陳 剛, 薛 強, 周義柏

(1 中冶南方工程技術有限公司，深圳 518028；2 西安建筑科技大學土木工程學院，西安 710055)

0 引言

為改變建筑業(yè)傳統粗放型的生產方式,實現向現代化產業(yè)的轉型升級,國家大力推廣鋼結構裝配式建筑。但目前,我國鋼結構應用住宅占比仍很低,這是因為鋼結構住宅目前尚具有成本較高、圍護體系功能(隔音、隔熱、防火、防腐)不成熟和傳統結構體系露梁露柱三大問題,降低成本的主要途徑在于標準化設計,規(guī)?；a。目前關于鋼結構住宅標準化戶型的研究不少,但大多從結構的角度出發(fā),強調正交、少凹凸等,過于理想化。目前鋼結構住宅應用最多的市場領域是政府投資建設的保障性住房(保障房)。為推動住宅產業(yè)化,深圳住房和建設局于2015年發(fā)布了《深圳市保障性住房標準化設計圖集》(SJG 27-2015)[1],適用于深圳市范圍內新建、改建的保障房。作為政府發(fā)布的文件,該標準戶型平面經過了充分的論證,建筑功能完全符合保障房建設標準。因此本文基于該標準戶型,通過不同結構體系計算分析比較,力求得到一個建筑功能合理,力學性能指標和經濟指標均較優(yōu)的鋼結構體系。本文首先簡略介紹保障房標準戶型的全壽命適應性設計和解決露梁露柱問題的新型鋼結構體系,然后選取兩個標準戶型單元平面進行分析比較,從而為鋼結構高層住宅的結構設計選型提供一些參考。

1 保障房標準化戶型的全壽命適應性設計

全壽命適應性是指隨著家庭人口的變化,居住者可以通過調整居住房間的數量和大小,滿足不同階段的家庭需要。要具備這種空間靈活性,需取消或減少室內承重墻柱,可以利用鋼結構優(yōu)越的性能來實現大跨度空間布置。圖1和圖2是深圳市保障房的兩個標準戶型建筑單元平面,原為混凝土剪力墻結構。圖3、圖4采用鋼結構布置方案并進行了全壽命適應性設計,實現了室內無柱,可根據需要劃分為一室一廳、兩室一廳、三室一廳,具備從夫妻二人、三人家庭到三代同堂的全壽命適應性。

圖1 標準戶型建筑單元平面一

圖2 標準戶型建筑單元平面二

圖3 建筑單元平面一(結構體系布置方案)

圖4 建筑單元平面二(結構體系布置方案)

2 新型鋼結構體系

高層鋼結構建筑的結構體系以框架類(框架-支撐、框架-延性墻板)為主,露梁露柱情況突出,影響居住體驗。為解決這一問題,一些科研單位開展研究,提出了一些創(chuàng)新的結構體系,可分為兩大類,一類是仍保持框架類體系,把框架柱截面扁化;另一類則采用鋼板(組合)剪力墻體系?？蚣茴惾缥靼步ㄖ萍即髮W郝際平等[2-4]提出的壁柱體系,將鋼柱截面常規(guī)為1∶2的長寬比擴展至1∶4;天津大學陳志華、周婷等[5-7]提出的組合異形柱體系,采用格構化的多個小截面鋼管柱;王彥超、洪奇等[8-10]提出的隱式框架體系,采用扁鋼管柱。鋼板剪力墻類如付波、張鵬等[11-13]提出的鋼管束組合剪力墻體系;韓建紅、張會凱等[14-15]提出的多腔體鋼板組合剪力墻體系;袁霓緋、王新宇等[16-17]提出將鋼框架-防屈曲鋼板剪力墻體系設計應用在政府安置房鋼結構住宅項目。本文研究采用西安建筑科技大學的壁柱體系,柱截面長寬比最大可以擴展到1∶4。

3 結構設計概況

3.1 設計資料

選取的建筑單元平面是由標準化的住宅單元戶型組合而成,分析建筑擬分別定位于武漢市和深圳市,武漢地區(qū)設計參數為:基本風壓為0.35kN/m2,地面粗糙度類別為B類,抗震設防烈度為6度,設計基本地震加速度值為0.05g,按40、70、100m三種不同建筑高度分別布置不同的結構體系計算。深圳地區(qū)設計參數為:基本風壓為0.75kN/m2,地面粗糙度類別為C類,抗震設防烈度為7度,設計基本地震加速度值為0.10g。其他裝配式鋼結構建筑的設計要求為:外墻采用ALC復合保溫墻板,內墻采用輕鋼龍骨內隔墻,樓板采用裝配式鋼筋桁架樓承板,鋼梁和支撐按《鋼結構住宅主要構件尺寸指南》[18]中選用住宅常用規(guī)格的型鋼截面,鋼管柱內部填充自密實混凝土。設計計算采用的結構體系見表1。

表1 結構體系

3.2 結構設計方案

按表1中需要計算的結構體系對建筑單元平面分別進行結構布置設計計算。傳統鋼結構體系的鋼柱為普通矩形鋼管混凝土柱,新型鋼結構體系的鋼柱主要為壁柱,且壁柱可以組合成L形、T形等異形截面形式。在滿足建筑功能前提下合理布置鋼支撐與延性墻板,具體布置見圖3、圖4,主要結構構件截面形式及尺寸見表2。

表2 采用的主要結構構件截面尺寸

4 不同結構體系的對比分析

從力學性能指標、經濟指標(含鋼量)以及建筑功能性角度對不同高度、不同結構類型的結構進行分析對比,綜合評估不同建筑高度適宜采用何種結構類型,以及傳統鋼結構體系與新型鋼結構體系的主要區(qū)別等。

4.1 周期分析

在多遇地震作用下,采用PKPM結構計算軟件對傳統鋼結構體系和新型鋼結構體系的結構模型進行計算分析,周期計算結果見表3～5。選取前三階振型進行分析,同時選取同一振型中平動和扭轉各自參與分量進行比較,以反映結構的扭轉特性。

表3 建筑高度40m時不同結構體系的周期和平動、扭轉系數計算結果(建筑單元平面一)

表4 建筑高度70m時不同結構體系的周期和平動、扭轉系數計算結果(建筑單元平面一)

表5 建筑高度100m時不同結構體系的周期和平動、扭轉系數計算結果(建筑單元平面一)

對于高層建筑來說,較為理想的振型方式為:第1、2階振型為X和Y向兩個方向平動,第3階振型為扭轉。從表3～5可以看出,各種結構體系均滿足前兩階振型以平動為主,第3階振型為扭轉的要求,且結構兩方向的平動周期比較接近,平動周期都遠大于扭轉周期,滿足規(guī)范周期比的要求。對比不同建筑高度的計算結果(表3～5)可以得出,建筑單元平面一建筑高度40m時,普通鋼框架結構和壁柱框架結構的周期比普通鋼框架-支撐結構和壁柱框架-支撐結構略大,說明普通鋼框架結構和壁柱框架結構的剛度比普通鋼框架-支撐結構以及壁柱框架-支撐結構略小;建筑高度70m時,壁柱框架-延性墻板結構周期最小,剛度最大,受力最好,壁柱框架-支撐結構周期稍小,普通鋼框架結構周期最小,說明隨著建筑高度增加,普通鋼框架結構適應性變差;建筑高度100m時,普通鋼框架-支撐結構周期比壁柱框架-延性墻板結構大,說明支撐和延性墻板都提供了較強的抗側剛度,但比較而言延性墻板提供的更多。同時可以看出,傳統鋼結構體系和新型鋼結構體系周期大小趨勢基本相同,差別不大。建筑單元平面二在武漢地區(qū)不同結構體系周期計算結果見表6。同樣由表6可以看出,建筑高度40m時,鋼框架結構的周期比鋼框架-支撐結構周期略大;建筑高度70m和100m時,壁柱框架-延性墻板結構周期最小,鋼框架-支撐結構和鋼框架結構周期稍大,但總體差別不大,這是因為該建筑平面可供布置的支撐或延性墻板位置較少,提供的剛度略有不足。同時對比表3～5和表6得出建筑單元平面二與建筑單元平面一在武漢地區(qū)不同結構體系計算結果具有相似性。

表6 武漢地區(qū)的周期計算結果(建筑單元平面二)/s

4.2 層間位移角分析

根據相關標準[19-20],針對住宅建筑結構,結構層間位移角限值宜控制在1/350以內。不同結構體系的層間位移角計算結果見圖5。由圖5可以看出,不同結構體系、不同建筑高度下結構層間位移角均滿足規(guī)范要求。

圖5 武漢地區(qū)四種不同結構體系不同高度下的X、Y向層間位移角(建筑單元平面一)

從圖5還可以看出,當建筑高度為40m時,壁柱框架結構的最大層間位移角最大,壁柱框架-支撐結構最大層間位移角最小,說明支撐提供了較強的側向剛度;壁柱框架結構的最大層間位移角略大,主要是因為相同結構布置下,壁柱剛度較小。建筑高度為70m時,比較不同結構體系得出鋼框架結構的最大層間位移角最大,壁柱框架-延性墻板結構的最小,說明壁柱框架-延性墻板結構的剛度最強。建筑高度100m時,鋼框架-支撐結構的最大層間位移角最大,鋼框架-延性墻板結構的最大層間位移角最小。綜合來看,兩種框架-延性墻板結構的層間位移角曲線接近,兩種框架-支撐結構的層間位移角曲線也比較接近,框架-延性墻板結構的層間位移角小于框架-支撐結構。

4.3 經濟指標(含鋼量)分析

對不同結構體系的性能指標進行分析后,再對結構的經濟指標(含鋼量)進行分析對比,以便確定在某一建筑高度范圍內優(yōu)選何種結構體系更加合理。含鋼量計算結果見表7。由表7可以看出,建筑高度在40m時,鋼框架結構與壁柱框架結構,鋼框架-支撐結構與壁柱框架-支撐結構含鋼量基本相當,鋼框架結構比鋼框架-支撐結構的含鋼量稍大。當建筑高度在70m時,鋼框架結構含鋼量明顯大于鋼框架-支撐結構的含鋼量,壁柱框架-支撐結構與鋼框架-支撐結構的含鋼量基本相當,壁柱框架-延性墻板結構含鋼量最小。當武漢地區(qū)建筑高度在100m時,鋼框架-支撐結構含鋼量比鋼框架-延性墻板結構大,但不是很顯著;當深圳地區(qū)建筑高度在100m時,鋼框架-延性墻板結構的含鋼量比鋼框架-支撐結構明顯減小,結構更經濟。且從表7中可以看出,對于同類型結構體系,新型鋼結構體系含鋼量稍低于傳統鋼結構體系,說明新型鋼結構體系較為經濟。

表7 不同結構體系含鋼量(建筑平面一)

4.4 建筑功能性分析

當房屋建筑高度較低時,傳統鋼結構體系的豎向構件尺寸較小,基本不會影響到建筑房屋室內空間。當建筑高度逐漸提高時,傳統鋼結構體系豎向構件截面尺寸逐漸增大,會出現露梁露柱現象。新型鋼結構體系采用壁柱,則豎向構件寬度可以隱藏在建筑墻體內部,不會凸出墻外。鋼支撐對建筑外觀影響很大,需要進行包裹覆蓋。而延性墻板墻的布置則很靈活,不會影響建筑功能的實現。

5 結論

(1)對小高層的裝配式鋼結構建筑住宅,建議采用鋼框架結構,其側向剛度能夠滿足層間位移角的需要,而且不用顯著增加結構構件截面尺寸,經濟性較好。

(2)對高層裝配式鋼結構住宅,可采用框架-支撐結構或框架-延性墻板結構,支撐與延性墻板都能顯著提高結構的抗側剛度。但對于高水平力地區(qū),建議采用框架-延性墻板結構,剛度更大,結構經濟性合理。而且延性墻板布置靈活,對建筑外觀影響小。

(3)新型鋼結構體系與傳統鋼結構體系相比較,其建筑功能性明顯好于傳統鋼結構體系,解決了露梁露柱現象,應為優(yōu)選的結構體系。