装配式住宅钢结构建筑中异型柱钢结构体系技术初探

2021-07-19杭笑洋上海建科建筑设计院有限公司上海200032

绿色建筑 2021年1期

黄强，薛嵩，徐强，马青，杭笑洋（上海建科建筑设计院有限公司，上海 200032）

近年来，我国装配式钢结构建筑取得了较大进展。装配式钢结构住宅作为住宅产业化的重要形式之一，其以预制钢构件为主的结构形式大幅提升了建筑的综合性能，使得这一结构形式的整体性能远优于传统住宅结构[1]。但是，随着越来越多的实际工程中应用装配式钢结构，装配式钢结构住宅也存在一些需要克服的问题，例如在住宅建筑中采用常规钢结构柱存在里露柱现象，影响使用和美观要求。在此背景下，对装配式钢结构梁、柱及节点的进一步研究也逐渐展开，尤其是对区别于传统的方型截面的异型截面梁、柱的研究。但对异型钢管混凝土结构的研究才开始，其现阶段的研究仅仅局限在构件层面上，有关结构体系方面的研究仍属空白。目前尚无针对各种结构体系进行系统对比分析。

本文主要选择了 2 种异型柱框架体系与传统方钢柱框架结构进行对比分析。通过对计算结果的比较，可为以后异型柱框架结构的推广使用积累经验。

1 异型柱框架结构分析

1.1 结构分析模型

按 JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》要求，结构分析模型步骤如下。

（1）对异型钢管柱钢结构体系进行多遇地震力下的弹性分析。

（2）计算异型钢管柱结构构件的内力和变形，采用刚性楼板假定。

（3）不考虑非承重墙体、外挂墙板等非结构构件对结构体系的有利作用。

（4）考虑二阶效应的不利影响。

（5）分析时需考虑钢框架梁的扭转变形和弯矩，钢框架柱的轴向、剪切、扭转变形和弯矩，钢支撑的扭转变形、轴向和弯矩，消能梁段的弯曲变形和剪切变形。

1.2 结构计算参数

按 GB/T 51232—2016《装配式钢结构建筑技术标准》要求，计算参数选用如下。

（1）当楼面钢筋混凝土板与钢梁之间有可靠连接，在结构进行弹性计算时，可以考虑钢梁和现浇混凝土板共同工作的刚度增强。

（2）高层民用建筑钢结构在多遇地震下的阻尼比。中高层（高度 ≤ 50 m）住宅的钢框架或钢框架-支撑结构在多遇地震下阻尼比（ζ）取 0.04，高层（50 m ＜高度＜ 200m）住宅的钢框架或钢框架-支撑结构在多遇地震下阻尼比（ζ）取 0.03，在罕遇地震作用下阻尼比（ζ）均取 0.05。

（3）参照相关规程要求，本次异型钢管柱钢结构模型在地震作用下的结构自振周期考虑 0.9 的折减系数。

2 异形钢框架与方钢柱框架对比分析

2.1 高层钢结构建筑对比

建筑地上 20 F，层高均为 3 m，总高度 60 m。抗震设防烈度为 7 度，设计基本地震加速度值为 0.15 g（g 为重力加速度），设计地震分组为第 2 组，建筑场地类别为第 4类，基本风压为 0.5 kN/m²，地面粗糙度为 B 类。

（1）两种结构采用的竖向构件形式如图1～图3所示[2]。

图1 L 型截面钢柱

图2 T 型截面钢柱

图3 方型截面钢柱

（2）两种结构计算结果如表1 所示。

表1 异型钢框架支撑和方型钢框架支撑计算指标

上述 2 种钢框架-支撑结构模型计算的结果相近。前 3阶周期误差在 5% 左右，扭转周期比均＜ 0.9，X、Y向有效质量系数均＞ 90%，位移角及层间位移比误差 ≤ 5%，基底剪重比均＞ 1.6%，刚重比也均满足规范要求限值，可以不考虑重力二阶效应。结构体系较为合理，计算指标趋于一致，没有出现异常指标。

2.2 小高层钢结构建筑对比

建筑地上 10 F，层高均为 3 m，总高 30 m。抗震设防烈度为 7 度，设计基本地震加速度值为 0.15 g，设计地震分组为第 2 组，建筑场地类别为第 4 类，基本风压为 0.5 kN/m²，地面粗糙度为 B 类。

（1）2 种结构采用的竖向构件形式如图4、图5 所示。

图4 工字加 T 型截面钢柱

图5 方型截面钢柱

（2）两种结构计算结果如表2 所示。

表2 异型钢框架和方型钢框架计算指标

上述 2 种钢框架结构模型计算的指标结果相近。前 3 阶周期误差 ≤ 5%；扭转周期比均＜ 0.9，X、Y向有效质量系数均＞ 90%，位移角及层间位移比误差 ≤ 5%，基底剪重比均＞ 1.6%，刚重比也均满足规范要求限值，可以不考虑重力二阶效应。结构体系较为合理，计算指标趋于一致，没有出现异常指标。