浅谈多层钢结构体系的计算及分析.doc

1、浅谈多层钢结构体系的计算及分析摘 要由于钢结构住宅具有较高的科技含量，建筑安装造价也相应高于其它类住宅。但考虑住房率、土地使用效率等因素；钢结构住宅是值得推广的新型住宅建筑体系。本文通过对目前多层钢结构住宅采用何种结构体系进行了有益的研究和探索，研究成果对于推动钢结构住宅的发展和完善具有一定的指导意义和参考价值。本文地震设防烈度 7 度，地震加速度为 0.1 的类场地。 关键词多高层钢结构住宅 结构体系设计分析 地震烈度 中图分类号：TU323-1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）34-0167-03 1、钢结构体系分析方法概述15 国内外学者对钢结构的计算理论进行了大

2、量分析，提出一些行之有效的计算方法。我国编制的钢结构设计规范中，对钢框架结构的设计计算给出了计算公式，但该公式主要基于材料处于弹性范围内，计算结果偏于保守。对材料进入塑形范围内的破坏，许多学者也进行了分析，并提出了计算方法，如塑性区法和塑性铰法。一般来说，分析框架结构应该考虑以下几种因素： 1.几何非线性： 2.材料非线性：材料的弹塑性性能； 3.几何缺陷：初弯曲、初偏心、初倾斜； 4.材质缺陷：冶金缺陷、残余应力。 本文在分析计算时遵循我国钢结构设计规范（GB50017-2014）中的荷载效应分析方法以及设计方法，当框架在进行极限状态下的弹塑性分析时采用考虑几何非线性的塑性铰法。本文主要采用

3、结构设计软件PKPM611进行研究分析。 2、建立结构模型 2.1 结构概况 层数：（多层）地下 1 层，地上 6 层，出屋面楼梯间 1 层；层高：地下 3.6m，地上层高均为 2.9m，出屋面 4.1m；室内外高差：0.45m；混凝土环境类别：外墙、基础、雨蓬、卫生间楼板为二 a 类，其余混凝土环境为一类；楼板：现浇混凝土平板，预应力槽形叠合板，楼面预留70mm 建筑做法，轻骨料混凝土填充；主体结构材料：钢材：Q235；混凝土强度等级：钢管混凝土柱 C40，其他 C30；钢筋：HPB300 级、HRB400级；基础采用钢筋混凝土桩基础；填充墙：外墙、分户墙、楼梯间墙200mm 厚加气混凝土砌

4、块。 本文主要进行 7 度抗震设防区设计基本加速度值为 0.10g 设计地震分组为第二组地震作用下的设计分析，场地土特征周期值选取 0.40s。 2.2 结构方案 本文分析三种常用结构，分别是纯钢框架结构、钢框架-支撑结构、钢框架-混凝土筒体结构。 每一种结构采用三种布置方案，方案一选用方钢管柱；方案二选用采用 H 型钢柱； 方案三选用圆钢管混凝土柱。 3、计算结果分析 3.1 纯框架结构 纯框架结构的主要构件用钢量如表 1 所示。 主要计算结果： 1.自振周期 通过计算可得三种方案的前 3 阶自振周期如表 2-4 所示：2.构件的安全性能 结构在各个荷载组合作用下的最大应力比如表 5 所示：

5、 3.变形 结构在风荷载和地震作用下的侧移如表 6 所示； 由表可知，结构侧移满足规范的要求，仍有一定量的富余。 3.2 钢框架-支撑结构体系 钢框架-支撑结构体系的主要构件用钢量如表 7 所示。 主要计算结果： 1.自振周期 通过计算可得三种方案的前 3 阶自振周期如表 8-10 所示： 2.构件安全性能 结构在各个荷载组合作用下的最大应力比如表 11 所示： 3.变形 结构在风荷载和地震作用下的侧移如表 12 所示； 由表可知，结构侧移满足规范规定的限制。 3.3 钢框架-钢筋混凝土筒体体系 钢框架-钢筋混凝土筒体体系的主要构件用钢量如表 13 所示。 主要计算结果： 1.自振周期 通过计

6、算可得三种方案的前 3 阶自振周期如表 14-16 所示： 2.构件安全性能 结构在各个荷载组合作用下的最大应力比如表 17 所示： 钢框架-钢筋混凝土筒体结构体系在风荷载以及多遇地震作用下的安全性能和抗侧移能力都大大高于限值要求。经过计算钢框架部分的横向抗侧刚度只有筒体的 1.07%；纵向上只有 3.96%，没能有效的参与工作，所以承载力只能作为二阶段抗震的储备。多遇地震作用组合下，底层转角部位剪力墙段的竖向钢筋和抗剪钢筋配筋率达到了 2.1%、2.7%。 3.结构变形 结构在风荷载和地震作用下的侧移如表 18 所示： 4 结论 本文结合具体建筑方案对 7 度区（0.10）类场地下几种常用钢

7、结构进行了分析与对比，从计算结果分析可得出以下结论： 4.1 安全性能 常用结构体系的三种方案均能满足安全性能的要求。纯框架结构构件的应力比较小，富余过大，并不太合理。钢框架-混凝土筒体结构、钢框架-支撑结构两种结构的构件应力比都比较大，构件的承载力能够充分发挥。 4.2 抗侧移性能 常用结构体系的三种方案的位移角、侧移性能进行对比分析：纯框架结构结构比较差，钢框架-支撑结构胜之，钢框架-混凝土筒体结构最优。后两者的侧移不仅满足了规范规定的限值，而且满足了住宅精装修的要求。 4.3 抗震延性 从自振周期可以看出，结构纵向刚度比横向刚度大，原因是纵向构件比横向构件多。因此可以在横向增加支撑减少两

8、个方向的刚度差，从而减小结构的扭转，增加结构的抗震性能。 纯钢框架结构可以充分发挥钢材的延性，但由于结构形式单一，抗震性能不如其它两种结构。钢框架-支撑结构可以充分发挥材料的塑形性能，结构的抗震性能较好，而且经济合理。钢框架-混凝土筒体结构的抗震性能最好，但不能充分发挥材料的力学性能。 4.4 用钢量 通过分析，三种常用的结构体系中方案 3 是最优的。在进行结构方案选用的时候，可以首先选用方案 2 和方案 3，经济上方案 3 是最优。在对经济性要求不是很苛刻时，可以考虑方案 1。 综上所述：圆钢管混凝土柱的力学性能要强于方钢管柱和 H 型钢柱，在 7 度区，用钢量比后两者少了 4.1%。总体上

9、，三种常用结构体系中的三种方案都是有较好的实用性，具体选择那种结构体系及方案，则需要根据具体的工程要求。 参考文献 1 中华人民共和国国家标准.钢结构设计规范（GB50017-2014）.北京：中国计划出版社 2 郑添，王恒华.多高层钢结构住宅结构体系的优选研究J.东南大学硕士学位论文，2005 年 3 月 3 陈骥.钢结构稳定理论与设计M.北京：科学出版社.2003 4 Chen， W.F and Toma，S.Eds， Adwanced Analysis of Steel Frames J， Journal of Constructional Steel Research 5 White，

10、D.W. Plastic Hinge Methods for Advanced Analysis of Steel FramesJ，Journal of Constructional Steel Research 6 崔钦淑，欧新新.PKPM 系列程序在土木工程中的应用M.北京：机械工业出版社，2006 年 10 月 7 李星荣，张守斌.PKPM 结构系列软件应用与设计实例M.北京：机械工业出版社，2007 年 9 月 8 钟志宪.PKPM 设计软件参数定义丛书 S-1M.北京：人民交通出版社，2007 年 10 月 9 钟志宪，常彦斌.PKPM 设计软件参数定义丛书 S-2M.北京：人民交通出版社，2007 年 11 月 10 钟志宪，常彦斌.PKPM 设计软件参数定义丛书 S-3M.北京：人民交通出版社，2008 年 1 月 11 钟志宪.PKPM 设计软件参数定义丛书 S-4M.北京：人民交通出版社，2008 年 2 月