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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。80 年代以后，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，我國開始引進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)房屋，以門式剛架為主，主要用于工業(yè)廠房、庫房和一些公共設(shè)施。多層輕鋼結(jié)構(gòu)采用鋼骨架和輕質(zhì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，自重輕，對地質(zhì)條件要求低。另外，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)，適合工廠化生產(chǎn)，現(xiàn)場安裝，濕作業(yè)少，施工占用場地少，速度快。與多層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，不僅造價(jià)持平甚至略低，而且綜合效益明顯。隨著我國城市對粘土磚的禁用，多層民用輕鋼結(jié)構(gòu)越來越受到工程界的青睞，正成為較有競爭力的民用建筑結(jié)構(gòu)體系之一。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(yàn)。但是，目前的示范工程還仍很不多，經(jīng)驗(yàn)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(shí)。總體上看，多層鋼結(jié)構(gòu)的開發(fā)還處于啟動(dòng)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。框架結(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。框架結(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，抗震性能好。但框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度小，由于側(cè)向位移大，易引起非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞，因此不宜建的太高。

　　（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(shí)，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(gè)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(gè)支撐芯筒。采用由軸向受力桿件形成的豎向支撐來取代由抗彎桿件形成的框架結(jié)構(gòu)，能獲得比純框架結(jié)構(gòu)大的多的抗側(cè)力剛度，可以明顯減小建筑物的層間位移。

　　（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(diǎn)，又有較大的剛度，可用于40至60層的高層鋼結(jié)構(gòu)。當(dāng)鋼筋混凝土墻沿服務(wù)性面積（如樓梯間、電梯間和衛(wèi)生間）周圍設(shè)置，就形成框架多筒體結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)體系在各個(gè)方向都具有較大的抗側(cè)力剛度，成為主要的抗側(cè)力構(gòu)件，承擔(dān)大部分水平荷載，鋼框架主要承受豎向荷載。

　　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(shí)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(jià)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(fèi)用。

　　在組合樓板的應(yīng)用中，為使樓層高度減到最小，提供更大的無柱空間，現(xiàn)在的趨勢是把樓板和鋼梁合為一體，形成組合扁梁樓蓋。

　　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(cuò)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(shí)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(shí)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。主梁采用焊接工形截面，柱采用焊接箱型截面。框架的橫向和縱向梁柱按剛性連接設(shè)計(jì)，現(xiàn)場采用摩擦性高強(qiáng)螺栓和焊接連接，次梁為工字型截面單跨簡支梁。外墻正立面為240厚瓷磚飾面的混凝土砌塊，主要隔斷內(nèi)墻為200厚混凝土砌塊，次要內(nèi)墻為輕鋼龍骨石膏板輕質(zhì)隔墻。樓蓋采用鋼－混凝土疊合板組合樓蓋，設(shè)計(jì)主次梁時(shí)充分考慮樓蓋與鋼梁的組合作用。

　　2.計(jì)算參數(shù)及計(jì)算軟件

　　本工程設(shè)計(jì)主要依據(jù)國家有關(guān)設(shè)計(jì)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(jì)規(guī)范》（GBJ11-89）、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ17-88）、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ10-89）、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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.

　　結(jié)構(gòu)上作用活荷載包括樓面活荷、風(fēng)荷和地震作用，橫荷載包括樓板和墻體自重，均按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GBJ9-87）取用，梁柱自重按實(shí)際重量取用；基本風(fēng)壓按北京地區(qū)0.35kN/m2取用；設(shè)計(jì)地震烈度為8度，Ⅱ類場地。

　　計(jì)算軟件采用通用有限元軟件ANSYS， 它是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型軟件包。主要利用ANSYS軟件提供的結(jié)構(gòu)靜力分析模塊，采用三維beam4梁單元和shell93 殼單元按空間模型進(jìn)行計(jì)算載荷引起的位移和應(yīng)力，并按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》驗(yàn)算構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定性。同時(shí)采用通用結(jié)構(gòu)分析軟件 SAP93進(jìn)行結(jié)構(gòu)復(fù)驗(yàn)計(jì)算分析。

　　3.計(jì)算工況既及說明

　　計(jì)算時(shí)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(jì)算地震作用時(shí)，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(gè)自振周期。

　　四、 計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)，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(shí)，其頂點(diǎn)位移和層間位移已經(jīng)非常大，欲滿足設(shè)計(jì)要求，僅僅靠增大柱截面已經(jīng)不經(jīng)濟(jì)了，這時(shí)沿橫向和縱向在邊跨和中跨適當(dāng)?shù)牟贾靡恍┲�撐反而更�?jié)省鋼材。

　　2.主要構(gòu)件的截面尺寸

　　根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，對梁和柱截面規(guī)格尺寸進(jìn)行了優(yōu)化和歸并，以節(jié)約鋼材和減少構(gòu)件種類，3至18層的梁柱截面尺寸見表1.

　　表1 3-18層主要構(gòu)件的尺寸

　　結(jié)構(gòu)體系 主梁 次梁 柱 備注

　　3-6層 純框架 I350×200×8×6 I300×200×8×6 □350×350×10×10 三排柱布置

　　7-9層 純框架 I400×200×8×6 I300×200×8×6 □400×400×14×14 四排柱布置

　　10-14層 純框架 I400×200×8×6 I300×200×8×6 □450×450×14×14 四排柱布置

　　15-18層 框支 I400×200×8×6 I300×200×8×6 □480×480×14×14 四排柱布置

　　由上表可以清楚地看到，隨著層數(shù)的增多，為了滿足側(cè)移要求，柱截面增加很多，整個(gè)設(shè)計(jì)和截面的尺寸由側(cè)移控制。當(dāng)增加到15層時(shí)，還必須適當(dāng)布置一些支撐，這時(shí)結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度突然增大，地震作用也增大很多，柱的受力加大，整個(gè)設(shè)計(jì)由柱的穩(wěn)定控制。

　　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(jì)，見表2，其中15-18層包含了支撐的用鋼量。

　　表2 3-18層各層主要構(gòu)件單位用鋼量（單位：kg/m2）

　　3-6層 7-9層 10-14層 15-18層

　　柱 13.1～15.2 18.9～20.8 25.5～27.2 28.6～32.4

　　主梁 17.7～19.4 19.6～20.7 19.6～20.7 19.6～20.7

　　次梁 9.7 9.7 9.7 9.7

　　支撐 0 0 0 4.70

　　合 計(jì) 40.5～44.3 48.2～51.2 54.8～57.6 62.6～67.5

　　由上表可以看出，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(shí)，這時(shí)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(jì)算，此時(shí)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(jì)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)省；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(gè)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)。