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[摘 要]由于钢结构住宅具有较高的科技含量，建筑安装造价也相应高于其它类住宅。但考虑住房率、土地使用效率等因素；钢结构住宅是值得推广的新型住宅建筑体系。本文通过对目前多层钢结构住宅采用何种结构体系进行了有益的研究和探索，研究成果对于推动钢结构住宅的发展和完善具有一定的指导意义和参考价值。本文地震设防烈度7度，地震加速度为0.1的Ⅱ类场地。
[关键词]多高层钢结构住宅 结构体系设计分析 地震烈度
中图分类号：TU323-1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）34-0167-03
1、钢结构体系分析方法概述[1]～[5]
国内外学者对钢结构的计算理论进行了大量分析，提出一些行之有效的计算方法。我国编制的钢结构设计规范中，对钢框架结构的设计计算给出了计算公式，但该公式主要基于材料处于弹性范围内，计算结果偏于保守。对材料进入塑形范围内的破坏，许多学者也进行了分析，并提出了计算方法，如塑性区法和塑性铰法。一般来说，分析框架结构应该考虑以下几种因素：
1.几何非线性：
2.材料非线性：材料的弹塑性性能；
3.几何缺陷：初弯曲、初偏心、初倾斜；
4.材质缺陷：冶金缺陷、残余应力。
本文在分析计算时遵循我国钢结构设计规范（GB50017-2014）中的荷载效应分析方法以及设计方法，当框架在进行极限状态下的弹塑性分析时采用考虑几何非线性的塑性铰法。本文主要采用结构设计软件PKPM[6]～[11]进行研究分析。
2、建立结构模型
2.1 结构概况
层数：（多层）地下1层，地上6层，出屋面楼梯间1层；层高：地下3.6m，地上层高均为2.9m，出屋面4.1m；室内外高差：0.45m；混凝土环境类别：外墙、基础、雨蓬、卫生间楼板为二a类，其余混凝土环境为一类；楼板：现浇混凝土平板，预应力槽形叠合板，楼面预留70mm建筑做法，轻骨料混凝土填充；主体结构材料：钢材：Q235；混凝土强度等级：钢管混凝土柱C40，其他C30；钢筋：HPB300级、HRB400级；基础采用钢筋混凝土桩基础；填充墙：外墙、分户墙、楼梯间墙——200mm厚加气混凝土砌块。
本文主要进行7度抗震设防区设计基本加速度值为0.10g设计地震分组为第二组地震作用下的设计分析，场地土特征周期值选取0.40s。
2.2 结构方案
本文分析三种常用结构，分别是纯钢框架结构、钢框架-支撑结构、钢框架-混凝土筒体结构。 每一种结构采用三种布置方案，方案一选用方钢管柱；方案二选用采用H型钢柱； 方案三选用圆钢管混凝土柱。
3、计算结果分析
3.1 纯框架结构
纯框架结构的主要构件用钢量如表1所示。
主要计算结果：
1.自振周期 通过计算可得三种方案的前3阶自振周期如表2-4所示：
2.构件的安全性能
结构在各个荷载组合作用下的最大应力比如表5所示：
3.变形
结构在风荷载和地震作用下的侧移如表6所示；
由表可知，结构侧移满足规范的要求，仍有一定量的富余。
3.2 钢框架-支撑结构体系
钢框架-支撑结构体系的主要构件用钢量如表7所示。
主要计算结果：
1.自振周期 通过计算可得三种方案的前3阶自振周期如表8-10所示：
2.构件安全性能
结构在各个荷载组合作用下的最大应力比如表11所示：
3.变形 结构在风荷载和地震作用下的侧移如表12所示；
由表可知，结构侧移满足规范规定的限制。
3.3 钢框架-钢筋混凝土筒体体系
钢框架-钢筋混凝土筒体体系的主要构件用钢量如表13所示。
主要计算结果：
1.自振周期 通过计算可得三种方案的前3阶自振周期如表14-16所示：
2.构件安全性能
结构在各个荷载组合作用下的最大应力比如表17所示：
钢框架-钢筋混凝土筒体结构体系在风荷载以及多遇地震作用下的安全性能和抗侧移能力都大大高于限值要求。经过计算钢框架部分的横向抗侧刚度只有筒体的1.07%；纵向上只有3.96%，没能有效的参与工作，所以承载力只能作为二阶段抗震的储备。多遇地震作用组合下，底层转角部位剪力墙段的竖向钢筋和抗剪钢筋配筋率达到了2.1%、2.7%。
3.结构变形
结构在风荷载和地震作用下的侧移如表18所示：
4 结论
本文结合具体建筑方案对7度区（0.10）Ⅱ类场地下几种常用钢结构进行了分析与对比，从计算结果分析可得出以下结论：
4.1 安全性能
常用结构体系的三种方案均能满足安全性能的要求。纯框架结构构件的应力比较小，富余过大，并不太合理。钢框架-混凝土筒体结构、钢框架-支撑结构两种结构的构件应力比都比较大，构件的承载力能够充分发挥。
4.2 抗侧移性能
常用结构体系的三种方案的位移角、侧移性能进行对比分析：纯框架结构结构比较差，钢框架-支撑结构胜之，钢框架-混凝土筒体结构最优。后两者的侧移不仅满足了规范规定的限值，而且满足了住宅精装修的要求。
4.3 抗震延性
从自振周期可以看出，结构纵向刚度比横向刚度大，原因是纵向构件比横向构件多。因此可以在横向增加支撑减少两个方向的刚度差，从而减小结构的扭转，增加结构的抗震性能。
纯钢框架结构可以充分发挥钢材的延性，但由于结构形式单一，抗震性能不如其它两种结构。钢框架-支撑结构可以充分发挥材料的塑形性能，结构的抗震性能较好，而且经济合理。钢框架-混凝土筒体结构的抗震性能最好，但不能充分发挥材料的力学性能。
4.4 用钢量
通过分析，三种常用的结构体系中方案3是最优的。在进行结构方案选用的时候，可以首先选用方案2和方案3，经济上方案3是最优。在对经济性要求不是很苛刻时，可以考虑方案1。
综上所述：圆钢管混凝土柱的力学性能要强于方钢管柱和H型钢柱，在7度区，用钢量比后两者少了4.1%。总体上，三种常用结构体系中的三种方案都是有较好的实用性，具体选择那种结构体系及方案，则需要根据具体的工程要求。
参考文献
[1] 中华人民共和国国家标准.钢结构设计规范（GB50017-2014）.北京：中国计划出版社
[2] 郑添，王恒华.多高层钢结构住宅结构体系的优选研究[J].东南大学硕士学位论文，2005年3月
[3] 陈骥.钢结构稳定理论与设计[M].北京：科学出版社.2003
[4] Chen， W.F and Toma，S.Eds， Adwanced Analysis of Steel Frames [J]， Journal of Constructional Steel Research
[5] White，D.W. Plastic Hinge Methods for Advanced Analysis of Steel Frames[J]，Journal of Constructional Steel Research
[6] 崔钦淑，欧新新.PKPM系列程序在土木工程中的应用[M].北京：机械工业出版社，2006年10月
[7] 李星荣，张守斌.PKPM结构系列软件应用与设计实例[M].北京：机械工业出版社，2007年9月
[8] 钟志宪.PKPM设计软件参数定义丛书S-1[M].北京：人民交通出版社，2007年10月
[9] 钟志宪，常彦斌.PKPM设计软件参数定义丛书S-2[M].北京：人民交通出版社，2007年11月
[10] 鐘志宪，常彦斌.PKPM设计软件参数定义丛书S-3[M].北京：人民交通出版社，2008年1月
[11] 钟志宪.PKPM设计软件参数定义丛书S-4[M].北京：人民交通出版社，2008年2月
[关键词]多高层钢结构住宅 结构体系设计分析 地震烈度
中图分类号：TU323-1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）34-0167-03
1、钢结构体系分析方法概述[1]～[5]
国内外学者对钢结构的计算理论进行了大量分析，提出一些行之有效的计算方法。我国编制的钢结构设计规范中，对钢框架结构的设计计算给出了计算公式，但该公式主要基于材料处于弹性范围内，计算结果偏于保守。对材料进入塑形范围内的破坏，许多学者也进行了分析，并提出了计算方法，如塑性区法和塑性铰法。一般来说，分析框架结构应该考虑以下几种因素：
1.几何非线性：
2.材料非线性：材料的弹塑性性能；
3.几何缺陷：初弯曲、初偏心、初倾斜；
4.材质缺陷：冶金缺陷、残余应力。
本文在分析计算时遵循我国钢结构设计规范（GB50017-2014）中的荷载效应分析方法以及设计方法，当框架在进行极限状态下的弹塑性分析时采用考虑几何非线性的塑性铰法。本文主要采用结构设计软件PKPM[6]～[11]进行研究分析。
2、建立结构模型
2.1 结构概况
层数：（多层）地下1层，地上6层，出屋面楼梯间1层；层高：地下3.6m，地上层高均为2.9m，出屋面4.1m；室内外高差：0.45m；混凝土环境类别：外墙、基础、雨蓬、卫生间楼板为二a类，其余混凝土环境为一类；楼板：现浇混凝土平板，预应力槽形叠合板，楼面预留70mm建筑做法，轻骨料混凝土填充；主体结构材料：钢材：Q235；混凝土强度等级：钢管混凝土柱C40，其他C30；钢筋：HPB300级、HRB400级；基础采用钢筋混凝土桩基础；填充墙：外墙、分户墙、楼梯间墙——200mm厚加气混凝土砌块。
本文主要进行7度抗震设防区设计基本加速度值为0.10g设计地震分组为第二组地震作用下的设计分析，场地土特征周期值选取0.40s。
2.2 结构方案
本文分析三种常用结构，分别是纯钢框架结构、钢框架-支撑结构、钢框架-混凝土筒体结构。 每一种结构采用三种布置方案，方案一选用方钢管柱；方案二选用采用H型钢柱； 方案三选用圆钢管混凝土柱。
3、计算结果分析
3.1 纯框架结构
纯框架结构的主要构件用钢量如表1所示。
主要计算结果：
1.自振周期 通过计算可得三种方案的前3阶自振周期如表2-4所示：
2.构件的安全性能
结构在各个荷载组合作用下的最大应力比如表5所示：
3.变形
结构在风荷载和地震作用下的侧移如表6所示；
由表可知，结构侧移满足规范的要求，仍有一定量的富余。
3.2 钢框架-支撑结构体系
钢框架-支撑结构体系的主要构件用钢量如表7所示。
主要计算结果：
1.自振周期 通过计算可得三种方案的前3阶自振周期如表8-10所示：
2.构件安全性能
结构在各个荷载组合作用下的最大应力比如表11所示：
3.变形 结构在风荷载和地震作用下的侧移如表12所示；
由表可知，结构侧移满足规范规定的限制。
3.3 钢框架-钢筋混凝土筒体体系
钢框架-钢筋混凝土筒体体系的主要构件用钢量如表13所示。
主要计算结果：
1.自振周期 通过计算可得三种方案的前3阶自振周期如表14-16所示：
2.构件安全性能
结构在各个荷载组合作用下的最大应力比如表17所示：
钢框架-钢筋混凝土筒体结构体系在风荷载以及多遇地震作用下的安全性能和抗侧移能力都大大高于限值要求。经过计算钢框架部分的横向抗侧刚度只有筒体的1.07%；纵向上只有3.96%，没能有效的参与工作，所以承载力只能作为二阶段抗震的储备。多遇地震作用组合下，底层转角部位剪力墙段的竖向钢筋和抗剪钢筋配筋率达到了2.1%、2.7%。
3.结构变形
结构在风荷载和地震作用下的侧移如表18所示：
4 结论
本文结合具体建筑方案对7度区（0.10）Ⅱ类场地下几种常用钢结构进行了分析与对比，从计算结果分析可得出以下结论：
4.1 安全性能
常用结构体系的三种方案均能满足安全性能的要求。纯框架结构构件的应力比较小，富余过大，并不太合理。钢框架-混凝土筒体结构、钢框架-支撑结构两种结构的构件应力比都比较大，构件的承载力能够充分发挥。
4.2 抗侧移性能
常用结构体系的三种方案的位移角、侧移性能进行对比分析：纯框架结构结构比较差，钢框架-支撑结构胜之，钢框架-混凝土筒体结构最优。后两者的侧移不仅满足了规范规定的限值，而且满足了住宅精装修的要求。
4.3 抗震延性
从自振周期可以看出，结构纵向刚度比横向刚度大，原因是纵向构件比横向构件多。因此可以在横向增加支撑减少两个方向的刚度差，从而减小结构的扭转，增加结构的抗震性能。
纯钢框架结构可以充分发挥钢材的延性，但由于结构形式单一，抗震性能不如其它两种结构。钢框架-支撑结构可以充分发挥材料的塑形性能，结构的抗震性能较好，而且经济合理。钢框架-混凝土筒体结构的抗震性能最好，但不能充分发挥材料的力学性能。
4.4 用钢量
通过分析，三种常用的结构体系中方案3是最优的。在进行结构方案选用的时候，可以首先选用方案2和方案3，经济上方案3是最优。在对经济性要求不是很苛刻时，可以考虑方案1。
综上所述：圆钢管混凝土柱的力学性能要强于方钢管柱和H型钢柱，在7度区，用钢量比后两者少了4.1%。总体上，三种常用结构体系中的三种方案都是有较好的实用性，具体选择那种结构体系及方案，则需要根据具体的工程要求。
参考文献
[1] 中华人民共和国国家标准.钢结构设计规范（GB50017-2014）.北京：中国计划出版社
[2] 郑添，王恒华.多高层钢结构住宅结构体系的优选研究[J].东南大学硕士学位论文，2005年3月
[3] 陈骥.钢结构稳定理论与设计[M].北京：科学出版社.2003
[4] Chen， W.F and Toma，S.Eds， Adwanced Analysis of Steel Frames [J]， Journal of Constructional Steel Research
[5] White，D.W. Plastic Hinge Methods for Advanced Analysis of Steel Frames[J]，Journal of Constructional Steel Research
[6] 崔钦淑，欧新新.PKPM系列程序在土木工程中的应用[M].北京：机械工业出版社，2006年10月
[7] 李星荣，张守斌.PKPM结构系列软件应用与设计实例[M].北京：机械工业出版社，2007年9月
[8] 钟志宪.PKPM设计软件参数定义丛书S-1[M].北京：人民交通出版社，2007年10月
[9] 钟志宪，常彦斌.PKPM设计软件参数定义丛书S-2[M].北京：人民交通出版社，2007年11月
[10] 鐘志宪，常彦斌.PKPM设计软件参数定义丛书S-3[M].北京：人民交通出版社，2008年1月
[11] 钟志宪.PKPM设计软件参数定义丛书S-4[M].北京：人民交通出版社，2008年2月