钢结构住宅结构体系经济分析_刘殿中

吉 林 建 筑 工 程 学 院 学 报Journal of Jilin Institute of Architecture & Civil Engineering Vol.26No.1 Feb.2009第26卷 第1期2009年2月钢结构住宅结构体系经济分析刘殿中 全春花 夏法磊 曹宏涛 于 莹(吉林建筑工程学院土木工程学院,长春 130021)摘 要：对多层钢结构住宅采用的两种典型结构体系进行了对比分析,研究了两种结构体系在竖向荷载和水平荷载作用下结构强度和体系的抗侧移性能,并对其用钢量进行比较.同时通过大型有限元软件ANSYS对两种结构体系的计算和比较分析,对多层钢结构住宅结构体系进行选择进行了初步探索,得到了一些有益的结论.关键词：钢结构；多层住宅；结构体系；经济分析；用钢量中图分类号：TU398文献标识码：A文章编号：1009-0185(2009)01-0030-03Economic Analysis of Steel Structure Housing SystemLIU Dian-zhong, QUAN Chun-hua,XIA Fa-lei,CAO Hong-tao, YU Ying (School of Civil Engineering,Jilin Institute of Architecture and Civil Engineering,Changchun,China 130021)Abstract：This paper discusses the correlation analysis of two typical structural systems, and studies structural in-tensity and the fuction of system lateral bracing about two kinds of structural systems in the load effects of vertical direction and horizontal direction,and compares these total steel quantity.According to the software ANSYS of fi nite element,this paper calculates and analyzes two of structural systems,it also preliminarily searches the usage of struc-tural system of multilayer steel structure housing,achieves certain useful conclusions.Keywords：steel structure；multiple housing；str uctural system；economic analysis；total steel quantity0 引言随着我国生产建设的不断发展,钢结构在国家建设中日益增多, 钢结构相对于传统结构有着受力性能好、构件截面小、施工简捷、抗震能力强等优点.钢结构住宅作为住宅产业化的发展方向之一,已进入实质性启动阶段.从结构而言,多层钢结构建筑一般采用纯框架结构、框架-支撑结构体系.其中,纯框架结构在水平力作用下侧移较大,而为提高抗侧移刚度就必须加大构件截面,从而造成用钢量增加且上部结构自重增大,必将影响整体经济性,框架—支撑体系施工速度快、工序简便,且通过支撑的合理布置,能够有效控制结构侧向位移,保证建筑总体经济合理,因此,在多层钢结构住宅中可优先考虑.笔者以多层钢结构住宅体系为研究对象,以某 7 层住宅楼为例,分别采用框架结构体系和框架-支撑结构体系进行结构设计,其中框架柱分别采用H型钢截面和圆钢管混凝土截面,框架梁截面均采用H型钢截面.钢管混凝土柱是指将混凝土填入薄壁钢管内而形成的组合结构.其具有承载力高、截面小、节省材料和施工方便等优点.比较两种结构体系在柱子采用不同截面时的受力性能和用钢量,探讨多层钢结构住宅应用的可行性,对于推动我国钢结构住宅今后的发展具有一定的参考价值.收稿日期：2008-03-01.作者简介：刘殿中(1960～),男,吉林省长春市人,教授,博士.第 1 期311 建模分析1.1 结构有限元模型笔者建立的是三维空间有限元分析模型.利用有限元程序 ANSYS 分析各种结构体系在相同荷载作用下的强度和体系抗侧移能力等.在有限元模型中,梁单元和壳单元均被认为是具有线弹性性质的材料,其中 梁、柱采用 Beam 188 单元,支撑采用 Link 8 单元,楼板采用 Shell 63单元进行模拟[1].所有节点为刚性结点且底柱与地面视为固结,具体的单元类型、材料参数如表 1 所示.表 1 材料性能注：1-钢材均为 Q 235；2-楼板混凝土强度等级为 C 25.1.2 基本设计参数取值7 层钢框架结构,抗震设防烈度为 7 度,Ⅱ类场地土,楼面活荷载取 2.0 kN/m²,楼面恒荷载取3 kN/m²,基本风压 0.65 kN/m²,地面粗糙度 C 类,所有梁构件材料均采用 Q 235 钢,采用 H 型截面,柱采用 Q 235 钢,焊接 H 型截面和钢管混凝土截面,材料取 Q 235 灌 C 30 混凝土.框架的横向和纵向梁柱按刚性连接考虑,楼板按刚性楼板考虑,楼板为钢管-混凝土组合楼板.1.3 计算模型及结构体系在标准值作用下的计算计算模型详见图 1,图 2.框架结构体系在竖向荷载和风荷载标准值共同作用下框架层间相对位移满足 h /400,同时框架柱顶位移满足 H /500[2]时的框架梁、柱截面与体系在竖向荷载和地震荷载标准值共同作用下框架层间相对位移满足 h /300 时的框架梁、柱截面比较选用较大的梁、柱截面尺寸如表 2 所示.表 2 荷载标准值作用下构件截面 (mm)体系类型柱截面框架柱主梁次梁支撑框架体系H 型钢H 400×300×10×16H 400×250×6×12H 250×200×5×10框架体系圆钢管混凝土Ø 245×7(灌C30混凝土)H 400×250×6×12H 250×200×5×10框支体系H 型钢 H 350×350×6×12 H 300×200×6×8 H 250×200×5×8Ø 50×2.5框支体系圆钢管混凝土Ø 219×9(灌C30混凝土)H 300×200×6×8H 250×200×5×8Ø 50×2.5在结构计算中,结构的刚度占主导地位,一般情况下,若刚度满足侧移的要求,则构件的强度也满足承载力的要求.结构体系在竖向荷载和水平荷载(风荷载,地震荷载组合值)标准值共同作用下的结构构件强度达 160 MPa 时,框架结构的梁、柱采用表 2 中截面时,方可满足刚度要求.框架-支撑结构体系是由纯框架体系变化而来,即在框架体系中,部分框架柱之间设置竖向支撑,形成支撑框架,属于双重抗侧力结构体系.支撑构件可以防止框架柱的失稳；另一方面它还要承担风力、地震力等其它水平荷载.当框架结构设置支撑时,结构的整体刚度和抗侧移能力会增大,则框架-支撑结构体系在竖向荷载和水平荷载(风荷载,地震荷载组合值)标准值共同作用下构件的截面要用强度来控制,则梁、柱截面的取值以构件强度几乎接近最大值时为准,而不是变形满足规范要求时为准.构件名称单元类型容重/(10³kg·m -³)弹性模量(106 N·m -²)泊松比构件名称单元类型容重/(10³kg·m -³)弹性模量(106 N·m -²)泊松比钢柱 7.85 2.06×1050.3支撑杆单元7.85 2.06×1050.3钢梁梁单元7.852.06×1050.3楼板壳单元2.502.80×1040.2刘殿中,全春花,夏法磊,曹宏涛,于 莹：钢结构住宅结构体系经济分析图 1 结构平面图图 2 结构立面1.4 体系在设计值作用下的计算框架结构、框支结构体系在竖向荷载和水平荷载(风荷载,地震荷载组合值)设计值共同作用下,结构构件强度达到控制值时的梁、柱截面尺寸如表 3 所示[3-4].表 3 荷载设计值作用下构件截面 (mm)体系类型柱截面框架柱主梁次梁支撑框架体系H 型钢H 400×300×10×16H 400×250×6×10H 300×200×6×8框架体系圆钢管混凝土Ø 245×10(灌C 30混凝土)H 400×250×6×10H 300×200×6×8框支体系H 型钢H 400×300×10×16H 300×250×6×10H 250×200×5×10Ø 50×2.5框支体系圆钢管混凝土Ø 245×10(灌C 30混凝土)HA 300×200×6×8H 250×200×5×10Ø 50×2.5此时,框架结构、框支结构体系在组合荷载设计值作用下构件强度达到 210 MPa.可以看出,框架结构加支撑后构件梁、柱截面没有明显减小,那是因为支撑主要是增大了结构的抗侧移能力,一般不承担竖向荷载,固然对结构承担竖向荷载的能力影响较小,从而对减小梁、柱截面没有多大的作用.2 分析结果2.1 框架结构、框支结构体系在荷载设计值作用下的侧移采用由轴向受力杆件形成的支撑来取代由抗弯杆件形成的框架结构,能获得比纯框架结构大的多的抗侧力刚度,可以明显减小建筑物的层间位移.支撑在水平荷载作用下所产生的位移主要是由于其中各杆件的轴向拉伸或压缩变形引起的,与框架侧移是由于杆件弯、剪变形所引起的情况相比较,其量值要小的多,表明支撑的抗推刚度要比框架大的多.从表 4 可以看出结构设置支撑后体系的位移只是纯框架结构体系的侧移一半左右.结构侧移见图 3.表 4 荷载设计值作用下结构的侧移值2.2 结构用钢量比较分别在变形控制和强度控制条件下,计算得出框架体系和框支体系梁、柱构件的用钢量(见表 5).表 5 用钢量 (kg/m²)3 结论通过以上计算结果表明：(1) 框架结构、框支结构体系的框架柱采用圆钢管混凝土截面时比框架柱采用 H 型钢截面时用钢量减少大约 16%；(2) 框架结构在变形控制与强度控制条件下算得的体系用钢量比较接近,相差不到 7%；(3) 框支结构与框架结构相反,设置支撑时,结构整体刚度明显增加,结构的抗侧移能力也增强,所以结构在变形控制时比强度控制时结构的用钢量减少将近 21%；体系类型柱截面最大层间侧移角∆u/h 顶点侧移u/H 体系类型柱截面最大层间侧角∆u/h 顶点侧移角u/H 框架体系H 型钢1/2451/196框支体系H 型钢1/4241/340框架体系圆钢管混凝土1/2731/218框支体系圆钢管混凝土1/4301/343体系类型截面形式变形控制强度控制体系类型截面形式变形控制强度控制 框架体系H 型钢288268 框支体系H 型钢202255 框架体系圆钢管混凝土241222框支体系圆钢管混凝土176207图 3 结构侧移(下转第 52 页)检测中,要严格按照规范要求进行操作.而且使用极限承载力时不能过分依赖所得结果,要结合工程经验和实际水文工程地质条件综合分析.参 考 文 献[1] 崔京浩.徐金明,刘绍峰,朱耀耀.岩土工程实用原位测试技术〔M〕.北京：中国水利水电出版社.2007.[2] 王 珊.岩土工程检测、实验与监测新技术应用手册〔M〕.北京：中国科技文化出版社,2005.[3] 徐 超.岩土工程原位测试〔M〕.上海：同济大学出版社,2005.[4] 建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)〔S〕.北京：中国建筑工业出版社,2002.(上接第32页）(4) 结构在变形控制条件下结构设支撑时用钢量明显减小,比不设支撑时能减少大约 30%.结构在强度控制条件下用钢量相接近,因为支撑的设置对结构构件的强度设计,主要是增加结构的抗侧移能力[5-6].参 考 文 献[1] 轻型钢结构设计手册编辑委员会.轻型钢结构设计手册〔S〕.北京：中国建筑工业出版社,2001.[2] 徐伟良,王永跃.钢结构住宅建筑的开发与应用〔J〕.建筑技术开发,2002(5)：23-25.[3] 建筑抗震设计规范(GB50011-2001)〔S〕.北京：中国建筑工业出版社,2001.[4] 王勖成,邵　敏.有限单元法基本原理和数值方法(第2版)〔M〕.北京：清华大学出版社,1997.[5] 宗 轩.钢结构住宅建筑设计探讨〔J〕.建筑钢结构进展,2003(增刊)：17-19.[6] ASCE,Minimum Design Loads for Buildings and OtherStructures,ASCE 7-02〔S〕.American Society of CivilEngineers,V irginia,2002.。