一、概述
過去，我國鋼材年產量較低，建筑行業一直限制鋼材的使用，提倡大力發展混凝土結構和混合結構，因此民用鋼結構一直發展緩慢。80 年代以后，隨著經濟發展的需要，我國開始引進鋼結構房屋，以門式剛架為主，主要用于工業廠房、庫房和一些公共設施。多層輕鋼結構采用鋼骨架和輕質圍護結構，自重輕，對地質條件要求低。另外，鋼結構構件標準，適合工廠化生產，現場安裝，濕作業少，施工占用場地少，速度快。與多層鋼筋混凝土結構相比，不僅造價持平甚至略低，而且綜合效益明顯。隨著我國城市對粘土磚的禁用，多層民用輕鋼結構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構體系之一。近幾年，上海、北京、長沙、大連、天津等地對多層鋼結構房屋進行了有效的嘗試，取得了一些經驗。但是，目前的示范工程還仍很不多，經驗還很缺乏，有關技術規程還沒有跟上，工程界對合理的多層鋼結構體系還未達成共識。總體上看，多層鋼結構的開發還處于啟動階段。本文在對已有的示范工程分析比較的基礎上，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構體系進行了分析，以供參考。
二、結構方案
1.結構體系的選擇
結構體系的選擇，不僅要從滿足建筑的使用功能出發，節約投資考慮，更主要的是取決于建筑的高度，即取決于建筑層數的多少。建筑層數越多，高度越高，則由于風力或地震力引起的側向力就越大，建筑物必須有相應的剛度來抵抗側向力。因此，隨著建筑層數的不斷增加，結構體系也就需要不斷的發展。目前，多層和小高層鋼結構建筑常用的結構體系有以下幾種。
（1） 純框架結構體系。純框架結構體系在地震區一般不超過15層。框架結構的平面布置靈活，可為建筑提供較大的室內空間，且結構各部分剛度比較均勻。框架結構有較大的延性，自振周期較長，因而對地震作用不敏感，抗震性能好。但框架結構的側向剛度小，由于側向位移大，易引起非結構構件的破壞，因此不宜建的太高。
（2） 框支結構體系。純框架在風、地震荷載作用下，側移不符合要求時，可以采用帶支撐的框架，即在框架體系中，沿結構的縱、橫兩個方向布置一定數量的支撐。在這種體系中，框架的布置原則和柱網尺寸，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構，能獲得比純框架結構大的多的抗側力剛度，可以明顯減小建筑物的層間位移。
（3） 框架剪力墻結構體系。在框架結構中布置一定數量的剪力墻可以組成框架剪力墻結構體系，這種結構以剪力墻作為抗側力結構，既具有框架結構平面布置靈活、使用方便的特點，又有較大的剛度，可用于40至60層的高層鋼結構。當鋼筋混凝土墻沿服務性面積（如樓梯間、電梯間和衛生間）周圍設置，就形成框架多筒體結構體系。這種結構體系在各個方向都具有較大的抗側力剛度，成為主要的抗側力構件，承擔大部分水平荷載，鋼框架主要承受豎向荷載。
2.樓面結構
多層輕鋼建筑樓板必須有足夠的剛度、強度和整體穩定性，同時應盡量采用技術和構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，造價較高；（2）現澆整體組合樓蓋，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，還能節省支模和吊頂的費用。
在組合樓板的應用中，為使樓層高度減到最小，提供更大的無柱空間，現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
多層框架鋼結構體系的側向剛度較弱，隨著層數的增加，為了抵抗水平地震作用，減小層間錯移，常在墻體內布置垂直支撐，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構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，地震時易發生應力集中，導致墻體產生斜向大裂縫而脆性破壞。為避免這種現象，可采用帶縫剪力墻。鋼板剪力墻是以鋼板做成剪力墻結構，與鋼框架組合，起到剛性構件的作用。
三、 工程實例分析
1.工程概述
分析以典型的辦公樓布置為基礎，平面尺寸為72m ×14.4m，基本柱網尺寸為8.4m×7.2m，跨度為6m，柱距為7.2m，內走廊寬2.4m，層高為3.2m，層數考慮3至18層。采用鋼框架結構體系，若不滿足側移要求，適當加一些支撐。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計，現場采用摩擦性高強螺栓和焊接連接，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，主要隔斷內墻為200厚混凝土砌塊，次要內墻為輕鋼龍骨石膏板輕質隔墻。樓蓋采用鋼－混凝土疊合板組合樓蓋，設計主次梁時充分考慮樓蓋與鋼梁的組合作用。
2.計算參數及計算軟件
本工程設計主要依據國家有關設計規程、規范，如《建筑結構荷載規范》（GBJ9 -87）、《建筑抗震設計規范》（GBJ11-89）、《鋼結構設計規范》（GBJ17-88）、《混凝土結構設計規范》（GBJ10-89）、《建筑地基基礎設計規范》（GBJ7-89）等。所有梁柱均采用Q345鋼，基礎和負彎距受拉鋼筋為Ⅱ級，樓板及分布筋Ⅰ級，樓板混凝土標號為C40.
結構上作用活荷載包括樓面活荷、風荷和地震作用，橫荷載包括樓板和墻體自重，均按《建筑結構荷載規范》（GBJ9-87）取用，梁柱自重按實際重量取用；基本風壓按北京地區0.35kN/m2取用；設計地震烈度為8度，Ⅱ類場地。
計算軟件采用通用有限元軟件ANSYS， 它是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型軟件包。主要利用ANSYS軟件提供的結構靜力分析模塊，采用三維beam4梁單元和shell93 殼單元按空間模型進行計算載荷引起的位移和應力，并按照《鋼結構設計規范》驗算構件的強度、剛度、整體穩定和局部穩定性。同時采用通用結構分析軟件 SAP93進行結構復驗計算分析。
3.計算工況既及說明
計算時考慮以下主要的3種工況：1.2恒荷＋1.4活荷、1.2恒荷＋1.4×0.85（活荷＋風荷）以及地震作用。在計算地震作用時，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個自振周期。
四、 計算結果及分析
1.層數對結構體系及平面布置的影響
3至6層建筑物的設計是由豎向荷載控制著結構布置和構件截面尺寸的選擇，由于其側移很容易滿足，為了節省鋼材，可以抽去靠近走廊的一排柱子，每榀剛架布置3根柱子。
隨著層數的增加，盡管豎向荷載仍對結構設計產生著重要影響，但水平荷載卻起著決定性的因素，控制著構件截面的選擇。此時，為了滿足側移要求，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現改為4排柱子更為經濟。
當房屋層數達到15層時，其頂點位移和層間位移已經非常大，欲滿足設計要求，僅僅靠增大柱截面已經不經濟了，這時沿橫向和縱向在邊跨和中跨適當的布置一些支撐反而更節省鋼材。
2.主要構件的截面尺寸
根據計算分析結果，對梁和柱截面規格尺寸進行了優化和歸并，以節約鋼材和減少構件種類，3至18層的梁柱截面尺寸見表1.
表1 3-18層主要構件的尺寸
結構體系 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，隨著層數的增多，為了滿足側移要求，柱截面增加很多，整個設計和截面的尺寸由側移控制。當增加到15層時，還必須適當布置一些支撐，這時結構側向剛度突然增大，地震作用也增大很多，柱的受力加大，整個設計由柱的穩定控制。
3.3至18層的單位用鋼量
為了比較用鋼量與層數的關系，我們對各層的單位用鋼量進行了統計，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 40.5～44.3 48.2～51.2 54.8～57.6 62.6～67.5
由上表可以看出，隨著層數的增加，用鋼量增加很多，特別是增加到了15層時，這時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層不加支撐也進行了計算，此時單位用鋼量為65～68kg/m2左右，比加支撐更不經濟。
五、結論
本文通過對各種方案的分析比較發現，3- 6層設計由豎向荷載來控制，采用三排柱布置純框架比較經濟；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省；而對于 15-18層，水平荷載作用占主導地位，適當增加一些支撐，增大整個結構的抗側力剛度，比單純靠梁柱的受彎來抵抗水平位移更為經濟。
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