基于当代高层钢结构住宅设计探析
时间：2022-09-01 10:39:42
摘要：随着我国钢产量的增加，钢结构在建筑中的应用越来越广泛，影响深远。本文以某住宅小区为例，采用框架一核心筒结构体系，建筑功能、经济性和舒适度较好。应用钢骨混凝土剪力墙、加强型梁柱节点设计使结构有较好的抗震性能。
前言
钢结构具有轻质高强、抗震性能好、工业化程度高、施工速度快、符合环保要求、符合可持续发展概念和科技含量较高等优点。随着我国实行积极采用钢结构的政策以及我国钢总产量进―步提高，建筑钢结构得到迅速的发展，特别是在住宅、办公和旅馆等钢结构建筑中得到越来越广泛的运用，使结构有较好的抗震性能。在建筑钢结构中，钢框架结构是一种多高层建筑常用的结构形式，但钢框架结构容易失稳，且钢结构设计方法存在着结构弹性内力分析与构件弹塑性极限状态设计、把强度与稳定分开来进行设计等不合理现象，因此，对解决以上问题进行研究具有理论和现实意义。随着多高层轻型钢框架的广泛应用，它的设计理论与方法是目前学术界和工程界普遍关注的热点问题。
一、工程概况
以某住宅小区为例，小区由两幢一梯四户18层钢结构住宅组成，每幢建筑地上l8层、局部19层，一层为商铺层高3．9米，2层至18层为住宅层，层高3．0m，19层为楼电梯机房高4．5米。单幢建筑长31．2m，宽17．8m，建筑面积7400 m2。工程采用钢管混凝土框架一混凝土核心筒结构，填充墙采用加气混凝土砌块。
二、结构设计与构件、节点设计
2．1 结构设计特点
本工程结构采用钢管混凝土框架一混凝土核心筒结构，较混凝土结构有结构构件尺寸小、结构自重轻、抗震性能好等优点；较钢管混凝土框架一支撑结构有侧移小、居住舒适度好，楼电梯间（混凝土核心筒）耐火性能好，火灾时有更宽裕的安全疏散时间等优点。
2．2 构件设计
2．2．1 钢管混凝土柱
该住宅小区框架柱采用钢管混凝土柱，钢管型号Ø0450×1 6 mm、Ø400×14mm、Ø400×12 mm、Ø400×10mm，材质为Q345B；钢管内混凝土强度等级从下到上逐次为C40、C35、C30；钢管混凝土柱有如下优点：
1) 钢管混凝土柱是钢材和混凝土两种结构的完美结合，钢管的约束使混凝土处于三向受压状态，混凝土抗压强度大为提高。
2) 核心混凝土的存在限制了钢管的局部屈曲，充分发挥钢材的强度。
3) 钢管不仅兼框架柱纵向钢筋、箍筋、混凝土模板的作用，而且钢管位置处于构件抗弯的最佳位置。
4) 核心混凝土的吸热、阻热作用使钢管混凝土柱耐火性能较钢柱提高显著。
5) 刚度和阻尼大，有利于控制侧移。
2．2．2 楼面体系
楼屋面采用100mm、110mm、120 mm的厚钢筋混凝土板，楼板通过抗剪栓钉与钢梁连接成组合楼盖。钢梁采用焊接H型钢。
2．2．3 钢骨混凝土剪力墙
本住宅小区工程核心筒采用C30、C40钢筋混凝土，混凝土核心筒四角构造设置钢骨柱，混凝土核心筒剪力墙在连梁内设置通长钢骨暗梁与钢骨柱刚接连接。
2．3 节点设计
框架梁与框架柱、剪力墙暗柱采用刚接连接，及梁翼缘与柱采用二级熔透焊缝连接，梁腹板通过高强螺栓与柱连接。主次梁节点一般采用铰接连接。柱脚采用埋入式柱脚。钢管柱埋入基础深度≥3h，钢管柱轴力通过抗剪栓钉传递，弯距通过钢骨混凝土柱纵筋传递给桩基承台。
三、结构整体计算分析
3．1 结构计算参数
该住宅小区Z1、Z2结构形式为钢框架一混凝土筒体结构，框架抗震等级一级，混凝土简体抗震等级一级，结构使用年限50年。
抗震设防烈度为8度、第二组，建筑场地类别为Ⅱ类，特征周期0.4，多遇地震影响系数最大值0.16，罕遇地震影响系数最大值0.9。
基本风压0.3kN/m2，地面粗糙度B类。
楼面恒载按实际计算；一般楼面活载2.0Kn/m2，楼梯间及前室3.5 kN/m2，电梯机房7.0 kN/m2，阳台2.5 kN/m2，上人屋面2.0 kN/m2，不上人屋面0.5 kN/m2。
3．2 结构计算模型
建筑结构的整体分析采用我国建筑科学研究院编制的PKPM系列的STS、SATWE。
3．3 计算结果分析
3．3．1振型数与周期比
结构计算振型数取18个，X方向的有效质量系数97.68％，Y方向的有效质量系数95.90％，满足规范JGJ3―2002 5.1.13规定。
结构第一振型X向平动，第二振型Y向平动，第三振型扭转，T3/T1=0.80，满足规范JGJ3―2002,5.1.13规定。
3．3．3 总质量、最小剪重比
结构总质量9257.75t。
X向最小剪重比为4．58，Y向最小剪重比为5.51，满足规范GB5001 1―2001 5.2.5规定。
3．3．4 平面规则性
Satwe计算结构显示，楼层的最大层间位移/楼层的平均层间位移为1.395，满足规范JGJ3―2002,4.3.5规定。
3．3．5 竖向规则性分析
Satwe计算结构显示，结构竖向层刚度比满足3.4.2.2要求，无结构薄弱层，结构为竖向规则结构。
3．3．6 结构整体稳定分析
X向刚重比为9．62，Y向刚重比为10．68，满足规范要求JGJ3―2002 5．4．1规定。
四、地震作用补充计算
4．1结构的弹性动力时程分析
根据规范JGJ3―2002，4.3.5条规定，在考虑偶然偏心影响的地震作用下楼层竖向构件的最大位移不应大于该楼层平均位移的平均值的1.4倍。该高层钢结构住宅由于建筑平面不规则结构质量中心和刚度中心未能重合，楼层竖向构件的最大位移为该楼层平均位移的平均值的1.395倍， 已经接近规范限值，为慎重起见设计院按照规范JG5001 1―2001 5.1.2条规定进行弹性动力时程分析。
弹性动力时程分析选用两组实际强震记录和一组人工模拟的加速度时程曲线，选取地震加速度时程曲线的最大值70cm/s2，场地特征周期为0.35s。弹性动力时程分析采用PKPM的SATWE模块进行分析计算。
计算结果显示，三条时程曲线计算所得的结构底部剪力分别为振型分解反映谱法的84.1％ 、76.8％ 、88.9％ ，平均值为83.3％ ，满足规范JG50011―2001 5.1.2条规定，位移和层间位移角满足规范要求。
4．2 中震弹性分析
为了保证结构具有良好的抗震性能，真正实现“大震不倒、中震可修” 的抗震设防要求，设计院对结构一、二层剪力墙和框架柱进行中震弹性分析。
水平地震影响系数最大值取0.46，荷载和材料取设计值，不考虑风载组合，不考虑构件内力调整。
分析结果显示一、二层剪力墙和框架柱在中震作用下处于弹性，在中震作用下部分框架梁进入塑性阶段，设计实现了强柱弱梁、强节点弱杆件和塑性耗能等抗震设计理念。
五、结构抗震性能分析与抗震构造措施
5．1钢框架柱与混凝土核心简结构抗震性能分析
中国建筑科学院1991年进行的1：20的23层钢一混凝土混合结构模型试验，1999年同济大学进行的1:20的23层钢一混凝土混合结构模型试验，中国建筑科学院2004年进行的1：10的30层钢一混凝土混合结构模型试验结果表明钢一混凝土混合结构具有良好的抗震性能，能实现我国现行规范“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防要求。但在罕遇地震下存在混凝土筒体延性不足，底部剪力墙部分墙体、连梁开裂，框架二道防线作用不显著，框架柱梁柱个别节点开裂等问题。
5．2框架柱一混凝土核心筒结构的抗震构造措施
针对上述模型试验结果，并结合1964年美国阿拉斯加地震，1995年日本坂神地震灾害情况，在进行该高层钢结构住宅结构设计过程中采取了如下抗震构造措施。
1)提高混凝土核心筒的延性
在混凝土核心筒四角沿全高埋设钢骨柱，各层混凝土核心筒周边、筒内隔墙连梁内设置钢骨暗梁，钢暗柱与暗梁、钢框架梁刚接连接，这样不仅提高了混凝土核心筒的延性和抗弯抗剪能力，还提高了结构的整体变形能力。
2)提高钢框架的承载能力
根据JGJ3―2002 11.1.5规定，钢框架一混凝土核心筒结构各层框架柱所承担的地震剪力不应小于底部总剪力的25％和框架部分地震剪力最大值的1.8倍二者的较小值。该高层钢结构住宅结构设计时在1轴15轴全高设置两道型钢支撑以加强钢框架部分的抗震承载力，反复调整钢管混凝土柱断面尺寸、钢板壁厚以满足规范规定。
3)实现强柱弱梁
强柱弱梁、强节点弱杆件是我国抗震规范的基本要求，是实现大震不倒、结构塑性耗能的前提，但汶川地震的实践证明，部分结构设计文件对现浇板在框架梁抗弯承载力的贡献考虑不足，没有真正实现强柱弱梁这一抗震规范的基本要求。
该高层钢结构住宅结构设计中实现了强柱弱梁。以顶层最大跨度框架为例，框架柱为Ø40矩形钢管混凝土柱钢管型号Ø400 X 10mm，钢梁型号H450×150 ×8×12，矩形钢管混凝土柱极限抗弯承载力大于钢梁抗弯承载力两倍以上。
4)强节点弱杆件
1964年美国阿拉斯加地震，1995年日本坂神地震灾害情况表明，等截面梁与柱栓焊连接的高层钢结构在遭受大震后其破坏部位往往在框架梁的下翼缘与柱的工地焊缝连接处，致使钢结构的延性没有发挥出来，高层钢结构住宅结构设计中采用楔型盖板加强框架梁梁端与钢柱的刚性连接节点，钢柱内在框架梁翼缘对应位置设置厚度为16mm （较梁翼缘厚度大4mm）的横隔板，梁柱刚接区域及梁翼缘上下600mm范围全部采用全熔透坡口焊缝以保证强节点弱杆件的抗震设计要求。
六、钢框架柱与混凝土核心筒结构设计中存在的问题及措施
6．1 混凝土核心简收缩、徐变等竖向差异变形的不利影响和应对措施
核心筒混凝土在凝固过程中体积会收缩、在长期荷载下混凝土会徐变，而钢柱无此收缩和徐变，核心筒和钢框架柱的不协调变形在结构内产生较大的内力。
为消除核心筒和钢框架柱的不协调变形在结构内产生的内力，设计采取如下措施：
1)核心筒轴压比控制在0.4以下。
2)钢筋混凝土核心筒超前施工5～6层。
3)现浇混凝土楼面在核心筒设置后浇带。
4)控制混凝土的水灰比，使用减水剂，采用弹性模量较大的骨料如石灰岩。
6．2 钢框架柱与混凝土核心筒基础差异沉降的不利影响和应对措施
建筑物地基沉降一般为碟形分布及建筑基础的沉降量中间大、四周小，而框架核心筒结构地基的不均匀沉降更为显著。地基的不均匀沉降在上部结构中产生内力，严重时引起结构和构件的破坏。
为减少建筑物基础的沉降差，该住宅小区工程基础采用桩基础，持力层选用压缩模量较大的强风化泥岩以控制建筑物整体沉降量和沉降差。按照《建筑桩基技术规范》JGJ94―2008 3.1.8
对桩基进行变刚度调平设计，核心筒密桩布置，框架柱下用稀桩布置，经过反复优化，基础的平均沉降量、最大沉降差均远远小于GB5007―2002 5.3.4的限值规定。
