论文部分内容阅读
【摘 要】 本文借助高层钢结构住宅的钢框架-核心筒结构体系这个案例，叙述加强型梁柱节点、钢骨混凝土剪力墙等优化设计，从而增加结构抗震性能的优势。
【关键词】 钢结构住宅；抗震设计；高层建筑；钢骨混凝土核心筒
本工程小区是依靠9幢8户钢结构住宅构成的，每幢建筑地上12层、地下1层、局部13层。地下层1是4.2m的停车场；层1是3.9m高的商铺；层2、12是3.0m高的住宅层；层13是4.5m高的楼、电梯机房，建筑有37.35m高。单幢建筑有17m宽、54.6m长，其建筑面积为8769.2m2，小区总建筑面积为78930m2。
1 结构、节点及构件设计
1.1 结构体系的设计
我国大多数高层钢结构住宅的结构体系均选取钢框架-混凝土核心筒结构，相较于混凝土结构，其具备结构构件尺寸小、抗震性能佳、结构自重轻等优越性，钢框架-核心筒结构既可以比较好的实现住宅的所有功能要求，又能采用钢框架-混凝土核心筒结构，而地下室与底部楼层可以是停车场或大空间的商场。
1.2 立面与结构平面布置
反复优化立面设计与建筑平面方案，尽量在平面上纵向、横向上向柱网尽可能对齐，柱距尺寸相似，结构传力渠道简洁，核心筒对称居中；在立面上钢柱、剪力墙、支撑应连续安设；核心筒的高宽比与建筑结构的高宽比应适量的比规范限值小，从而使得核心筒钢筋配置与构造配置较为接近。
此工程平面布置规则、对称，其核心成对中布局，立面刚度变化均匀，刚度中心与结构质量基本上吻合。为了确保建筑的扭转效应能有效地被控制，在结构设计时应在○1～轴○11、层2～12各搭设一列单斜杆支撑；为了舒缓层1核心筒抗剪承载力不足的难题，层1对应上部斜杆支撑位置应搭设一道250mm厚剪力墙。核心筒的高宽比是4.85，建筑结构的高宽比是2.19。下图1为标准层结构平面图。
1.3 基础设计与地下室
对高层钢结构建筑而言，安设地下室是较为经济实惠的。本工程建设场地的地质条件比较好。为此本工程工程设一层地下室，而基础则采用静压预制管桩。
1.4 主要构件设计
1.4.1 钢管混凝土框架柱
钢框架-混凝土核心筒结构的框架柱应当优先选择钢管混凝土柱，而钢管混凝土柱为混凝土与钢材的完美结合体，外围钢管的约束让混凝土处在三向受压态势，混凝土抗压强度既能得以提升，又能让混凝土的破坏性显现出显著塑性特点，核心混凝土会给外围钢管的局部屈曲，使得钢材的强度得以充分发挥出来；钢管还能与框架柱箍筋、钢筋、混凝土模板等。钢管混凝土柱既避免了构件断面尺寸大、钢骨混凝土柱施工繁杂等劣势，又防止了局部稳定性差劲、纯钢柱总体刚度较低以及材料强度无法大力发挥出来等缺陷。
1.4.2 楼面体系
高层钢结构住宅楼板可选取普通钢筋混凝土楼盖或者压型钢板组合楼盖，其中，压型钢板组合楼盖由于天棚需吊顶以及造价比较高等因素通常用在施工缺少条件安设满堂脚手架或者建设工期紧张等特殊状况。而普通的高层钢结构住宅则应选取普通钢筋混凝土楼盖。
本屋面與工程楼选取的是厚度为100mm、120mm的钢筋混凝土楼板，其依靠抗剪栓钉和钢梁相连组合成楼盖。而地下室顶板则选取的是厚度为180mm的钢筋混凝土楼板。而屋面与楼选取轧制H型钢或者焊接的手段，地下室顶板框架梁则采取钢骨混凝土梁，次梁则选用钢筋混凝土梁。
1.4.3 钢骨混凝土剪力墙
本工程各幢层1～4纵横墙交接地带、核心筒和露面钢梁交接地带、钢筋混凝土核心筒四角均依据结构总体计算安设钢骨混凝土柱。层5～13核心筒和钢梁交接地带或者核心筒四角依据构造安设钢骨混凝土柱，构造安设的钢骨柱不加入到结构整体计算。
1.5 节点设计
1.5.1 柱节点、框架梁
为了防止柱节点、框架梁核心区过多的现场焊缝给节点领域当中的抗震性能造成影响。与此同时，还应当思量钢构件的运输与制作状况，本工程受力比较大的框架梁和框架柱节点选取带悬臂梁段的节点手段，且悬臂梁段长度为梁的两倍多。框架柱的外伸式隔板和未支承次梁的框架梁的翼缘实施现场熔透焊缝连接，柱节点核心区、框架梁与梁翼缘上下500mm区域当中的全部焊缝都选取全熔透对接焊缝手段。
1.5.2 主梁与次梁的节点设计
通常，主、次梁节点都是依靠铰接衔接起来的，而连续次梁和主梁的连接节点则采用的是刚接的手段，主梁翼缘用和次梁翼缘对接焊缝连接，且于次梁上翼缘加盖板传输其拉应力。
1.5.3 柱脚节点
选取外包式柱脚作为钢管混凝土柱的柱脚，而外包钢筋混凝土的高度应与地下室层高度相同。
钢管柱轴压力部分依靠抗剪栓钉传至外包钢筋混凝土处，而局部则经柱脚底板传至基础地面，柱脚弯矩则由外包的钢筋混凝土承担。
2 结构整体计算分析
2.1 选取结构计算参数
纵观钢城花园小区住宅楼结构形式，其选取的是钢框架-混凝土核心筒结构一级混凝土核心筒抗震，可确保在50年内使用无事故发生，其抗震设防烈度是8度，第二组建筑场地属于II类有着0.4s的特征周期，多遇地震影响系数的最高为0.16，而罕遇地震的影响系数则最高达0.9，基本风0.3kN/m2。
2.2 结构计算模型
结构整体分析选取的是SATWE（2008版）计算。
2.3 计算结果剖析
（1）结构计算振型数、y方向的有效质量系数以及x方向的有效质量系数均与规定相符。
（2）综合考虑各种因素，楼层竖向构件的y、x向最大水平位移与层间位移的比值分别是1.04与1.29，符合规定。
（3）不管有没有思量偶然偏心影响的地震作用，风荷载作用下的y向与x向结构最大层间位移均符合规定。
（4）无论是各楼层抗侧力构建的受剪承载力与相邻上部楼层受剪承载力的比重，还是各楼层侧向刚度和相邻上部楼层侧向刚度之间的比值，其均满足规定。
（5）所有楼层的水平剪力系数的最小值均与要求相符。
（6）结构y向刚重比与x向刚重比以及结构稳定性均符合要求。
3 抗震构造手段和结构抗震性能分析
3.1 钢框架-混凝土核心筒结构抗震性能分析
一般来说，钢框架-混凝土核心筒结构有着较好的抗震性能，可达到与我国现行规范相符的抗震设防要求。然而，若是在罕见的地震作用之下，此结构依旧会出现底部剪力墙局部连梁、墙体开裂以及混凝土筒体延性不佳、框架柱、框架梁个别节点凯雷、外围框架二道防线作业不够明显等诸多问题。
3.2 框架柱-混凝土核心筒结构的抗震构造手段
3.2.1 大力提升混凝土核心筒的外延
本工程各幢层1～4纵横墙交接地带、钢筋混凝土筒体和楼面钢梁的交接地带依据多遇地震作用计算安设钢骨混凝土柱，而层5～13的混凝土筒体四角或者钢筋混凝土筒体和钢梁交接地带则依据构造安设钢骨柱。
依据高层钢-混规程，在钢筋混凝土核心筒的暗梁、钢骨混凝土暗梁当中的钢骨以及连梁按构造安设钢骨。其中，钢筋混凝土连梁内的钢骨是依据多遇地震作用进行求算确定下来的，从而开展以钢骨混凝土连梁为核心筒的塑性耗能构建设计工作。
3.2.2 大力提升钢框架的承载力
按JGJ3—2002中11.1.5条规定可知，钢框架-混凝土核心筒结构各层框架柱至少要担负底部总剪力的1/4与框架部分地震剪力最大值的1.8倍之间的较小值。
3.2.3 达到强节点弱杆件、强柱弱梁的目的
强节点弱杆件、强柱弱梁是我国抗震的基本规范，同时也是保证高层建筑抗震性能的前提。为此在设计本工程结构时，应严守高层钢-混规程要求促使高层结构达到抗震要求
4 结语
在八度抗震设防区，钢框架-混凝土核心筒结构高层住宅远比6、7度抗震设防区更繁杂。为此，应当再三对结构平面与立面布置进行优化，仔细搞好节点设计与构件设计工作，一步步地指引并推动钢结构住宅的产业化建设。
【关键词】 钢结构住宅；抗震设计；高层建筑；钢骨混凝土核心筒
本工程小区是依靠9幢8户钢结构住宅构成的，每幢建筑地上12层、地下1层、局部13层。地下层1是4.2m的停车场；层1是3.9m高的商铺；层2、12是3.0m高的住宅层；层13是4.5m高的楼、电梯机房，建筑有37.35m高。单幢建筑有17m宽、54.6m长，其建筑面积为8769.2m2，小区总建筑面积为78930m2。
1 结构、节点及构件设计
1.1 结构体系的设计
我国大多数高层钢结构住宅的结构体系均选取钢框架-混凝土核心筒结构，相较于混凝土结构，其具备结构构件尺寸小、抗震性能佳、结构自重轻等优越性，钢框架-核心筒结构既可以比较好的实现住宅的所有功能要求，又能采用钢框架-混凝土核心筒结构，而地下室与底部楼层可以是停车场或大空间的商场。
1.2 立面与结构平面布置
反复优化立面设计与建筑平面方案，尽量在平面上纵向、横向上向柱网尽可能对齐，柱距尺寸相似，结构传力渠道简洁，核心筒对称居中；在立面上钢柱、剪力墙、支撑应连续安设；核心筒的高宽比与建筑结构的高宽比应适量的比规范限值小，从而使得核心筒钢筋配置与构造配置较为接近。
此工程平面布置规则、对称，其核心成对中布局，立面刚度变化均匀，刚度中心与结构质量基本上吻合。为了确保建筑的扭转效应能有效地被控制，在结构设计时应在○1～轴○11、层2～12各搭设一列单斜杆支撑；为了舒缓层1核心筒抗剪承载力不足的难题，层1对应上部斜杆支撑位置应搭设一道250mm厚剪力墙。核心筒的高宽比是4.85，建筑结构的高宽比是2.19。下图1为标准层结构平面图。
1.3 基础设计与地下室
对高层钢结构建筑而言，安设地下室是较为经济实惠的。本工程建设场地的地质条件比较好。为此本工程工程设一层地下室，而基础则采用静压预制管桩。
1.4 主要构件设计
1.4.1 钢管混凝土框架柱
钢框架-混凝土核心筒结构的框架柱应当优先选择钢管混凝土柱，而钢管混凝土柱为混凝土与钢材的完美结合体，外围钢管的约束让混凝土处在三向受压态势，混凝土抗压强度既能得以提升，又能让混凝土的破坏性显现出显著塑性特点，核心混凝土会给外围钢管的局部屈曲，使得钢材的强度得以充分发挥出来；钢管还能与框架柱箍筋、钢筋、混凝土模板等。钢管混凝土柱既避免了构件断面尺寸大、钢骨混凝土柱施工繁杂等劣势，又防止了局部稳定性差劲、纯钢柱总体刚度较低以及材料强度无法大力发挥出来等缺陷。
1.4.2 楼面体系
高层钢结构住宅楼板可选取普通钢筋混凝土楼盖或者压型钢板组合楼盖，其中，压型钢板组合楼盖由于天棚需吊顶以及造价比较高等因素通常用在施工缺少条件安设满堂脚手架或者建设工期紧张等特殊状况。而普通的高层钢结构住宅则应选取普通钢筋混凝土楼盖。
本屋面與工程楼选取的是厚度为100mm、120mm的钢筋混凝土楼板，其依靠抗剪栓钉和钢梁相连组合成楼盖。而地下室顶板则选取的是厚度为180mm的钢筋混凝土楼板。而屋面与楼选取轧制H型钢或者焊接的手段，地下室顶板框架梁则采取钢骨混凝土梁，次梁则选用钢筋混凝土梁。
1.4.3 钢骨混凝土剪力墙
本工程各幢层1～4纵横墙交接地带、核心筒和露面钢梁交接地带、钢筋混凝土核心筒四角均依据结构总体计算安设钢骨混凝土柱。层5～13核心筒和钢梁交接地带或者核心筒四角依据构造安设钢骨混凝土柱，构造安设的钢骨柱不加入到结构整体计算。
1.5 节点设计
1.5.1 柱节点、框架梁
为了防止柱节点、框架梁核心区过多的现场焊缝给节点领域当中的抗震性能造成影响。与此同时，还应当思量钢构件的运输与制作状况，本工程受力比较大的框架梁和框架柱节点选取带悬臂梁段的节点手段，且悬臂梁段长度为梁的两倍多。框架柱的外伸式隔板和未支承次梁的框架梁的翼缘实施现场熔透焊缝连接，柱节点核心区、框架梁与梁翼缘上下500mm区域当中的全部焊缝都选取全熔透对接焊缝手段。
1.5.2 主梁与次梁的节点设计
通常，主、次梁节点都是依靠铰接衔接起来的，而连续次梁和主梁的连接节点则采用的是刚接的手段，主梁翼缘用和次梁翼缘对接焊缝连接，且于次梁上翼缘加盖板传输其拉应力。
1.5.3 柱脚节点
选取外包式柱脚作为钢管混凝土柱的柱脚，而外包钢筋混凝土的高度应与地下室层高度相同。
钢管柱轴压力部分依靠抗剪栓钉传至外包钢筋混凝土处，而局部则经柱脚底板传至基础地面，柱脚弯矩则由外包的钢筋混凝土承担。
2 结构整体计算分析
2.1 选取结构计算参数
纵观钢城花园小区住宅楼结构形式，其选取的是钢框架-混凝土核心筒结构一级混凝土核心筒抗震，可确保在50年内使用无事故发生，其抗震设防烈度是8度，第二组建筑场地属于II类有着0.4s的特征周期，多遇地震影响系数的最高为0.16，而罕遇地震的影响系数则最高达0.9，基本风0.3kN/m2。
2.2 结构计算模型
结构整体分析选取的是SATWE（2008版）计算。
2.3 计算结果剖析
（1）结构计算振型数、y方向的有效质量系数以及x方向的有效质量系数均与规定相符。
（2）综合考虑各种因素，楼层竖向构件的y、x向最大水平位移与层间位移的比值分别是1.04与1.29，符合规定。
（3）不管有没有思量偶然偏心影响的地震作用，风荷载作用下的y向与x向结构最大层间位移均符合规定。
（4）无论是各楼层抗侧力构建的受剪承载力与相邻上部楼层受剪承载力的比重，还是各楼层侧向刚度和相邻上部楼层侧向刚度之间的比值，其均满足规定。
（5）所有楼层的水平剪力系数的最小值均与要求相符。
（6）结构y向刚重比与x向刚重比以及结构稳定性均符合要求。
3 抗震构造手段和结构抗震性能分析
3.1 钢框架-混凝土核心筒结构抗震性能分析
一般来说，钢框架-混凝土核心筒结构有着较好的抗震性能，可达到与我国现行规范相符的抗震设防要求。然而，若是在罕见的地震作用之下，此结构依旧会出现底部剪力墙局部连梁、墙体开裂以及混凝土筒体延性不佳、框架柱、框架梁个别节点凯雷、外围框架二道防线作业不够明显等诸多问题。
3.2 框架柱-混凝土核心筒结构的抗震构造手段
3.2.1 大力提升混凝土核心筒的外延
本工程各幢层1～4纵横墙交接地带、钢筋混凝土筒体和楼面钢梁的交接地带依据多遇地震作用计算安设钢骨混凝土柱，而层5～13的混凝土筒体四角或者钢筋混凝土筒体和钢梁交接地带则依据构造安设钢骨柱。
依据高层钢-混规程，在钢筋混凝土核心筒的暗梁、钢骨混凝土暗梁当中的钢骨以及连梁按构造安设钢骨。其中，钢筋混凝土连梁内的钢骨是依据多遇地震作用进行求算确定下来的，从而开展以钢骨混凝土连梁为核心筒的塑性耗能构建设计工作。
3.2.2 大力提升钢框架的承载力
按JGJ3—2002中11.1.5条规定可知，钢框架-混凝土核心筒结构各层框架柱至少要担负底部总剪力的1/4与框架部分地震剪力最大值的1.8倍之间的较小值。
3.2.3 达到强节点弱杆件、强柱弱梁的目的
强节点弱杆件、强柱弱梁是我国抗震的基本规范，同时也是保证高层建筑抗震性能的前提。为此在设计本工程结构时，应严守高层钢-混规程要求促使高层结构达到抗震要求
4 结语
在八度抗震设防区，钢框架-混凝土核心筒结构高层住宅远比6、7度抗震设防区更繁杂。为此，应当再三对结构平面与立面布置进行优化，仔细搞好节点设计与构件设计工作，一步步地指引并推动钢结构住宅的产业化建设。