鋼結(jié)構(gòu)住宅體系

1、二、鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震技術(shù)（一）震害調(diào)查由于地震通過(guò)地震波釋放巨大的能量，因此發(fā)生地震時(shí)會(huì)對(duì)地面上的事物產(chǎn)生巨大的影響，從而造成人員傷亡和社會(huì)的物資財(cái)務(wù)損失。如1976年的唐山7.8級(jí)地震，使24.2萬(wàn)余人喪生，6.4萬(wàn)余人重傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)100億人民幣；1995年日本阪神7.2級(jí)地震，四8420人，上45000人，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1213億美元。最近的四川汶川地震已造成68516人遇難，365399人受傷，失蹤19350人。直接經(jīng)濟(jì)損失約1500億人民幣。強(qiáng)烈的地震不僅造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，而且瞬間的災(zāi)難給人們精神上帶來(lái)了強(qiáng)烈的恐懼。面對(duì)強(qiáng)烈的地震作用，房屋的抗震性能就變得尤為重要

2、。砌體與混凝土結(jié)構(gòu)自身重量較大且延性較低，在強(qiáng)烈的地震作用下，大量砌體與混凝土結(jié)構(gòu)倒塌，破壞的鋼筋混凝土樓板和梁柱既造成了直接的人員傷亡，也給救援工作帶了了很大的困難。而鋼結(jié)構(gòu)的房屋自身重量輕且具有良好的延性，破壞較輕，1976年我國(guó)唐山地震、1985年墨西哥地震和1995年日本阪神地震，鋼結(jié)構(gòu)房屋的破壞程度遠(yuǎn)低于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋。（二）鋼結(jié)構(gòu)房屋的抗震原理1. 鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的磚混結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，在使用功能、設(shè)計(jì)、施工及綜合經(jīng)濟(jì)方面都具有優(yōu)勢(shì)，在住宅建筑中應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾方面4：（1）構(gòu)件截面小，可增加大約5%的使用面積；可采用較大柱網(wǎng)尺寸，戶(hù)內(nèi)空間分隔

3、較為靈活。（2）與鋼結(jié)構(gòu)配套的輕質(zhì)墻板、復(fù)合樓板等新型材料，符合建筑節(jié)能和環(huán)保的要求，可以達(dá)到節(jié)能50%的目標(biāo)，極大地節(jié)約了我國(guó)相對(duì)人均短缺的能源；（3）鋼構(gòu)件及配套技術(shù)相應(yīng)部件的絕大部分易于定型化、標(biāo)準(zhǔn)化，可采用工業(yè)化生產(chǎn)方式，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的工廠預(yù)制和現(xiàn)場(chǎng)裝配化施工；實(shí)現(xiàn)技術(shù)集成化，提高住宅的科技含量和使用功能，符合住宅產(chǎn)業(yè)化要求；（4）鋼結(jié)構(gòu)住宅體系工業(yè)化生產(chǎn)程度高，現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)少，而且鋼材本身可以再利用，符合環(huán)保建筑的要求；（5）鋼結(jié)構(gòu)體系輕質(zhì)高強(qiáng)，可減輕建筑結(jié)構(gòu)自重的30%，提高住宅的抗震性能，并大大降低基礎(chǔ)的造價(jià)；（6）鋼結(jié)構(gòu)體系施工周期短，可以大大提高資金的投資效益；（7）鋼結(jié)構(gòu)住宅體系

4、直接造價(jià)略高，但綜合經(jīng)濟(jì)效益卻明顯好于傳統(tǒng)的住宅體系；（8）易于改造和拆建，材料的回收和再生利用率高，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。綜上所述，鋼結(jié)構(gòu)住宅由于適宜工廠大批量生產(chǎn)，工業(yè)化、商品化程度高，可以將設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、安裝一體化，提高住宅產(chǎn)業(yè)化水平，因而在住宅市場(chǎng)中有良好的發(fā)展前景。2. 鋼結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)體系及其抗震性能常用的鋼結(jié)構(gòu)體系有框架結(jié)構(gòu)，框架支撐結(jié)構(gòu)、框架抗震墻板結(jié)構(gòu)及筒體結(jié)構(gòu)、巨型框架結(jié)構(gòu)等。（1）鋼框架結(jié)構(gòu)體系 鋼框架結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡(jiǎn)單，傳力明確，制作安裝方便，建筑平面布置及窗的開(kāi)設(shè)等有較大的靈活性。在水平力的作用下，當(dāng)樓層較少時(shí)，結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形主要是剪切變形，及主要有框架柱的彎曲變形和節(jié)

5、點(diǎn)的轉(zhuǎn)角所引起；當(dāng)層數(shù)較多時(shí)，框架柱的軸向變形所引起的結(jié)構(gòu)整體彎曲而產(chǎn)生的側(cè)移明顯增大，結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形為彎剪形。由此看出，純框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移能力主要取決于框架柱和梁的抗彎能力。當(dāng)層數(shù)較多時(shí)，要提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度，只有加大柱和梁的截面，就會(huì)變得不經(jīng)濟(jì)，因此，這種結(jié)構(gòu)體系適合于建造20層以下的中低層房屋。（2）鋼框架支撐結(jié)構(gòu)體系在柔性鋼框架體系的基礎(chǔ)上，加入抵抗側(cè)向荷載的柱間支撐，組成鋼框架-支撐體系。在水平荷載作用下，支撐通過(guò)剛性樓板或彈性樓板的變形協(xié)調(diào)與鋼框架共同工作，從而形成雙重抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。支撐是第一道防線，框架是第二道防線。對(duì)于支撐的設(shè)置，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，可選擇中心支撐、偏心支撐

6、或消能支撐等類(lèi)型。（3）鋼框架抗震墻板結(jié)構(gòu)體系鋼框架抗震墻板結(jié)構(gòu)體系是以鋼框架為主體，并配置一定數(shù)量的抗震墻板。抗震墻板包括帶豎縫墻板、內(nèi)藏鋼板支撐混凝土墻板和鋼抗震墻板等。帶豎縫剪力墻板在彈性狀態(tài)下具有較大的抗側(cè)移剛度，在強(qiáng)震下可進(jìn)入屈服階段并耗能。這種結(jié)構(gòu)具有多道抗震防線，同實(shí)體剪力墻板相比，其特點(diǎn)是剛度退化過(guò)程平緩，整體延性好。內(nèi)藏鋼板支撐混凝土剪力墻是以鋼板為基本支撐，外包鋼筋混凝土墻板的預(yù)制構(gòu)件，內(nèi)藏鋼板支撐可做成中心支撐也可做成偏心支撐，但在高烈度地區(qū)，宜采用偏心支撐。預(yù)制墻板僅在鋼板支撐斜桿的上下端節(jié)點(diǎn)處于鋼框架梁相連，除該節(jié)點(diǎn)部位外與鋼框架的梁或柱均不連接，留有間隙，因此內(nèi)藏鋼

7、板支撐抗震墻仍是一種受力明確的鋼支撐。由于鋼支撐有外包混凝土，故不考慮平面內(nèi)和平面外的屈曲。墻板對(duì)提高框架結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度，以及在強(qiáng)震是吸收地震能量方面有重要作用。鋼板抗震墻板是一種用鋼板或帶有加勁肋的鋼板制成的墻板，其上下兩邊緣和左右兩邊緣可分別與框架梁和框架柱連接。4. 筒體結(jié)構(gòu)體系筒體結(jié)構(gòu)體系具有較大剛度，有較強(qiáng)的抗側(cè)能力，能形成較大的使用空間，對(duì)于超高層建筑是一種經(jīng)濟(jì)有效的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)筒體的布置、組成、數(shù)量的不同，筒體結(jié)構(gòu)體系可分為框筒、筒中筒、桁架筒、帶加強(qiáng)層的筒體及束筒等體系。（1）鋼框架筒結(jié)構(gòu)鋼框架筒結(jié)構(gòu)體系的外圍框架有密柱和深梁組成，形成一個(gè)筒體來(lái)抵抗側(cè)向荷載，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的

8、柱子只承受重力荷載而不考慮其抗側(cè)作用，框架筒作為懸臂的筒體結(jié)構(gòu)，在水平荷載作用下，由于橫梁的彎曲變形，會(huì)產(chǎn)生剪力滯后現(xiàn)象。這樣，使得房屋的角柱要承受比中柱更大的軸力。（2）桁架筒體結(jié)構(gòu)桁架筒體結(jié)構(gòu)體系是由鋼框架筒體結(jié)構(gòu)體系增設(shè)交叉支撐而形成?？纱蟠筇岣呓Y(jié)構(gòu)的空間剛度，使剪力主要由支撐斜桿承擔(dān)，避免橫梁受剪變形，基本上消除建立之后現(xiàn)象。（3）筒中筒結(jié)構(gòu)體系筒中筒結(jié)構(gòu)體系就是集外圍框筒和核心筒為一體的結(jié)構(gòu)形式，其外圍多為密柱深梁的鋼框筒，核心為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成的筒體，內(nèi)外筒通過(guò)樓蓋系統(tǒng)的聯(lián)接，保證筒體的協(xié)同工作，筒中筒結(jié)構(gòu)具有很大的側(cè)向剛度和抗側(cè)力能力。（4）束筒結(jié)構(gòu)體系束筒結(jié)構(gòu)就是將多個(gè)單元框架筒體結(jié)

9、構(gòu)相連在一起而形成的組合筒體，是一種抗側(cè)剛度很大的結(jié)構(gòu)形式。這些單元筒體本身有很大的強(qiáng)度，他們可以在平面和立面上組合形成各種形狀，并且各個(gè)筒體可終止與不同高度。既可使建筑物形成豐富的立面效果，又不增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。（5）巨型框架結(jié)構(gòu)體系巨型框架結(jié)構(gòu)體系是由柱距較大的立體桁架柱及立體桁架梁構(gòu)成，立體桁架梁沿縱、橫向布置，形成一個(gè)空間桁架屋，在兩層空間桁架層之間設(shè)置次框架結(jié)構(gòu)，以承擔(dān)空間桁架層之間的各樓面荷載，并將其通過(guò)次框架梁結(jié)構(gòu)的柱子傳遞給立體桁架梁及立體桁架柱。這種結(jié)構(gòu)體系能在建筑中提供特大空間，他具有很大的剛度和強(qiáng)度。3. 本公司在鋼結(jié)構(gòu)抗震方面的研究本公司在發(fā)展已有技術(shù)的基礎(chǔ)上，大力開(kāi)展

10、與鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)的新型技術(shù)的研發(fā)。（1）耗能的抗側(cè)力構(gòu)件開(kāi)縫鋼板剪力墻a. 帶縫鋼板剪力墻概念的提出由于鋼結(jié)構(gòu)中柱的高強(qiáng)度化和計(jì)算跨度的增大，當(dāng)側(cè)向荷載起控制作用，重力荷載退居為第二位時(shí)?？箓?cè)力體系成為結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在一定程度上影響著結(jié)構(gòu)的用鋼量。因此研究各種抗側(cè)力構(gòu)件已經(jīng)成為鋼結(jié)構(gòu)研究中的一個(gè)重要課題。為了滿足建筑物在風(fēng)載及常遇地震下人們舒適性和安全感的要求，又要保證強(qiáng)震時(shí)建筑物具有柔性的特點(diǎn)。所以期望研究出一種正常使用情況下剛度大，強(qiáng)震作用時(shí)剛度低，而且可吸收地震能量的新型抗震單元。出自經(jīng)濟(jì)性的原因，首先考慮到了混凝土剪力墻，但由于其初期剛度過(guò)高，若與鋼框架聯(lián)合使用，則在地震時(shí)首先會(huì)在這

11、個(gè)墻上產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中而導(dǎo)致產(chǎn)生斜向大裂縫，即發(fā)生所謂的脆性破壞而迅速失去抗力。這樣就只好由框架來(lái)承受水平外力，從而導(dǎo)致各個(gè)擊破的惡劣后果，而且其并不能在強(qiáng)震作用下吸收大量的地震能量。當(dāng)采用鋼支撐時(shí)，樓層的剛度調(diào)整比較困難，且當(dāng)斜撐屈曲時(shí)剛度急劇下降。普通的鋼板剪力墻屈曲后的抗力發(fā)揮不夠穩(wěn)定且防止屈曲的加強(qiáng)材料會(huì)提高成本。所以針對(duì)現(xiàn)有抗側(cè)力構(gòu)件的不足，開(kāi)發(fā)新的抗側(cè)力構(gòu)件帶縫鋼板剪力墻。b. 鋼板剪力墻的概念帶縫鋼板墻是指用激光開(kāi)縫機(jī)在原本完整的鋼板上挖掘出間距大約200300mm，長(zhǎng)度約l000mm，寬約l0mm的狹縫，縫的長(zhǎng)邊方向沿鋼板的高度方向，鋼板剪力墻與鋼梁用高強(qiáng)螺栓連接如圖1。圖1

12、 鋼板剪力墻帶縫鋼板墻通過(guò)在墻板上開(kāi)設(shè)豎縫，將墻板劃分為幾個(gè)功能不同的區(qū)域，并主要利用縫間墻肢形成的塑性鉸來(lái)消耗地震能量。通過(guò)對(duì)豎縫的合理設(shè)計(jì)，在遭遇小震及風(fēng)荷載作用時(shí)，帶縫鋼板剪力墻可依靠本身比較大的初始側(cè)向剛度來(lái)保證結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)過(guò)大的變形，滿足日常使用的需要。當(dāng)建筑物遭遇罕遇地震作用時(shí)，墻肢縫端部分由于應(yīng)力較高會(huì)而首先屈服進(jìn)入塑性，進(jìn)而形成塑性鉸，使墻板的抗側(cè)剛度大大降低，并使其延性增加。同時(shí)由于部分進(jìn)入塑性，墻板的抗側(cè)移剛度隨著外荷載的增加將逐漸降低，相當(dāng)于在結(jié)構(gòu)中增加了阻尼裝置，可以減弱地震對(duì)建筑物的進(jìn)一步破壞作用。c. 鋼板剪力墻的優(yōu)點(diǎn)根據(jù)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設(shè)計(jì)原則，

13、結(jié)構(gòu)在罕遇地震下允許產(chǎn)生較大的塑性變形，所以結(jié)構(gòu)的抗震性能的優(yōu)劣取決于抗震構(gòu)件吸收和耗散能量的能力，塑性變形正是吸收和耗散能量的有效手段，而帶縫鋼板剪力墻較其它抗側(cè)力構(gòu)件有著優(yōu)良的塑性變形能力。帶縫鋼板剪力墻還具有下列優(yōu)點(diǎn): 與其他抗側(cè)力構(gòu)件相比，帶縫鋼板剪力墻有著良好的耗能機(jī)理，在帶縫混凝土中，依靠的是連接件在較大層間轉(zhuǎn)角時(shí)的斷裂來(lái)消耗地震能量;十字加勁鋼板剪力墻則是依靠剪力墻的局部屈曲和屈服來(lái)達(dá)到消耗地震能量的目的，但是其對(duì)框架邊柱的剛度有著很大的依賴(lài)性:支撐則是通過(guò)把力傳到耗能梁端來(lái)消耗地震能量;而剪力墻則是通過(guò)縫間壁端部在隨著水平荷載和水平位移的增加的情況下逐漸進(jìn)入塑性狀態(tài)最后形成塑性

14、鉸的過(guò)程來(lái)消耗地震能量，整個(gè)變形過(guò)程中不發(fā)生平面外失穩(wěn)，有著穩(wěn)定的滯回曲線;同時(shí)由于耗能位置發(fā)生在剪力墻上，因此在耗能過(guò)程中保護(hù)了框架梁。c. 鋼板剪力墻研究為進(jìn)一步了解帶縫鋼板剪力墻的性能，公司與寶鋼、同濟(jì)大學(xué)合作，進(jìn)行與帶縫鋼板剪力墻相關(guān)的理論和試驗(yàn)研究。（a）理論分析首先根據(jù)實(shí)際工程中常用的模數(shù)和現(xiàn)有的資料，確定帶縫鋼板剪力墻的幾何尺寸，然后借用有限元軟件建模對(duì)其進(jìn)行分析，如圖。通過(guò)對(duì)不同參數(shù)的調(diào)整，對(duì)剪力墻進(jìn)行優(yōu)化，提高其耗能能力，如圖2。圖2 剪力墻性能曲線結(jié)果表明，帶縫鋼板剪力墻具有較大的初始剛度和良好的延性。通過(guò)帶縫鋼板剪力墻兩側(cè)加勁肋的設(shè)置，能更好的提高剪力墻的抗側(cè)性能。（b）

15、試驗(yàn)研究 根據(jù)有限元分析的結(jié)果，并結(jié)合實(shí)際工程，公司在同濟(jì)大學(xué)試驗(yàn)室進(jìn)行了帶縫鋼板剪力墻的試驗(yàn)研究。采用1：1的真是模型，深入了解剪力墻在實(shí)際情況下的力學(xué)性能，為工程中的實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。如圖3.圖3 剪力墻試驗(yàn)通過(guò)試驗(yàn)分析，帶縫鋼板剪力墻在現(xiàn)實(shí)情況中具有較高的初始剛度和良好的延性。（1）冷彎矩形鋼管與H型鋼連接的新型節(jié)點(diǎn)a. 冷彎矩形鋼管與H型鋼連接的新型節(jié)點(diǎn)的提出根據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用情況的總結(jié)以及住宅鋼結(jié)構(gòu)的未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)創(chuàng)新節(jié)點(diǎn)的基本要求：1）無(wú)隔板，以便做到：柱子通長(zhǎng)（三到四層一根，10m左右），在加工時(shí)無(wú)需截?cái)?；可灌筑混凝土并確保質(zhì)量，這樣可有效地提高柱子的剛度和承載力；3）梁梁彎矩盡可能直接傳遞，避免經(jīng)過(guò)柱身母材，造成復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)；2）現(xiàn)場(chǎng)無(wú)仰、側(cè)焊縫，以免造成施工困難；3）高強(qiáng)度螺栓失效時(shí)有補(bǔ)救螺栓措施；4）節(jié)點(diǎn)的預(yù)加工部分在工廠段生產(chǎn)線上可批量生產(chǎn)；5）節(jié)點(diǎn)板件加工應(yīng)為簡(jiǎn)單工藝，既可采用熱彎、焊接等工藝完成；6）外形滿足運(yùn)輸和建筑空間要求；7）可自由灌注混凝土。b. 冷彎矩形鋼管與H型鋼連接的新型節(jié)點(diǎn)介紹外套管節(jié)點(diǎn)的基本形式外套管節(jié)點(diǎn)的基本形式如下圖示： 圖4 外套管節(jié)點(diǎn)形式c. 冷彎矩形鋼管與H型鋼連接的