1、1钢结构住宅体系及性能研究摘要: 针对钢结构住宅框架结构进行有限元建模，并在大型通用有限元分析软件 ANSYS 下运用 APDL 语言进行编程计算，分析了框架体系在不同梁柱截面、跨距、层高等因素下的性能表现，对于钢结构住宅的设计起到一定的借鉴作用。 关键词: 钢结构住宅体系性能研究 中图分类号： TU391 文献标识码： A 钢结构住宅在我国是一种新的住宅建筑形式，具有施工简便、工期短、投资回报快、结构抗震性能好等优点，很好地符合了我国住宅产业化的发展方向，有着巨大的发展潜力。我们针对钢结构住宅框架结构的综合性能进行了初步探讨，并分析比较了几种不同结构形式的优缺点，以期对工程实际有所裨益。 一
2、、结构性能研究 钢结构住宅可采用的结构形式包括框架结构、框支结构、框架核心筒体系、轻钢龙骨结构以及交错桁架体系等。其中框架结构传力明确、构造简单，在多层、小高层或高层中均可采用，是最基本的结构体系。我们从多层及小高层两个方面对钢结构框架体系进行讨论，通过大量的计算数据分析了梁柱截面变化对结构侧移的影响效果，以及结构最大侧移、层高、跨距与单位耗钢量之间的变化关系。在我国，钢结构住宅的主流及以后的发展方向是多层及小高层住宅，一般都属于平面板式结构，2其长、宽及高度都符合一定的范围。根据这些建筑特点，我们首先确定多层及小高层结构的长度、宽度及楼高，其中多层结构长 40 m，宽 12 m，楼高取 22
3、 m，而小高层的长度为 48 m，宽度 14.4 m，楼高 36 m。在此基础上通过改变层数和长度方向的跨数来实现结构跨距、层高的变化。同时在各种跨距、层高情况下又配合有梁柱截面的变化，共有 1 万余种组合。整个计算分析过程采用 ANSYS-APDL 语言编程完成，梁、柱用单元Beam188 进行模拟，可设置截面，楼板用 She1163 单元模拟。计算中考虑结构自重、楼面荷载及水平方向静荷载，其中水平荷载仅考虑横向，通过在结构各单元上施加水平加速度 a =0.52 m/s2 来模拟实现。 1)、梁柱截面对结构侧移的影响效果。 我们在各种层高、跨距情况下分别连续变化梁柱截面的大小，然后计算出结构
4、顶点位移也即结构最大侧移量。以此来考察梁柱截面对结构侧移的影响，并分析结构层高或跨距的变化对这种影响效果带来的改变。发现在多层及小高层结构中，梁、柱截面越大，跨距越小。而层高在一定范围变化时这种影响效果并没有大的波动，不占主要因素见图 1： 图 1 侧移梁柱截面曲线、层高 3m、跨距 4 m 2)、侧移与单位耗钢量之间的关系 随着梁柱截面的增大，结构侧移必然减小，同时用钢量也增大。为了研究侧移与用钢量之间的变化关系，我们绘制出多层及小高层结构的侧移一单位耗钢量曲线见图 2： 3图 2 最大侧移、单位耗钢量曲线、多层、层高 3.3 m 通过对各种层高、跨距情况下侧移一单位耗钢量曲线的分析比较，可
5、得知无论是多层或小高层结构，侧移随单位耗钢量的增大面减小，当跨距较大时变化较为迅速，但当单位耗钢量达到 85kg/m2 后，曲线趋于水平，此时再一味增大梁柱截面并不能有效地控制侧移。同时，层高的变化对侧移与单位耗钢量之间的关系影响不大。 3)、跨距、层高与单位耗钢量的关系 当梁柱截面偏小时，很可能引起结构的内力超限，造成构件破坏或失稳，同时也会导致结构变形过大，影响使用：如果截面偏大的话，结构自重增加，耗钢量增大，也造成不必要的浪费。我们在各种跨距、层高情况下选取最为合理的梁柱截面，选取的原则为保证结构的各项内力均满足要求，同时控制最大层间位移，避免截面过大，造成浪费。将这一合理的梁柱截面所对
6、应的单位耗钢量与结构的跨距、层高联系起来，绘制出跨距一单位耗钢量曲线及层高一单位耗钢量曲线。 图 3 跨距、单位耗钢量曲线、多层 由图 3 及图 4 可看到，单位耗钢量随跨距的增大面减小，当跨距达到 5m 以后减小速度渐趋缓慢，到 12m 或 13m 左右时耗钢量达到最小，此后耗钢量开始随跨距的增大面上升。因此我们认为钢结构住宅建筑的跨距应控制在 5m-12 m。 图 4 跨距、单位耗钢量曲线、小高层 4图 5 为层高单位耗钢量曲线，可看出层高越大单位耗钢量越大，当跨距较大时并不明显，面当跨距小于 4 m 时，变化逐渐显著起来。因此当跨距较大时，层高在一定范围内的改变对单位耗钢量不会带来大的影
7、响。 图 5 层高、单位耗钢量曲线 二、举例分析 前面研究并了解了钢结构住宅框架结构的综合性能。在实际工程中特别是抗震烈度较高的地区，为控制结构在地震作用下的位移，提高抗震性能，会在框架结构的基础上设置抗侧力支撑或核心筒体等。因此，我们拟对多层及小高层钢结构住宅的框架、框支、框筒结构等进行算例分析，以比较各自的优缺点。 对于小高层钢结构住宅，我们对框架、框支、框筒三种方案进行了比较。整个计算采用 PKPM 系列 STS + SATWE 完成，考虑风荷载和地震荷载，基本风压 0. 35 kg/m2，抗震设防烈度 8 度，柱采用焊接箱形柱，梁为 H 型钢，支撑则用小 114 x4 的圆钢管。计算中
8、楼板假定为刚性楼板，框架节点为刚接，框架梁与核心筒连接为铰接，柱脚刚接。最后的计算结果如表 1 所示： 从表 1 结果中可以看出，方案一的钢框架结构自重轻，周期长，地震作用小，但刚度较小，因面在水平荷载作用下的位移较大，最大层间位移角为 1/378。而钢结构住宅的外墙及内隔墙普遍采用轻质材料，强度5低，变形能力差，过大的结构变形很容易使其开裂。面框架支撑结构由于支撑的设置，横向的抗侧移刚度有了较大的提高，面用钢量只增加了1.43%，结构的自振周期从 2.339s 减小到 1. 662 s，同时地震力增加了约 50%。总的来看，应为钢框架支撑结构，仍然具有自重轻，延性好等特点，同时又保证了足够的
9、侧向刚度。方案三的框筒结构侧向刚度很大，但同时自重增大了 23.5%，且由于刚度的增加，周期明显减小，结构承受的地震力达到前两方案的两倍左右。 所以，综合经济性、施工方便性、抗侧性能等多个方面来看，在高抗震烈度地区的小高层钢结构住宅中，采用框架支撑体系，具备抗侧刚度较大，施工简便，用钢量少，经济合理等优点。相比于其他结构形式更为适宜。另外，通过对多层钢结构住宅的体系举例比较，我们认为在多层钢结构住宅中，由于建筑高度较低，钢框架结构在保证强度要求的同时能够提供足够的抗侧刚度，因此最为适宜。 总之，通过以上的分析研究，我们发现钢结构住宅中，在框架结构的性能表现方面多层与小高层基本相同或相似。当钢结
10、构住宅的跨距较大时，改变梁柱截面更能有效地控制侧移。当单位耗钢量达到 85 kg/m2，再一味增大梁柱截面并不能有效地控制侧移。我们认为钢结构住宅建筑的跨距应控制在 5m-12m，此时层高在一定范围内的改变对单位耗钢量不会带来大的影响。在小高层钢结构住宅中采用钢框架支撑体系最为适宜，而多层住宅应尽量采用框架结构。在我国，传统的住宅建筑一般都是采用小跨距、小空间的结构形式，这主要是由砖混结构、钢筋混凝土结构等的结构性能以及当时的住房条件所决定的。参照以上结论，6我们认为钢结构住宅采用大跨距、大空间的结构形式更为适宜。这样既能够充分发挥钢结构的性能优势，又能够实现室内无柱、户内无柱，很好地满足了住户对室内空间自由分配的需求。 参考文献: 1.李树杰.浅析小高层钢结构住宅体系及性能研究.J.城市建设理论研究.2012. 2.余永富.钢结构住宅体系综述.J.山西建筑.2012.
