多层轻钢民用建筑中的结构体系分析

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1、多层轻钢民用建筑中的结构体系分析 - 结构理论 一、概述 过去，我国钢材年产量较低，建筑行业一直限制钢材的使用，提 倡大力发展混凝土结构和混合结构，因此民用钢结构一直发展缓慢。 80 年代以后，随着经济发展的需要，我国开始引进钢结构房屋，以 门式刚架为主，主要用于工业厂房、库房和一些公共设施。多层轻 钢结构采用钢骨架和轻质围护结构，自重轻，对地质条件要求低。 另外，钢结构构件标准，适合工厂化生产，现场安装，湿作业少， 施工占用场地少，速度快。与多层钢筋混凝土结构相比，不仅造价 持平甚至略低，而且综合效益明显。随着我国城市对粘土砖的禁用， 多层民用轻钢结构越来越受到工程界的青睐，正成为较有竞争力

2、的 民用建筑结构体系之一。近几年，上海、北京、长沙、大连、天津 等地对多层钢结构房屋进行了有效的尝试，取得了一些经验。但是， 目前的示范工程还仍很不多，经验还很缺乏，有关技术规程还没有 跟上，工程界对合理的多层钢结构体系还未达成共识。总体上看， 多层钢结构的开发还处于启动阶段。本文在对已有的示范工程分析 比较的基础上，本着寻求受力合理、用钢量低的原则，对多层民用 建筑中的结构体系进行了分析，以供参考。 二、结构方案 1、结构体系的选择 结构体系的选择，不仅要从满足建筑的使用功能出发，节约投资 考虑，更主要的是取决于建筑的高度，即取决于建筑层数的多少。建筑层数越多，高度越高，则由于风力或地震力引

3、起的侧向力就越 大，建筑物必须有相应的刚度来抵抗侧向力。因此，随着建筑层数 的不断增加，结构体系也就需要不断的发展。目前，多层和小高层 钢结构建筑常用的结构体系有以下几种。 (1) 纯框架结构体系。纯框架结构体系在地震区一般不超过 15 层。 框架结构的平面布置灵活，可为建筑提供较大的室内空间，且结构 各部分刚度比较均匀。框架结构有较大的延性，自振周期较长，因 而对地震作用不敏感，抗震性能好。但框架结构的侧向刚度小，由 于侧向位移大，易引起非结构构件的破坏，因此不宜建的太高。 (2) 框支结构体系。纯框架在风、地震荷载作用下，侧移不符合 要求时，可以采用带支撑的框架，即在框架体系中，沿结构的纵

4、、 横两个方向布置一定数量的支撑。在这种体系中，框架的布置原则 和柱网尺寸，基本上与框架体系相同，支撑大多沿楼面中心部位服 务面积的周围布置，沿纵向布置的支撑和沿横向布置的支撑相连接， 形成一个支撑芯筒。采用由轴向受力杆件形成的竖向支撑来取代由 抗弯杆件形成的框架结构，能获得比纯框架结构大的多的抗侧力刚 度，可以明显减小建筑物的层间位移。 (3) 框架剪力墙结构体系。在框架结构中布置一定数量的剪力墙 可以组成框架剪力墙结构体系，这种结构以剪力墙作为抗侧力结构， 既具有框架结构平面布置灵活、使用方便的特点，又有较大的刚度， 可用于 40 至 60 层的高层钢结构。当钢筋混凝土墙沿服务性面积 （如

5、楼梯间、电梯间和卫生间）周围设置，就形成框架多筒体结构体系。这种结构体系在各个方向都具有较大的抗侧力刚度，成为主 要的抗侧力构件，承担大部分水平荷载，钢框架主要承受竖向荷载。2、楼面结构 多层轻钢建筑楼板必须有足够的刚度、强度和整体稳定性，同时 应尽量采用技术和构造措施减轻楼板自重，并提高施工速度，组合 楼盖是常用的楼盖之一。到目前为止，组合楼盖主要有以下三种形 式：(1)压型钢板组合楼盖，其下表面凹凸不平，在民用建筑中需做 吊顶，造价较高；(2)现浇整体组合楼盖，其整体性能好，但需要支 模板，施工速度慢；(3)钢混凝土叠合板组合楼盖，其整体性好， 还能节省支模和吊顶的费用。在组合楼板的应用中

6、，为使楼层高度减到最小，提供更大的无柱 空间，现在的趋势是把楼板和钢梁合为一体，形成组合扁梁楼盖。 3、支撑和剪力墙形式 多层框架钢结构体系的侧向刚度较弱，随着层数的增加，为了抵 抗水平地震作用，减小层间错移，常在墙体内布置垂直支撑，为了 方便门窗开洞，支撑形式可以灵活采用，如 X 型、单斜杆型、K 型、 M 型、W 型、V 型和人型等。建议多采用偏心支撑，因其在地震作 用下具有较好的延性和耗能性能。 剪力墙按其材料和结构的形式可分为钢筋混凝土剪力墙、钢筋混 凝土带缝剪力墙和钢板剪力墙等。钢筋混凝土剪力墙刚度较大，地 震时易发生应力集中，导致墙体产生斜向大裂缝而脆性破坏。为避免这种现象，可采用

7、带缝剪力墙。钢板剪力墙是以钢板做成剪力墙 结构，与钢框架组合，起到刚性构件的作用。 三、 工程实例分析 1、工程概述 分析以典型的办公楼布置为基础，平面尺寸为 72m14.4m，基本 柱网尺寸为 8.4m7.2m，跨度为 6m ，柱距为 7.2m ，内走廊宽 2.4m, 层高为 3.2m ，层数考虑 3 至 18 层。采用钢框架结构体系，若不满 足侧移要求，适当加一些支撑。主梁采用焊接工形截面，柱采用焊 接箱型截面。框架的横向和纵向梁柱按刚性连接设计，现场采用摩 擦性高强螺栓和焊接连接，次梁为工字型截面单跨简支梁。外墙正 立面为 240 厚瓷砖饰面的混凝土砌块，主要隔断内墙为 200 厚混凝

8、土砌块，次要内墙为轻钢龙骨石膏板轻质隔墙。楼盖采用钢混凝 土叠合板组合楼盖，设计主次梁时充分考虑楼盖与钢梁的组合作用。2、计算参数及计算软件 本工程设计主要依据国家有关设计规程、规范，如建筑结构荷 载规范(GBJ9-87) 、 建筑抗震设计规范(GBJ11-89)、 钢结构设 计规范(GBJ17-88)、 混凝土结构设计规范(GBJ10-89)、 建筑地 基基础设计规范(GBJ7-89)等。所有梁柱均采用 Q345 钢，基础和 负弯距受拉钢筋为级，楼板及分布筋级，楼板混凝土标号为 C40。 结构上作用活荷载包括楼面活荷、风荷和地震作用，横荷载包括楼板和墙体自重，均按建筑结构荷载规范(GBJ9-

9、87)取用，梁柱 自重按实际重量取用；基本风压按北京地区 0.35kN/m2 取用；设计 地震烈度为 8 度，类场地。 计算软件采用通用有限元软件 ANSYS,它是融结构、流体、电场、 磁场、声场分析于一体的大型软件包。主要利用 ANSYS 软件提供 的结构静力分析模块，采用三维 beam4 梁单元和 shell93 壳单元按空 间模型进行计算载荷引起的位移和应力，并按照钢结构设计规范 验算构件的强度、刚度、整体稳定和局部稳定性。同时采用通用结 构分析软件 SAP93 进行结构复验计算分析。 3、计算工况既及说明 计算时考虑以下主要的 3 种工况：1.2 恒荷1.4 活荷、1.2 恒荷 1.4

10、0.85（活荷风荷）以及地震作用。在计算地震作用时，12 层以下采用底部剪力法，13 至 18 层采用振型叠加法，考虑前 5 个 自振周期。 四、 计算结果及分析 1、层数对结构体系及平面布置的影响 3 至 6 层建筑物的设计是由竖向荷载控制着结构布置和构件截面 尺寸的选择，由于其侧移很容易满足，为了节省钢材，可以抽去靠 近走廊的一排柱子，每榀刚架布置 3 根柱子。 随着层数的增加，尽管竖向荷载仍对结构设计产生着重要影响， 但水平荷载却起着决定性的因素，控制着构件截面的选择。此时， 为了满足侧移要求，要么保持 3 排柱子布置不变，增大柱子截面尺寸；要么改 3 排柱子为 4 排。两种方案分析比较

11、发现改为 4 排柱子 更为经济。 当房屋层数达到 15 层时，其顶点位移和层间位移已经非常大， 欲满足设计要求，仅仅靠增大柱截面已经不经济了，这时沿横向和 纵向在边跨和中跨适当的布置一些支撑反而更节省钢材。 2、主要构件的截面尺寸 根据计算分析结果，对梁和柱截面规格尺寸进行了优化和归并， 以节约钢材和减少构件种类，3 至 18 层的梁柱截面尺寸见表 1。表 1 3-18 层主要构件的尺寸结构体系 主梁 次梁 柱 备注 3-6 层 纯框架 I35020086 I30020086 3503501010 三 排柱布置 7-9 层 纯框架 I40020086 I30020086 4004001414

12、四 排柱布置 10-14 层 纯框架 I40020086 I30020086 4504501414 四排柱布置 15-18 层 框支 I40020086 I30020086 4804801414 四 排柱布置由上表可以清楚地看到，随着层数的增多，为了满足侧移要求， 柱截面增加很多，整个设计和截面的尺寸由侧移控制。当增加到 15 层时，还必须适当布置一些支撑，这时结构侧向刚度突然增大，地 震作用也增大很多，柱的受力加大，整个设计由柱的稳定控制。 33 至 18 层的单位用钢量 为了比较用钢量与层数的关系，我们对各层的单位用钢量进行了 统计，见表 2，其中 15-18 层包含了支撑的用钢量。表 2

13、 3-18 层各层主要构件单位用钢量（单位：kg/m2 ）3-6 层 7-9 层 10-14 层 15-18 层 柱 13.115.2 18.920.8 25.527.2 28.632.4 主梁 17.719.4 19.620.7 19.620.7 19.620.7 次梁 9.7 9.7 9.7 9.7 支撑 0 0 0 4.70 合 计 40.544.3 48.251.2 54.857.6 62.667.5由上表可以看出，随着层数的增加，用钢量增加很多，特别是增 加到了 15 层时，这时不仅柱的用钢量有所增加，支撑也使用钢量增 加不少。为了便于比较，对于 15-18 层不加支撑也进行了计算，此 时单位用钢量为 6568kg/m2 左右，比加支撑更不经济。 五、结论 本文通过对各种方案的分析比较发现，3-6 层设计由竖向荷载来 控制，采用三排柱布置纯框架比较经济；7-14 层竖向荷载和水平荷 载作用都很显著，采用四排柱布置的纯框架用钢量较为节省；而对 于 15-18 层，水平荷载作用占主导地位，适当增加一些支撑，增大 整个结构的抗侧力刚度，比单纯靠梁柱的受弯来抵抗水平位移更为 经济。