1、作者简介：谢伟平，1965 年生，籍贯江西，副教授，博士后。建设部 2003 年科学技术项目，编号 03-2-136.低烈度地区多层钢结构住宅的结构体系研究谢伟平 1 钱屹 1 蔡玉春 2（1、武汉理工大学 湖北 武汉 4300702、北京赛博思金属结构有限公司 北京 100044）摘 要：本文对低烈度地区钢框架结构和钢框架核心筒结构的受力特性、用钢量等方面进行了比较，论证了框架结构在低烈度区比钢框架核心筒结构(以下简称钢框筒结构) 更具有优势。结构的力学性能分析采用建研院研制的软件 PKPM 系列（STS+SATWE）进行。关键词：多层住宅，轻钢结构，结构选型1 引言多层钢结构住宅一般采用装
2、配式结构，其优势是施工速度快，建筑布局限制小。结构形式主要有：框架、框架核心筒、框架剪力墙等。钢柱和钢梁一般采用 H 型钢，也有把钢柱做成钢管混凝土柱或者是劲性柱（外包混凝土的型钢柱）的。在多层钢结构住宅的结构形式的选择上，主要要综合考虑它们工业化装配、结构的力学性能、建筑发挥的自由度、施工速度、建筑造价的经济性等几个方面，目前北京赛博思公司针对北京的地质情况开发出了一套 SBS-PSC 多层钢框架-核心筒结构体系 2，该体系已通过建设部专家论证。为了让其更好的应用于武汉地区多层钢结构住宅的建设，适应武汉的地质条件，本文对武汉市某实际工程进行了分析，认为把钢框筒结构改为钢框架结构对于低烈度地区
3、来说会更加的经济合理。2 框架和框筒结构的适用性分析武汉某六层高档住宅楼项目。工程用地面积 2819m2，占地面积 912.2m2，建筑面积 6280m2，建筑总高度 23.05m。层高 2.8m，底层柱高 4.5m；楼面活荷载 2.5KN/m2，屋面活荷载 0.7KN/m2；基本风压 0.35KN/m2；类场地；抗震设防烈度 6 度。首层是地下室车库，地上六层，六层上有一跃层，实际结构八层。由于武汉市是低烈度区，六度地震设防，可不考虑地震力的作用。梁柱截面大小由水平荷载（风荷载）和竖向荷载共同控制，另外建筑上设置核心筒会影响户型的变化，而且由于有跃层的关系，核心筒的布置很不方便。当然这只是这
4、个建筑的特殊要求和考虑，框筒结构作为一种结构受力分工明确的结构体系还是有很大的应用价值的。下面以框架、框筒这两种结构体系进行分析和比较。1）框架（图 2）图 2 所示是住宅楼左半榀的一个标准层平面图。平面是按小柱网布置，柱距分别为2.4m、3m、3.6m、4.6m，钢号采用 Q235 热轧型钢，梁翼缘采用现场坡口全熔透焊缝、腹扳采用摩擦型高强螺栓连接型节点，这种节点的优点是现场装配速度快，延性好。框架采用纵横方向双向刚接，这样可以加大结构自身的侧移刚度，减小抗侧移构件内力，提高耗能能力，增加建筑物的延性。楼盖采用压型钢板上现浇混凝土组合楼盖，它和钢梁靠栓钉形成可靠连接（见图 1） ，可以减小钢
5、架梁的弯曲变形，计算中可让钢梁的刚度放大 25%50%，从而减小结构的层间位移。栓 钉 M16(现 场 焊 )压 型 钢 板 浇 钢 筋 混 凝 土 压 型 钢 板 浇 钢 筋 混 凝 土(现 场 焊 )栓 钉 M16楼板与钢梁的连接 楼板与钢梁的连接(平行 ) (正交)图 1（楼板与钢梁连接图）图 2（框架结构标准层平面图）2） 框筒（图 3）图 3（框筒结构标准层平面图）这个方案的改动主要是将几个卫生间的地方改为混凝土核心筒（为了做出比较，我们将建筑方案作了一些调整） ，以提高结构的抗侧移刚度，不过对于结构承受竖向荷载几乎没有贡献。框架采用纵横方向双向刚接，梁与核心筒铰接相连。从下表的计算
6、结果中可以看出：尽管轻钢框架刚度小，但是它自重轻，周期长，地震作用小；在抗震设防烈度较小的地区，当框架柱的强度得到保证时，水平位移亦可满足规范要求。而且钢柱的承载力使用率一般都达到 70%左右，充分发挥了材料的性能。表 1 框架和框筒方案的比较柱截面 梁截面 用钢量（kg/m 2）顶点最大位移（mm）最大层间位移角第一自振周期（秒）结构变形模式H200X200X8X12 H148X100X6X9框架H250X250X9X14 H194X150X6X1231.9 33.78 1/425 1.85 剪切变形H200X200X8X12 H200X200X8X12H250X250X9X14 H200X
7、100X5X8框筒H194X150X6X1230.6 4.72 1/3084 0.38 弯曲变形注：规范规定多层钢结构建筑层间位移角不宜超过 1/250。有了核心筒，结构体系的侧移刚度虽然有了很大的提高，但考虑到设计地震分组第一组，三类场地土的卓越周期为 0.45 秒，地震影响系数正好取到了最大值，地震作用较大，而且核心筒的存在对减少用钢量也没什么效果。在这需要指出的是，框架结构由于层间位移角均大于 1/1000，所以计算框架柱稳定性时，都采用有侧移模型，需要考虑结构的二阶效应；框架-核心筒结构的层间位移角都小于 1/1000，计算时采用无侧移模型。可以看出这两种结构体系的用钢量都比较低，如果
8、把工期和节省用工的成本都算上，用钢量在40kg/m2 以下，多层钢结构住宅的综合造价比钢混结构要低 2。当然各地的人工成本有所差异，在人工成本高的地区经济效益会更明显一些。上述两种方案中的梁柱构件类型不单一，这会导致节点类型增多，施工麻烦，这主要是出于节省用钢量的考虑来设置的，实际设计中应尽量只设置一种梁、柱尺寸，节点类型单一，这样会为施工带来方便。综上述，钢框架结构相对于钢框筒结构的优势主要体现在下面几个方面：1) 框架结构是一种延性体系；框筒结构延性很差，筒体一旦开裂，结构刚度大幅度下降；2) 框架结构比框筒结构在建筑设计和平面布置上具有更大的灵活性；3) 框架结构各部分刚度比较均匀，构造
9、简单，更易于施工；4) 框架结构自震周期较长，自重更轻，对地震作用不敏感；多层钢框筒结构在这类地区正好和场地土发生共振，其自重也因为筒体的存在有所增大，地震作用较大；5) 施工速度更快，可以大大提高资金的投资效益。3 结论六度地震设防地区，结构计算中可不考虑地震的作用，所以对地震的侧向刚度要求不高，这样采用纯框架结构形式可充分发挥钢柱的强度。在施工过程中，采用纯框架结构体系，可以让施工速度更快。另外，其结构造型美观，可满足不同的户型要求。这相对于其它的结构形式也有着明显的优越性。把钢框架结构应用于住宅体系，具有如下技术优势：1） 、可以更好的满足建筑上大开间、灵活分割的要求，且可以增加使用面积
10、率 5%-8%；2） 、与结构配套的轻质墙板、复合楼板等新型材料，符合建筑节能和环保的要求；3） 、结构及配套技术相应部件的绝大部分可以实现工厂化制作，产品化；4） 、小柱网有效的解决了梁柱截面较大的问题，使梁柱有效的隐藏在墙体内部，使建筑室内空间布置更灵活，同时有效的解决了钢结构防火及防腐问题；5） 、轻钢结构住宅体系自重轻，可以大大减少基础的造价；6） 、多层钢结构住宅体系属于可回收利用产品，不会产生永久性的建筑垃圾，符合可持续发展的战略要求；7） 、多层钢结构住宅体系直接造价略高，但综合效益却明显高于传统的住宅体系。多层钢结构住宅体系在我国是一种新型的住宅结构形式，还处于探索研究的阶段。
11、但钢结构具有重量轻、抗震性能好、工业化生产程度高、施工速度快等很多优点。我国将钢结构已应用于高层、超高层建筑、轻刚厂房及大跨度结构之中，并且制定了相应的设计、施工规范和标准，但在普通住宅中还极少采用钢结构，特别是轻钢结构体系，更没有相应的标准及规范。所以寻求一种适合低烈度地区的轻钢结构住宅形式，并将其集成和优化，形成完整的设计、施工体系具有很好的社会和经济效益。4 参考文献：1 建筑抗震设计规范，GB 50011-2001.2 蔡玉春,王建平, SBS-PSC 多层钢框剪住宅体系研究及应用.施工技术，2002,8.3 李志林，国外轻钢结构体系探源J.工业建筑，1999,(1).4 贾连光，梁玉
12、君，周广师，王 强，我国多层轻型房屋钢结构建筑的应用与展望. 沈阳建筑工程学院学报，2001， （17）.5 刘歌青，石永久，王元清，陈宏，张勇，纯框架体系在多层轻钢结构住宅中的应用研究，工业建筑，2002， （32） ，12.6 弓晓芸，严虹，国外工业化钢结构住宅应用探讨，工业建筑，2001， （31） ，8.7 王明贵，张莉若，住宅产业现代化和钢结构住宅，建筑科学，2001， （17） ，6.The choice of structure form for multi-story steel structure residence in low intensity regionXie we
13、iping1， Qian yi1，Cai yuchun 2(1、Wuhan University of technology ，Wuhan 4300702、Beijing SBS steel structure construction Ltd co，Beijing 100044)Abstract：This paper compares two kinds of multi-story steel structure forms, one is steel frame structure, the other is steel frame concrete core tube structur
14、e. And it compares them in many aspects, major in internal stress、 steel consumption and so on. It made a conclusion that steel frame structure will be better than steel frame concrete core tube structure in low intensity region. We use PKPM which was produced by Construction Science institute of China as analytical software .Keywords：Multi-story residence ；Light-weight structure；Structural forms choose
