不同類型高層鋼筋結構的優(yōu)缺點

./高層鋼結構各種類型的優(yōu)缺點分析前言隨著我國在大中城市住宅建筑中禁止使用黏土磚,且混凝土結構施工復雜周期長。鋼結構受到了工程界的青睞,已成為較有競爭力的民用建筑結構體系之一。與傳統(tǒng)的住宅建筑結構體系相比,鋼結構不僅具有環(huán)保、節(jié)能、產(chǎn)業(yè)化等特征,而且還具有強度高、自重輕、節(jié)約能源、抗震性能好等優(yōu)點。國家建筑鋼結構產(chǎn)業(yè)"十二五"計劃和2020年發(fā)展綱要<草案>提出,"十二五"期間應以多高層鋼結構房屋為突破點。1.純框架結構體系純框架結構是指沿房屋的縱、橫兩個方向均由框架作為承重和抵抗水平抗側力的主要構件所組成的結構體系?？蚣芙Y構可以分為半剛接框架和全剛接框架兩種,框架結構的梁柱宜采用剛性連接。與其他的結構體系相比,框架結構體系可以使建筑的使用空間增大,適用于多類型使用功能的建筑。其結構各部分的剛度比較均勻,構件易于標準化和定型化,構造簡單,易于施工,常用于不超過30層的高層建筑。但該結構體系的彈性剛度較差且屬于單一抗側力體系,抗震能力較弱。圖1純鋼框架結構三維模型圖1.1組成及其特點典型的框架體系多層輕鋼住宅由基礎、H型或箱形框架梁柱、節(jié)點、輕質墻體、屋面板、樓層次梁、壓型鋼板樓蓋等組成,常見柱距為5m~8m。具有下列優(yōu)勢:〔1它是一種延性體系;〔2在建筑設計和平面布置上具有很大的靈活性;〔3各部分剛度比較均勻,構造簡單,易于施工;〔4自重周期較長,自重輕,對地震作用不敏感。1.2設計原則及注意問題1>強柱弱梁的設計原則。這個設計原則是為了保證結構在最終破壞的時候具有較好的延性及耗能效果,保證結構的安全性,使塑性鉸出現(xiàn)在梁端而不是發(fā)生在柱端。2>框架節(jié)點域的驗算。節(jié)點域是鋼結構框架體系的關鍵,其強度及剛度都要根據(jù)規(guī)要求進行保證。主要是通過驗算保證腹板厚度,防止在非線性剪切變形下發(fā)生局部失穩(wěn)。同時對柱設置加勁肋保證其翼緣不發(fā)生失穩(wěn)。3>穩(wěn)定驗算和二階效應。鋼結構構件強度一般都可以滿足,在設計中主要是保證其穩(wěn)定性。鋼框架結構屬于柔性結構,側移變形較大,豎向荷載所產(chǎn)生的二階效應有時就不能忽視,因此當結構的重力附加彎矩大于結構初始彎矩的10%時就應該考慮重力的二階效應。1.3基本結論在多層輕鋼結構住宅的設計中,應注意三個設計原則:柱截面采用箱型截面,可以充分發(fā)揮截面特性;實現(xiàn)大柱網(wǎng)布置,相對較好地控制了用鋼量;合理的柱網(wǎng)尺寸取為6m×8m左右,能夠體現(xiàn)出輕鋼結構住宅部大空間靈活布置的優(yōu)勢,達到建筑使用功能與結構布置較好的統(tǒng)一。2.框架-支撐結構體系框架-支撐結構體系是指以樓房的框架體系為基礎,沿房屋的縱、橫兩個方向均布置一定數(shù)量的豎向支撐所組成的結構體系。其結構體系如圖2所示。圖2框架-支撐結構體系2.1框架———支撐結構的具體原理框架———支撐結構體系是在框架體系中部分框架柱之間設置豎向支撐,形成支撐框架,屬于雙重抗側力結構體系,支撐框架是第一道防線,框架是第二道防線,支撐框架中的豎向支撐產(chǎn)生屈曲或破壞后,由于支撐斜桿一般不承擔豎向荷載,所以不影響結構承擔豎向荷載的能力,不致危及結構的基本安全要求。支撐承受水平力和提供側向剛度,它一方面作為支撐構件可以防止框架柱的失穩(wěn),另一方面它還要承擔風力、地震力等其它水平荷載。在這種體系中,框架的布置原則和柱網(wǎng)尺寸,基本上與框架體系相同,支撐大多數(shù)沿樓面中心部位服務面積的周圍布置,沿縱向布置的支撐和沿橫向布置的支撐相連接,形成一個支撐芯筒。采用由軸向受力桿件形成的豎向支撐來取代由抗彎桿件形成的框架結構,能獲得比純框架結構大的多的抗側力剛度,可以明顯減小建筑物的層間位移。支撐在水平荷載作用下所產(chǎn)生的位移主要是由于其中各桿件的軸向拉伸或壓縮變形引起的,與框架側移是由于桿件彎、剪變形所引起的情況相比較,其量值要小的多,表明豎向支撐的抗推剛度要比框架大的多。支撐側移主要是由水平荷載傾覆力矩作用時支撐整體彎曲產(chǎn)生的,支撐的一側拉伸、一側壓縮,導致樓面傾斜轉動,由下層到上層逐層積累,使支撐側移曲線的層間側移角由下而上逐層增大。采用框架－支撐體系的建筑,框架和支撐由于水平剛度很大的各層樓蓋的聯(lián)系和協(xié)調(diào)不再能自由的單獨變形,兩者的側向變形趨于一致。各層剛性樓蓋協(xié)調(diào)的結果使框架一支撐體系具有一條共同的側移曲線,從而使框架下部和支撐上部的較大層間側移角均得以較大幅度的減小。另外,采用人字支撐等還可以起到減小梁跨度的作用,從而減小梁的截面。支撐要在適當位置設置,以便與建筑設計相協(xié)調(diào)。此結構體系雖然在國外己經(jīng)有較長的應用歷史,技術和規(guī)也很成熟,但是在我國卻是一種新型的結構體系。2.2中心支撐框架結構中心支撐的特征是支撐的每個節(jié)點及各桿件的軸心線交匯于一點,它包括十字交叉支撐、單斜桿支撐、人字形支撐或+形支撐,以及,形支撐等類型。中心支撐具有較大的側向剛度,構造相對簡單,能減小結構的水平位移,改善結構的力分布。但在水平地震荷載作用下,中心支撐容易產(chǎn)生屈曲,造成其受壓承載力和抗側剛度急劇下降,直接影響結構的整體性能,因此,在地震區(qū)應用時應當慎重。圖3中心支撐的常見類型2.3偏心支撐框架結構偏心支撐框架是近年來發(fā)展起來的抗震結構,其支撐斜桿與梁、柱的軸線不是交匯于一點,而是偏心連接,以形成一個先于支撐斜桿屈服的"耗能梁段"。在中小地震時,結構處于彈性階段,在強震時耗能梁段進入塑性,利用梁的塑性變形來吸收能量,而支撐始終保持為彈性。偏心支撐框架較好地解決了中心支撐所存在的強度、剛度和耗能這三種性能不匹配問題,兼有中心支撐框架強度與剛度好以及純框架耗能大的優(yōu)點。圖4所示為常見的幾種偏心支撐的類型和耗能梁段的構成。圖4偏心支撐的常見類型〔1.框架柱；2.支撐；3.耗能梁段；4.框架梁對于偏心支撐來講,耗能梁段的設計最為關鍵,它直接關系到偏心支撐框架整體的承載能力和延性。因此,偏心支撐框架的設計首先應當合理地選擇耗能梁段的幾何尺寸,并對耗能梁段進行細部設計,以保證偏心支撐框架的整體延性水平,然后,進行柱的設計、支撐設計、連接以及加勁肋的設計。設計時必須保證在耗能梁段完全屈服和應變硬化后,其他構件在此荷載作用下仍具有一定的彈性。為確保截面是腹板受剪屈服,耗能梁段最有效的截面通常是①滿足最小受剪面積；②滿足腹板高厚比的要求；③耗能梁段剪力簡化計算滿足翼緣寬厚比的要求。耗能梁段須根據(jù)偏心支撐框架抗剪需要的腹板面積最小來選擇截面。2.4消能支撐框架結構消能支撐框架結構是將框架—支撐結構中的支撐桿設計成消能桿件,以吸收和耗散地震能量來減小結構地震反應的一種新型抗震結構。在風和小地震作用下消能支撐能增加結構的水平剛度,減小結構的側移；在中震和大震下其剛度變小,能減小結構的水平地震作用,同時消耗大量輸入結構的地震能量,使結構的地震反應大大衰減。消能支撐〔如圖5所示可以做成方框支撐、圓框支撐、交叉桿支撐、斜桿支撐、3型支撐以及4型和節(jié)點屈服型支撐等。圖5消能支撐2.5基本結論鋼框架—支撐結構體系作為理想的抗側力體系在多層和中高層鋼結構住宅中占有相當?shù)谋壤?。偏心支撐框架結構采用耗能梁段,兼顧了抗彎框架和中心支撐框架的優(yōu)點,具有極好的耗能能力。而消能支撐框架結構在風荷載和中小地震作用下,具有較強的抗側剛度；在大震作用下,其消能裝置可以有效地耗散地震能量。消能支撐框架結構不僅可以用于新建建筑,還可以用于現(xiàn)有建筑的抗震加固,是一種新穎且經(jīng)濟有效的結構體系。3.鋼框架-剪力墻結構體系在框架結構中設置剪力墻,將框架和剪力墻二者結合起來共同抵抗水平荷載,就組成了框架-剪力墻結構體系。采用該結構體系,建筑的豎向荷載全部由鋼框架承擔,水平荷載引起的水平剪力由鋼框架和墻板共同承擔。圖6水平力作用下的剪力墻受彎型和框架的剪切型該結構體系的結構自重較輕,可以減輕地震的作用力;占用建筑面積小,能增大建筑物的使用空間;墻板具有較強的抗推剛度和受剪承載力,適用于超過40層的高層建筑。但該結構體系在受力初期,由于其剪力墻剛度較高,地震時易產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象,從而導致建筑物出現(xiàn)斜向裂縫。3.1鋼板剪力墻結構鋼板剪力墻結構〔steelplateshearwall,簡稱SPSW由鋼框架及鋼剪力墻板構成,周邊的鋼框架主要承擔豎向荷載和絕大部分傾覆力矩,剪力墻板承擔絕大部分水平荷載,提供較大的抗側剛度,但已有試驗研究發(fā)現(xiàn)剛接節(jié)點仍易發(fā)生斷裂破壞。將半剛性連接引入至鋼板剪力墻結構中,既可避開結構對剛性節(jié)點轉動能力的要求,避免了節(jié)點的脆性斷裂,又降低了節(jié)點造價,方便施工。目前對鋼框架鋼板剪力墻的研究表明：〔１鋼板剪力墻結構的滯回性能具有雙重特征,當周邊鋼框架較強時,其滯回曲線較為飽滿,滯回特征趨于鋼框架結構；當周邊鋼框架較弱時,其滯回曲線較為捏縮,滯回特征趨于填剪力墻板。〔２梁柱連接的抗彎承載力對SPSW結構的滯回特征有顯著影響,無論周邊采用強框架的SPSW結構還是弱框架的SPSW結構,均隨著節(jié)點抗彎承載力的增加,滯回曲線趨于飽滿,耗能能力增強?！玻畴S著節(jié)點抗彎承載力的增加,鋼框架自身的承載能力增大,同時對填剪力墻板的約束效應增強,SPSW結構的水平承載力呈增大趨勢；但對強框架SPSW結構影響程度較大,而對弱框架SPSW結構的影響程度相對較小?！玻垂?jié)點抗彎承載力對強框架SPSW結構的抗側剛度影響較大,而對弱框架SPSW結構的抗側剛度影響相對較小。4.鋼框架-混凝土核心筒結構體系鋼框架-混凝土核心筒結構體系是指由鋼筋混凝土芯筒與外圈的剛接或鉸接鋼框架共同組成的混合結構體系?；炷列就彩墙Y構體系中主要的抗側力豎向構件。當樓面外圈為剛接框架時,芯筒承擔著絕大部分作用于建筑物的水平荷載,一小部分則由鋼框架承擔;當樓面外圈為鉸接框架時,芯筒則承擔建筑物的全部水平荷載。該結構體系在我國的應用極為廣泛,目前新建的高層、超高層建筑幾乎均采用這種結構體系?；炷镣搀w的抗側力效果較好,具有節(jié)約鋼材、降低造價、施工方便等優(yōu)點,但缺點是核心筒與鋼外框架的延性、剛度不匹配,在強震作用下,作為第1道防線的核心筒很容易被破壞,而作為第2道防線的鋼框架基本上也不具有抵抗地震作用的能力。4.1力學性能分析框架一核心筒結構的變形和受力特點與框架一剪力墻結構體系的相似?？蚣芤缓诵耐步Y構具有雙重抗側力能力,是采用剪切型的框架和彎曲型的核心筒兩種不同屬性構件組成的結構體系。兩種構件通過各層樓板的聯(lián)系進行協(xié)同工作,這將顯著減小結構的頂點側移和下部各樓層的最大層間側移。單獨的框架,水平側力作用下的變形曲線屬于剪切型,即層間側移角自上而下逐漸增大,越接近結構頂部,水平位移增長越慢;單獨的核心筒受到平面的水平側力作用時,其變形曲線屬于彎曲型,層間側移是自下而上逐層增大,與框架層間側移角的增長方向相反?？蚣芤缓诵耐步Y構中的框架和核心筒,因受到各層樓蓋的約束,不能像單獨框架和單獨核心筒那樣自由的變形,各層樓蓋因其巨大的水平剛度迫使框架和核心筒的變形協(xié)調(diào)一致,框架和剪力墻聯(lián)合工作時,各根連桿要將這兩種變形協(xié)調(diào)為一種變形,如圖7,在框架一核心筒的上部,框架的側移值較小,剪力墻的側移值大,要是兩者側移值相互靠攏,上部各根連桿產(chǎn)生拉力;在框架一核心筒的下部,框架和剪力墻各自的側移值,正好與上部相反,框架大,剪力墻小,因而框架一核心筒下部各根連桿產(chǎn)生壓力。圖7水平荷載作用下結構的受力情況外周框架和居于中心的筒體發(fā)生協(xié)調(diào)工作以后,從框架的受力角度來說,上部拉桿的拉力與水平荷載方向一致,這樣增大了框架上部的水平剪力;下部連桿的壓力與水平荷載方向相反,又減小了框架下部的水平剪力。按剛度分配的原則,框架所得到的水平荷載產(chǎn)生的水平剪力是上部小,下部大。由于連桿的作用和框架剪力進行疊加,使框架所承受的水平剪力上下分布趨于均勻,框架的梁、柱截面從結構底部到上部可以均勻過度。從框架的受力角度講,上部的連桿的拉力,與水平荷載的方向相反,作用位置比較高,引起的反向彎矩使剪力墻下部的最大彎矩得以較大幅度地減小,因而有利于剪力墻底部截面的配筋量的減小以及裂縫開展的推遲。5.交錯桁架結構體系交錯桁架結構體系是美國麻省理工大學在20世紀60年代發(fā)展起來的一種新型結構體系。該體系主要由柱子、樓板和桁架組成。桁架的高度等于建筑的層高,跨度等于建筑全寬。桁架的兩端支撐在結構外圍的縱列柱子上,不需在結構中間部位設置柱子。在單榀框架上桁架沿高度方向隔層設置,而在相鄰框架上,桁架隔層交錯布置。樓板一端支撐在桁架的上弦,另一端支撐在相鄰桁架的下弦。整體結構如圖所示。其建筑外觀規(guī)整統(tǒng)一,結構受力明確合理,經(jīng)濟性能好,標準化程度高。在國外的研究和應用已經(jīng)比較成熟,被廣泛應用于公寓、教學樓、辦公樓等結構規(guī)整的建筑形體,但在國,交錯桁架結構還是一個較新的課題。圖8交錯桁架體系結構簡圖5.1交錯桁架結構體系的受力特點交錯桁架體系具有合理的傳力途徑,如圖9所示。在交錯桁架體系中水平荷載作用在樓板一側,樓板猶如一剛性隔板將側向荷載傳遞到桁架上弦,剪力由桁架腹桿傳至下一層樓板,由于該柱列的桁架錯層,水平力不能再直接往下傳,必須通過樓板傳到相鄰柱列的桁架上弦,如此層層往下傳遞累積直至基礎。圖9交錯桁架的傳力機理交錯桁架結構體系在豎向荷載作用下,荷載由樓板傳到支撐桁架的上下弦,再傳到外圍的柱子上,柱中的彎矩很小,主要承受軸力。在水平荷載作用下,橫向荷載嚴格地通過桁架和樓板傳遞,在柱中也基本上不出現(xiàn)彎矩。整個結構象一個懸臂梁,所有柱子布置在周邊,其作用如梁的翼緣,而在柱間跨越房屋全寬的桁架起著懸臂梁腹板的作用。各跳層布置的桁架將這些截面很大的外柱剛勁地連接起來,提供了很大的剛度,使得建筑物能抵抗很大的側向荷載。另外,這種結構體系在橫向受風載時,外柱很大的垂直荷載常常足以平衡風荷載引起的柱拔力,且能調(diào)動整個建筑物的重量來抵抗傾覆力矩。5.2交錯桁架結構體系的靜力性能分析錯列桁架在橫向荷載作用時,由于剛性樓板的聯(lián)系作用,相鄰框架間的空間協(xié)同工作將非常顯著。所以平面分析時,不能夠簡單地以單榀框架作為計算模型,而要考慮樓板的組合作用。雖然錯列桁架體系由空間分析轉化到平面分析的難度較大,但是近30年來,為獲得一個可靠的、簡單的、可以代替空間分析的平面分析方法,各國學者為此付出了很大的努力,相繼提出了一些可供平面分析使用的二維分析模型,同時也獲得了一些結論。目前,采用較多的是平面協(xié)同分析模型,見圖10。即將體系中相同形式的各榀框架分別合并在一起,中間用剛性鏈桿連接而成。圖10平面協(xié)同分析模型將簡化模型分析所得結果與有限元分析的結果比較分析后,可以發(fā)現(xiàn)交錯桁架結構有以下靜力特性：1>柱子主要承受軸力,彎矩很小;2>結構整體變形呈彎曲形;3>結構各層中桁架側移剛度很大,柱子及豎向腹桿側移剛度很小;4>柱中分配的剪力較小,水平荷載主要由桁架承受,桁架承受的剪力通過斜腹桿傳到兩側的柱子上,使柱子承受較大的軸力;5>兩榀桁架間依靠樓板傳遞剪力,樓板所受剪力從上至下逐漸增大;6>桁架層空腹節(jié)間及相鄰節(jié)間中弦桿的彎矩較大,其他各節(jié)間中弦桿的彎矩較小6.結語6.1鋼結構建筑體系的優(yōu)點6.1.1優(yōu)越的環(huán)保性能<1>鋼結構的施工方式為干式施工,避免了濕式施工所造成的環(huán)境污染。此外,鋼結構材料可以夜間運送,可緩解在建建筑周圍地區(qū)的交通壓力。<2>混凝土結構建筑拆除后,混凝土只能作為廢料處理。而鋼結構建筑拆除后,鋼構件仍可以直接利用或冶煉后利用,對環(huán)境的污染很小。6.1.2優(yōu)越的結構性能<1>在梁高相等的情況下,鋼結構建筑的開間為混凝土結構建筑開間的1.5倍。<2>由于鋼結構的延性比混凝土結構的延性好,因而鋼結構比鋼筋混凝土結構的抗震性能好。<3>自重輕,易于采用TMD、TLD等結構振動控制措施,以提高結構的抗風、抗震能力。<4>鋼結構的構件由工廠加工制作而成,其加工精度高、質量有保證,與混凝土結構的現(xiàn)場施工相比,更符合結構設計的要求。此外,在高層建筑建造過程中,經(jīng)常會發(fā)生設計的變更,采用鋼結構更容易滿足設計變更的需要。優(yōu)越的經(jīng)濟性<1>自重輕。高層鋼結構的自重一般為高層混凝土結構的1/2~3/5。由于其結構自重的降低,可以減輕地震的作用力,從而減小結構設計力,降低工程造價。<2>強度高。與混凝土結構相比,鋼結構柱的截面面積小,可以增大建筑的使用面積。<3>施工速度快對于一般的高層混凝土結構,平均每6d完成1層,而高層鋼結構平均每4d完成1層,可以縮短結構的施工周期。<4>高層建筑中的管道較多,采用鋼結構可以在梁上開孔用以穿越管道。因此,在樓層凈高相等的情況下,鋼結構的樓層高度低于混凝土結構的樓層高度,因而可以減小外圍護墻的面積,降低建筑的維護費、使用費。6.2應用前景通過對鋼結構住宅的分析可以看出,鋼結構住宅體系是我國高層建筑發(fā)展的必然趨勢。由于其特有的結構優(yōu)勢和自身的經(jīng)濟價值,在未來的建筑行業(yè)中,鋼結構必將占