发现:1)钢结构住宅中，在框架结构的性能表现方面多层与小高层基本相同或相似。2)当钢结构住宅的跨距较大时，改变梁柱截面更能有效地控制侧移。3)当单位耗钢量达到40 kg/m2后，再一味增大梁柱截面并不能有效地控制侧移。4)本文认为钢结构住宅建筑的跨距应控制在5 m～12 m，此时层高在一定范围内的改变对单位耗钢量不会带来大的影响。5)在小高层钢结构住宅中采用框架—支撑体系最为适宜，而多层住宅应尽量采用框架结构。在我国，传统的住宅建筑一般都是采用小跨距、小空间的结构形式，这主要是由砖混结构、钢筋混凝土结构等的结构性能以及当时的住房条件所决定的。而参照以上结论，本文认为钢结构住宅采用大跨距、大空间的结构形式更为适宜。这样既能够充分发挥钢结构的性能优势，又能够实现室内无柱、户内无柱，很好地满足了住户对室内空间自由分配的需求。

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