浅析小高层钢结构住宅的结构体系

　　摘要：我国现在的城市化发展速度越来越快，而且经过调查之后预计今年可能城市化达 45%，到时将有 6.3 亿的城市人口，而这些都将对住房的有更大需求。这使得一方面各城市及周边地区的土地资源更加稀缺，另一方面，人民群众也在逐步提高住房质量与舒适度。从目前的住房消费情况看，要想解决在比较少的土地上建造高品质、高质量的住房这一矛盾，毫无疑问小高层钢结构住宅是首选。

　　关键词：小高层,钢结构住宅,结构体系

　　1.框架结构体系

　　高层建筑钢结构常用的一种形式就是纯框架结构体系，它是一种无支撑框架体系，是由柱和梁通过刚性或半刚性节点连接组成的。它的优点是：没有柱间支撑，可以采用较大的柱距从而获得较大的使用空间;灵活的布置建筑平面;结构体系简单;刚度均匀;具有良好的延性和较强的耗能能力等。把框架结构应用于多层或低层建筑而言是一种经济合理的作法，并且这种框架结构的应用也非常广泛。然而纯框架的结构体系其刚度比较小，如果建的太高的话，框架结构会因其刚度相对较小，对其施加水平荷载时，结构会产生超过限值的侧向位移。因此由于纯钢框架结构体系抗侧力刚度较小，因而建筑高度受到了限制。

　　由于梁与柱的连接形式不同，钢框架结构可划分为半刚接框架和刚接框架。而梁柱的连接根据钢框架结构的受力变形特征，又可划分为以下三类：(1)刚性连接：梁柱间无相对转动，连接能承受弯矩;(2)铰支连接：梁柱间有相对转动，连接不能承受弯矩;(3)半刚性连接：梁柱间有相对转动，连接能承受一定弯矩。

　　梁柱连接处会在梁端弯矩作用下产生一定的变形，这表现为梁柱之间的相对转动，由于梁柱连接弯矩-转角的定量关系不能预先准确地确定，所以目前还是很少采用半刚性连接框架或按半刚性连接框架进行设计。实际中，一般梁柱连接的梁翼缘部位采取刚接，而其他刚度不大的当作铰接。梁柱连接按不论按刚接或铰接，当进行框架计算与设计时，其构造应尽量符合刚接或铰接的假定，以便使结构内力分析准确，设计安全。

　　2.钢结构框架——支撑结构体系

　　框架支撑体系是由框架体系演变而来的一种理想的抗侧力体系，也就是在框架体系中的某跨或某几跨间沿框架竖向设置支撑，从而框架梁、柱和支撑斜杆一起构成一种支撑桁架来与钢框架共同承担侧向荷载。多层及中高层的建筑，由于侧向作用力的增大会使梁柱等构件尺寸也相对较大，所以会失去其经济合理性，这时可以在框架体系的部分框架柱之间设置支撑，从而形成框架支撑体系。支撑结构体系是一种形成双重抗侧力结构体系，它是通过刚性楼板或弹性楼板的变形协调与刚接框架共同工作的。施加水平荷载会引发支撑产生轴向变形，还会引发框架梁、柱的弯曲变形，如果变形能够调合的话，支撑能承担所有的水平荷载，框架则几乎不承担力，支撑体系一旦破坏，框架才承担水平荷载，因而在中等以上强度地震作用下框架支撑体系具有良好的抗震性能，所以框架支撑体系成为高层结构中应用最多的体系之一。

　　框架在水平力作用下的受力性能因为设置钢支撑斜杆而有所改变。钢支撑框架形成竖向桁架，所有杆件在水平力作用下承受轴力，而杆件的轴向拉伸及压缩是引起钢支撑框架侧移的主要原因，其侧移曲线的形状呈弯曲型，即层间位移由下而上逐层增大。与杆件的弯曲刚度相比，杆件的轴向刚度大得多，因此，钢支撑框架的侧向刚度比框架大得多。钢结构框架支撑形式有两类：中心支撑框架和偏心支撑框架。

　　3.筒体体系

　　3.1框筒结构

　　由密排柱和跨高比比较小的窗群梁连接，形成密柱深梁的框架，这种方式构成框筒结构。框筒一般布置在建筑的外围，在水平力作用下形成空间受力结构，除了腹板框架抵抗部分倾覆力矩外，翼缘框架柱承受拉、压力，可以抵抗水平荷载产生的部分倾覆力矩。框筒结构具有很大的抗侧移和抗扭刚度，又可以增大内部空间的使用灵活性，对于高层建筑，是有效的抗侧力结构体系。框筒也可看成在实腹筒上开了很多小孔洞，但它的受力比一个实腹筒要复杂得多。框筒结构的梁主要为剪切变形，或为剪弯变形，有较大的刚度;而框筒结构的柱产生的主要是与结构整体弯曲相适应的轴向变形，也就是可视为轴力构件。

　　由于框筒结构存在剪切变形，使得框筒柱的轴力分布与实腹筒不完全一致，而出现“剪力滞后”现象，“剪力滞后”使翼缘框架各柱受力不均匀，中部柱子的轴向应力减少，角柱轴向应力增大，腹板框架与一般平面框架相似，各柱轴力也不是直线分布。一般框筒结构的柱距越大，剪力滞后效应越大。所以，如何减少翼缘框架“剪力滞后”的影响成为设计框筒结构时的主要问题。

　　3.2束筒结构

　　单独采用框筒为抗侧体系的高层建筑结构较少，因为框筒的剪力滞后效应的影响会减弱筒体的整体抗弯性能，从而大大降低筒体的抗侧性能。所以，把大的框筒结构划分为一些小框筒，可以很明显的减小剪力滞后效应，而结构的整体抗震性能也会因此增大，这一个个小框筒就组成看束筒。

　　3.3筒中筒结构

　　用框筒作为外筒，将楼(电)梯间、管道竖井等服务设施集中在建筑平面的中心做成内筒，就成为了筒中筒结构。对于钢结构的筒中筒结构，外筒用框筒，内筒为一般采用钢框筒或钢支撑框架。这种框筒与实腹筒组成的筒中筒结构不仅增大了结构的抗侧刚度，还带来了协同工作的优点，成为双重抗侧力体系。实腹筒是以弯曲变形为主的，框筒以剪切型变形为主，二者通过楼板协同工作抵抗水平荷载。与框-剪结构协同工作类似，框筒与实腹筒的协同工作可使层间变形更加均匀;框筒上部、下部内力也趋于均匀;框筒以承受倾覆力矩为主，内筒则承受部分剪力，内筒下部承受的剪力很大;由于框筒布置在建筑周边，它使结构的抗扭刚度增大;此外，设置内筒减小了楼板跨度。因此，筒中筒结构时一种适用于超高层建筑的较好的体系。但是它也有缺点，密柱深梁常使建筑外形呆板，窗口小，影响采光与视野。

　　4.巨型结构体系

　　巨型结构也叫做主次框架结构，主框架为巨型框架，次框架为普通框架。其优点为：在主体巨型结构的平面布置和沿高度布置均为规则的前提下，建筑布置和建筑空间在不同楼层可以有所变化，形成不同的建筑平面和空间。

　　参考文献：

　　[1]丰定国，王社良.抗震结构设计[M].武汉理工大学出版社，2003：27.

　　[2]彭俊生，罗永坤，彭地.结构动力学、抗震计算[M].西南交大出版社，2006：206.

　　[3]龚思礼.建筑抗震设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2002：11.

　　[4]陈富生.高层建筑钢结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2000：20.

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文章名称： 浅析小高层钢结构住宅的结构体系

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