基于保障房标准户型的钢结构住宅结构体系对比分析

2024-04-19周义柏

建筑结构 2024年7期

陈刚, 薛强, 周义柏

(1 中冶南方工程技术有限公司，深圳 518028；2 西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055)

0 引言

为改变建筑业传统粗放型的生产方式,实现向现代化产业的转型升级,国家大力推广钢结构装配式建筑。但目前,我国钢结构应用住宅占比仍很低,这是因为钢结构住宅目前尚具有成本较高、围护体系功能(隔音、隔热、防火、防腐)不成熟和传统结构体系露梁露柱三大问题,降低成本的主要途径在于标准化设计,规模化生产。目前关于钢结构住宅标准化户型的研究不少,但大多从结构的角度出发,强调正交、少凹凸等,过于理想化。目前钢结构住宅应用最多的市场领域是政府投资建设的保障性住房(保障房)。为推动住宅产业化,深圳住房和建设局于2015年发布了《深圳市保障性住房标准化设计图集》(SJG 27-2015)[1],适用于深圳市范围内新建、改建的保障房。作为政府发布的文件,该标准户型平面经过了充分的论证,建筑功能完全符合保障房建设标准。因此本文基于该标准户型,通过不同结构体系计算分析比较,力求得到一个建筑功能合理,力学性能指标和经济指标均较优的钢结构体系。本文首先简略介绍保障房标准户型的全寿命适应性设计和解决露梁露柱问题的新型钢结构体系,然后选取两个标准户型单元平面进行分析比较,从而为钢结构高层住宅的结构设计选型提供一些参考。

1 保障房标准化户型的全寿命适应性设计

全寿命适应性是指随着家庭人口的变化,居住者可以通过调整居住房间的数量和大小,满足不同阶段的家庭需要。要具备这种空间灵活性,需取消或减少室内承重墙柱,可以利用钢结构优越的性能来实现大跨度空间布置。图1和图2是深圳市保障房的两个标准户型建筑单元平面,原为混凝土剪力墙结构。图3、图4采用钢结构布置方案并进行了全寿命适应性设计,实现了室内无柱,可根据需要划分为一室一厅、两室一厅、三室一厅,具备从夫妻二人、三人家庭到三代同堂的全寿命适应性。

图1 标准户型建筑单元平面一

图2 标准户型建筑单元平面二

图3 建筑单元平面一(结构体系布置方案)

图4 建筑单元平面二(结构体系布置方案)

2 新型钢结构体系

高层钢结构建筑的结构体系以框架类(框架-支撑、框架-延性墙板)为主,露梁露柱情况突出,影响居住体验。为解决这一问题,一些科研单位开展研究,提出了一些创新的结构体系,可分为两大类,一类是仍保持框架类体系,把框架柱截面扁化;另一类则采用钢板(组合)剪力墙体系。框架类如西安建筑科技大学郝际平等[2-4]提出的壁柱体系,将钢柱截面常规为1∶2的长宽比扩展至1∶4;天津大学陈志华、周婷等[5-7]提出的组合异形柱体系,采用格构化的多个小截面钢管柱;王彦超、洪奇等[8-10]提出的隐式框架体系,采用扁钢管柱。钢板剪力墙类如付波、张鹏等[11-13]提出的钢管束组合剪力墙体系;韩建红、张会凯等[14-15]提出的多腔体钢板组合剪力墙体系;袁霓绯、王新宇等[16-17]提出将钢框架-防屈曲钢板剪力墙体系设计应用在政府安置房钢结构住宅项目。本文研究采用西安建筑科技大学的壁柱体系,柱截面长宽比最大可以扩展到1∶4。

3 结构设计概况

3.1 设计资料

选取的建筑单元平面是由标准化的住宅单元户型组合而成,分析建筑拟分别定位于武汉市和深圳市,武汉地区设计参数为:基本风压为0.35kN/m2,地面粗糙度类别为B类,抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度值为0.05g,按40、70、100m三种不同建筑高度分别布置不同的结构体系计算。深圳地区设计参数为:基本风压为0.75kN/m2,地面粗糙度类别为C类,抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10g。其他装配式钢结构建筑的设计要求为:外墙采用ALC复合保温墙板,内墙采用轻钢龙骨内隔墙,楼板采用装配式钢筋桁架楼承板,钢梁和支撑按《钢结构住宅主要构件尺寸指南》[18]中选用住宅常用规格的型钢截面,钢管柱内部填充自密实混凝土。设计计算采用的结构体系见表1。

表1 结构体系

3.2 结构设计方案

按表1中需要计算的结构体系对建筑单元平面分别进行结构布置设计计算。传统钢结构体系的钢柱为普通矩形钢管混凝土柱,新型钢结构体系的钢柱主要为壁柱,且壁柱可以组合成L形、T形等异形截面形式。在满足建筑功能前提下合理布置钢支撑与延性墙板,具体布置见图3、图4,主要结构构件截面形式及尺寸见表2。

表2 采用的主要结构构件截面尺寸

4 不同结构体系的对比分析

从力学性能指标、经济指标(含钢量)以及建筑功能性角度对不同高度、不同结构类型的结构进行分析对比,综合评估不同建筑高度适宜采用何种结构类型,以及传统钢结构体系与新型钢结构体系的主要区别等。

4.1 周期分析

在多遇地震作用下,采用PKPM结构计算软件对传统钢结构体系和新型钢结构体系的结构模型进行计算分析,周期计算结果见表3～5。选取前三阶振型进行分析,同时选取同一振型中平动和扭转各自参与分量进行比较,以反映结构的扭转特性。

表3 建筑高度40m时不同结构体系的周期和平动、扭转系数计算结果(建筑单元平面一)

表4 建筑高度70m时不同结构体系的周期和平动、扭转系数计算结果(建筑单元平面一)

表5 建筑高度100m时不同结构体系的周期和平动、扭转系数计算结果(建筑单元平面一)

对于高层建筑来说,较为理想的振型方式为:第1、2阶振型为X和Y向两个方向平动,第3阶振型为扭转。从表3～5可以看出,各种结构体系均满足前两阶振型以平动为主,第3阶振型为扭转的要求,且结构两方向的平动周期比较接近,平动周期都远大于扭转周期,满足规范周期比的要求。对比不同建筑高度的计算结果(表3～5)可以得出,建筑单元平面一建筑高度40m时,普通钢框架结构和壁柱框架结构的周期比普通钢框架-支撑结构和壁柱框架-支撑结构略大,说明普通钢框架结构和壁柱框架结构的刚度比普通钢框架-支撑结构以及壁柱框架-支撑结构略小;建筑高度70m时,壁柱框架-延性墙板结构周期最小,刚度最大,受力最好,壁柱框架-支撑结构周期稍小,普通钢框架结构周期最小,说明随着建筑高度增加,普通钢框架结构适应性变差;建筑高度100m时,普通钢框架-支撑结构周期比壁柱框架-延性墙板结构大,说明支撑和延性墙板都提供了较强的抗侧刚度,但比较而言延性墙板提供的更多。同时可以看出,传统钢结构体系和新型钢结构体系周期大小趋势基本相同,差别不大。建筑单元平面二在武汉地区不同结构体系周期计算结果见表6。同样由表6可以看出,建筑高度40m时,钢框架结构的周期比钢框架-支撑结构周期略大;建筑高度70m和100m时,壁柱框架-延性墙板结构周期最小,钢框架-支撑结构和钢框架结构周期稍大,但总体差别不大,这是因为该建筑平面可供布置的支撑或延性墙板位置较少,提供的刚度略有不足。同时对比表3～5和表6得出建筑单元平面二与建筑单元平面一在武汉地区不同结构体系计算结果具有相似性。

表6 武汉地区的周期计算结果(建筑单元平面二)/s

4.2 层间位移角分析

根据相关标准[19-20],针对住宅建筑结构,结构层间位移角限值宜控制在1/350以内。不同结构体系的层间位移角计算结果见图5。由图5可以看出,不同结构体系、不同建筑高度下结构层间位移角均满足规范要求。

图5 武汉地区四种不同结构体系不同高度下的X、Y向层间位移角(建筑单元平面一)

从图5还可以看出,当建筑高度为40m时,壁柱框架结构的最大层间位移角最大,壁柱框架-支撑结构最大层间位移角最小,说明支撑提供了较强的侧向刚度;壁柱框架结构的最大层间位移角略大,主要是因为相同结构布置下,壁柱刚度较小。建筑高度为70m时,比较不同结构体系得出钢框架结构的最大层间位移角最大,壁柱框架-延性墙板结构的最小,说明壁柱框架-延性墙板结构的刚度最强。建筑高度100m时,钢框架-支撑结构的最大层间位移角最大,钢框架-延性墙板结构的最大层间位移角最小。综合来看,两种框架-延性墙板结构的层间位移角曲线接近,两种框架-支撑结构的层间位移角曲线也比较接近,框架-延性墙板结构的层间位移角小于框架-支撑结构。

4.3 经济指标(含钢量)分析

对不同结构体系的性能指标进行分析后,再对结构的经济指标(含钢量)进行分析对比,以便确定在某一建筑高度范围内优选何种结构体系更加合理。含钢量计算结果见表7。由表7可以看出,建筑高度在40m时,钢框架结构与壁柱框架结构,钢框架-支撑结构与壁柱框架-支撑结构含钢量基本相当,钢框架结构比钢框架-支撑结构的含钢量稍大。当建筑高度在70m时,钢框架结构含钢量明显大于钢框架-支撑结构的含钢量,壁柱框架-支撑结构与钢框架-支撑结构的含钢量基本相当,壁柱框架-延性墙板结构含钢量最小。当武汉地区建筑高度在100m时,钢框架-支撑结构含钢量比钢框架-延性墙板结构大,但不是很显著;当深圳地区建筑高度在100m时,钢框架-延性墙板结构的含钢量比钢框架-支撑结构明显减小,结构更经济。且从表7中可以看出,对于同类型结构体系,新型钢结构体系含钢量稍低于传统钢结构体系,说明新型钢结构体系较为经济。

表7 不同结构体系含钢量(建筑平面一)

4.4 建筑功能性分析

当房屋建筑高度较低时,传统钢结构体系的竖向构件尺寸较小,基本不会影响到建筑房屋室内空间。当建筑高度逐渐提高时,传统钢结构体系竖向构件截面尺寸逐渐增大,会出现露梁露柱现象。新型钢结构体系采用壁柱,则竖向构件宽度可以隐藏在建筑墙体内部,不会凸出墙外。钢支撑对建筑外观影响很大,需要进行包裹覆盖。而延性墙板墙的布置则很灵活,不会影响建筑功能的实现。