多层轻钢住宅结构体系抗震设计基本方法

摘要：我国属于频发地震的国家，全国各个省市、自治区几乎都有抗震设防6度以上的区域，2008年汶川大地震给了我们惨痛的教训，这加强了我们在建筑方面的抗震设计思考。多层轻钢住宅结构体系的抗震设计，是我国目前建筑设计环节的重点所在。本文将在对这种体系抗震设计初步阐述的基础上，提出抗震设计的基本方法。

关键词：多层住宅 轻钢结构 抗震设计

中图分类号：TU973+.31 文献标识码：A 文章编号：

1.抗震结构体系的类型

关于多层轻钢住宅结构抗震体系的类型，根据抗侧力结构体系的组成方式划分，有如下几种类型：

1）纯钢框架结构。这种结构在水平作用力之下，有两部分的框架侧移，一是结构倾覆力矩造成柱拉压变形，引起整个结构的弯曲，二是结构剪力造成梁柱受弯之后，引起了部分的侧移。纯钢框结构具有比较好的延性体系，而且平面布置上各个部位的刚度都较为均匀，具有较长的自震周期。如下图1.1所示：

图1.1：纯钢框架结构

2）框架支撑结构体系，荷载力集中于结构的梁柱上，但抗侧的刚度比较小，如果结构的高度较高，结构的抗侧刚度不能满足设计的，而如果结构的梁柱截面设计得太大，又会增加结构设计施工的成本，因此框架支撑结构体系通常都均匀对称布置了支撑构成中心支撑框架结构。如下图1.2所示：

图1.2：框架支撑结构体系

3）伸臂及带状桁架。建筑物越高，其支撑系统的高度和宽度也会随之增大，但抗侧的刚度会明显下降，为了提高结构体系的刚度，可以在建筑物的顶部和中部位置设置伸臂及带状桁架结构，提高建筑结构体系的抗弯能力。如下图1.3所示：

图1.3：伸臂及带状桁架

4）钢框架混凝土剪力墙结构，在钢框架当中设置混凝土剪力墙，布置于住宅的建筑平面中心位置，以提高结构的抗侧力刚度水平。这种结构由钢框架和混凝土两种不同的材料组成，属于混合型的结构。如下图1.4所示：

图1.4：钢框架混凝土剪力墙结构

2.抗震结构体系设计的基本方法

地震的作用具有复杂性，在计算其作用力的时候要尽量简单化，常见的有底部剪力法：

根据结构水平地震作用的规律，确定结构总水平地震作用的分布状态，在计算的时候，需要考虑所有主轴方向的自由度。

总水平地震作用的标准值大小，可用公式2.1计算： （式2.1）

上式中

指的是结构体系的总水平地震作用标准值；

指的是水平地震影响系数；

指的是多层建筑的重力荷载。

当水平地震作用沿结构高度的方向分布，可用公式2.2计算： （式2.2）

上式中

指的是在第i层水平地震作用的标准值；

和分别代表第i层和第j层的计算高度；

和指的是集中在第i层和第j层的重力荷载代表值；

指的是结构顶部附加地震的作用系数。

3.抗震结构体系设计的内容

抗震结构体系的设计内容，可分为钢框架抗侧力体系、钢框架梁柱连接体系两种：

1）钢框架抗侧力体系

钢框架抗侧力体系包括偏心支撑框架、抗弯框架和中心支撑框架三种类型。如下图1.5所示：

图1.5：钢框架抗侧力体系

首先是偏心支撑框架，一端的支撑斜杆和梁连接，偏离梁柱轴线的交接点，另外一端在梁柱的交界处相连接。这种结构，能够在支撑梁和支撑柱之间形成耗能短梁，以消耗地震的能量，适用于地震频发地区的多层房屋。

其次是抗弯框架，组成部分是梁柱，不仅布置灵活，而且不占室内空间。其设计原理是利用梁端的非弹性变形特征，用塑性铰来消耗地震产生的能量，但其抗侧的刚度比较小，如果侧向力太大，需要增加梁柱截面的面积，会增加设计和施工成本。

再次是中心支撑框架，将斜向支撑构件设置于抗弯框架里面，使得支撑面、梁柱的轴心线连接成一体，以支撑承受水平的荷载，这种设计方法侧向刚度比较大，而且不需要使用太多的钢梁就能够抵抗侧向力，适合用于非地震区域的多层房屋设计。

2）钢框架梁柱连接体系

钢框架梁柱连接体系根据连接的刚度，可以分为以下三种，如下图1.6所示：

图1.6：钢框架梁柱连接体系

首先是刚性的连接模式。在设计当中，可以采用全焊连接和栓焊混合连接两种模式，完全熔透对接梁翼缘和柱翼缘的焊缝。

其次是半刚性的连接模式。包括顶底角钢连接、带双腹板角钢的顶底角钢连接、端板连接，将钢板焊接于梁端，然后再与梁腹板、梁翼缘焊接。而T型钢的连接则是在梁上和下翼缘的位置设置T型钢，然后将高强螺栓连接在梁柱上面。

再次是柔性连接模式。连接梁腹板和柱，常见的是承托连接，这种连接方法是在柱翼的承托件上设置梁，然后用小角钢与柱连接于梁端，这样就能控制住梁整体的稳定性。

4.结束语

综上所述，多层轻钢住宅的抗震结构体系，要求具备足够的强度、刚度和延性，是我国目前建筑设计环节的重点所在。我们一方面是提高体系的抗侧移水平，另一方面是确保体系在地震发生时的侧移限值。根据多层轻钢住宅结构体系的受力特点，我们可以找出这种住宅抗震结构体系受力的基本原则。多层轻钢结构的住宅设计抗侧力体系的研究，需要综合结构体系的布置模式、受力变形情况和结构体系的总体特点，通过多方案的比较选择，才能够设计出符合抗震基本要求的住宅结构方式。

参考文献

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[2]吴雨红，李清海，崔琪，翁端衡.板柱轻钢构体系抗震节能型乡镇住宅[J].21世纪建筑材料，28-30.