高层钢结构住宅体系及性能研究

2015 毕业论文专题百手起驾 整理为您高层钢结构住宅性能分析刘寒摘 要 ：住宅的设计及建造与人们的生活息息相关，是我国工程建设的一个很大的部分，所以对住宅建设的研究将会对我国的工程建设产生极大地影响。据统计显示，我国粘土砖年产量达 7000 多亿块，这将破坏大约 15 万亩耕地；水泥年产量达 5 亿吨，伴随而来的是向大气环境中释放将近 3 亿吨 CO2。粘土砖和水泥两种建筑材料都是不可再生的。相比之下，钢材的回收和重复利用效率高，因此钢结构体系住宅是一种新型绿色住宅体系，可以进行大力倡导和发展；而且钢结构的综合性能应比较好，随着钢材性能的提高和成本的下降，钢结构住宅的设计和建造产业也将具有十分广阔的发展前景。高层钢结构住宅与传统结构相比，具有许多显著的优点，既能满足人们对居住条件的需求，又能减小对资源和环境的破坏。因此发展高层钢结构住宅具有十分广阔的前景 关键词：高层钢结构；抗震性能； ABSTRACT :Residential design and construction is closely related to peoples life, it is a big part of engineering construction in our country, so the study of residential construction will greatly influence on our countrys engineering construction.According to the statistics show that the output of clay brick of our country is more than 700 billion bricks, it will undermine about 150 thousand acre of plough. In addition, annual output of cement is 500 million tons, which is associated with nearly 300 million tons of CO2 emitted into the environment. Furthermore, both of the materials are unsustainable. In contrast, the recycle and reuse of rolled steel is more efficiency.So the steel structure residence is a new type of green residential system that should be advocated and developed. And the comprehensive performance of steel structure could be better. Along with the improvement of the performance of the rolled steel and the reducing cost, the design and construction of steel structure will have a more broad prospect for development.Compared with the traditional structure, the high-rise steel residential buildings have many significant advantages that it is not only fit for the people to live but also reduces the destruction of resources and the environment. Therefore, the prospects for the development of high-rise steel structure residential buildings are very broad. Keywords: high-rise steel structure; seismic performance; 2百手起驾 整理为您第一部分绪论3百手起驾 整理为您1.1 选题背景工程建设是社会建造的一个最大的部分，而住宅的建设是对人民群众日常生活影响最大的部分，所以对住宅的研究，尤其是对高层住宅体系及其性能的分析是具有重大意义的。而我国在住宅建设的发展方面正面临着一个十分重要的问题随着我国经济的快速发展，房地产业泡沫滋生，各地政府、职能部门为了显示其“政绩” ，纷纷展开了对建筑高度、形状的追求，不仅忽略了对资源的过多消耗，又无法满足人民群众的真正需求。而伴随着国家对楼市的调控，可持续发展观的深入人心，传统的住宅结构体系以钢筋混凝土为主要材料的框架、框剪、剪力墙等结构体系在建筑空间布局等方面已表现出不足，而且传统建筑材料的生产和使用对资源和环境的破坏十分严重，而且在如此巨大消耗之后，这些材料大部分又无法回收利用，所以造成了极大的浪费，又对环境造成极大的污染。而相比之下，钢材的回收和重复利用效率高，因此钢结构体系住宅是一种新型绿色住宅体系，可以进行大力倡导和发展，钢结构住宅的设计和建造产业也具有十分广阔的发展前景。1.2 高层钢结构住宅的特点优点：(1)钢结构体系所选用的梁、柱、支撑等构件尺寸相对较小，对建筑而言可增加 5%8%的使用面积。砌体结构中的墙体多为承重墙，而钢结构体系住宅中的填充墙一般不起承重的作用，只是用来维护和分割空间，所以可以采用轻质易拆卸可回收的墙体材料。钢结构体系住宅的建筑布局比较灵活，对内部空间的使用功能进行调整也比较方便可行； (2)钢材作为一种可以重复回收利用的材料，符合建筑节能和环境保护的要求； (3)钢结构建设过程中，钢构件的生产制造行业已经比较成熟，构件可进行大规模批量生产。现场施工中，钢构件的装配化程度也较高，不需要像混凝土一样长时间掩护，这将有助于缩短施工周期。(4)传统结构的设计和施工大都分为独立的两个环节，而钢结构体系住宅的建造过程可以将这两个环节进行整合和配套，这将节约很大的经济支出和社会资源； (5)一般说来，高层住宅建设中用于地下结构的施工费用占建设总费用比重很高。与传统结构相比较，钢结构能够减轻约 30左右的自重，这样就能够大大降低地下部分工程的造价； (6)钢结构构件的塑性变形能力强，在地震作用下能消耗大量的能量，因此钢结构比混凝土框架结构有更加良好的抗震性能。 缺点：钢材的防火性能较差，在地下及潮湿环境中容易锈蚀以及造价偏高。随着科技水平的不断发展，人们已经有很多措施来防止这些缺点。而且，实践证明通过合理的设计和施工，可以使钢结构与混凝土结构的造价持平或者略高一点。但是由于钢结构的综合效益较高，这是无可改变的。 1.3 钢结构房屋建筑的震害地震灾害统计分析中发现在同等场地、烈度条件下,钢结构房屋的震害较钢筋混凝土结构房屋的震害要小，并且总结出多高层钢结构在地震中的破坏形式主要有三种:节点破坏;构件破坏;结构倒塌。4百手起驾 整理为您(1)节点连接破坏。对于节点连接破坏主要有两种形式:支撑连接破坏与钢柱连接破坏,如图 1.2。根据 1978 年日本宫城县远海地震钢结构建筑破坏类型统计以及震害调查发现,梁柱连接的破坏大多数发生在梁的下翼缘处,而上翼缘的破坏要少得多,可能的原因主要有:(a)裂纹、欠爆、夹渣和气孔等引起傳缝缺陷,它们会导致支撑和钢柱连接处的破坏和断裂;(b)傳缝金属低的冲击韧性使得连接很易产生脆性破坏,成为引发节点破坏的重要因素;(c)梁柱连接施工过程中,为了便于燥接,在梁翼缘与柱连接处设有衬扳,施工后衬板没有拆除,形成了一条“人工”裂缝,成为节点破坏原因之一;(d)三轴应力。梁柱连接处限制施堤时煙缝的自然变形,进而产生了燥缝处的三轴应力,使材料变脆。(2)构件破坏。多高层钢建筑结构件的破坏主要有四种形式:1、是地震中母材断裂、钢柱在与支撑连接处断裂以及钢柱在拼接燥缝处断裂,即柱水平裂缝或断裂破坏,如图 1.3; 2、是梁柱在地震作用下反复受弯,在弯矩最大截面处附近由于过度弯曲可能发生翼缘局部失稳破坏,即梁柱局部失稳,如图 1.4;3、是支撑在地震中受的压力超过屈曲临界力时,产生压屈破坏,即支撑压屈,如图 1.5;4、是楼层的水平承载力沿高度突变,形成薄弱层,地震中首先破坏,刚度降低,变形增大并继续发展,产生明显的弹塑性变形集中,一旦超过结构的所有的变形能力,则整个结构倒塌,是地震中结构破坏最严重的形式,如图 1.6 所示。1.4 国内外发展现状 1.4.1 国外发展状况国外关于钢结构住宅的研究和建设起步比较早，经过一段时间的发展，现在建造规模较大。比如在美国、日本、加拿大、澳大利亚等国家均已经兴建有5百手起驾 整理为您大量的钢结构体系住宅。这些国家的居民普遍习惯于居住在低层的住宅或是高层的公寓，因此结构形式也多以低层住宅和高层公寓为主。 低层钢结构体系住宅所常用的构件形式为冷弯薄壁型钢和冷成型轻钢龙骨。多层钢结构体系住宅常用轻钢龙骨体系，对局部关键部位采用型钢进行加强处理。高层钢结构体系住宅使用较多的为交错桁架体系和钢混凝土混合结构体系。 1.4.2 国内发展概况 八十年代沿海地区引进轻钢建筑,国内各种钢结构的厂房、亚运会的一大批钢结构体育馆的建设,以及多栋高层钢结构建筑的建成是中国钢结构发展的第一次尚潮。但在 1994 年 ffU,中国超过 100 米局的尚层建筑 152 幢,其中只有 9幢米，用钢结构或钢一混结构,而在国外这样高的建筑一般都首选钢结构。我国每年的建筑用钢量仅 1%被用于预制钢结构,与发达国家 80%以上的用量比较,差距巨大。可喜的是,近年来,我国钢结构发展十分迅猛,出现了未曾有过的兴旺景象。主要表现在:1、高层、超高层建筑由中外合作到国产化的起步。2、轻钢结构建筑的迅猛发展与国外公司的大批涌入。3、空间结构得到了进一步的发展,大量大跨度的建设项目陆续兴建。我国钢结构建筑虽达到了一定的水准,但在材料、工艺设计手段等方面与发达国家相比仍存在不少差距,在有些领域尚属空白,2001 年开始国家建立了“钢结构住宅建筑体系与关键技术”的相关科研攻关课题，致力于发展钢结构体系住宅的建设。有多家知名企业、建筑设计院和大学院校参与，到目前为止该课题在一些项目中已取得一定的成果。例如，山东莱钢集团、马鞍山钢铁公司设计研究院、天津市建筑设计院设计和建造了一些钢结构体系住宅，这批住宅从 6 层到 26 层不等。采用到的结构体系主要有：钢框架支撑结构体系，钢框架混凝土筒体结构体系。目前,我国钢结构建筑主要以轻钢和钢管混凝土结构为主。轻钢结构不仅在大跨度的建筑中得以应用,而且由于我国资源和能源有限、结构钢预制程度高和住宅结构部件轻等优点,以后将在中小型公共建筑和住房中得以更多的应用。另一个是钢管混凝土结构,由于整体结构抗压抗震以及塑性等性能良好、节约成本和安装方便等优点,其结构在我国广泛应用于高层钢结构建筑中,并且在世界上处于领先地位。展望未来,钢结构建筑将在我国得到普遍的应用和推广,主要有以下几个方面原因:1、是国家对在建筑施工过程中钢材的使用从“限制” 、 “合理”转变到“鼓励”,进而我国钢结构建筑住宅的发展已经具备基本条件;2、是钢结构建筑中的结构构件可以在工厂中生产,实现工厂化、设计和制造标准化和系列化,从而提高了钢结构建筑的建设的速度和节约成本;3、是钢结构建筑是一种绿色环保建筑,生产效率高,环境污染和噪声污染少,己被国家建设部列为重点推广项目;4 是人们思想观念的转变,对钢结构建筑的认可度提高了。所以，综合来看钢结构住宅体系的综合性能较其他体系较好，其应用前景6百手起驾 整理为您将是十分广阔。第二部分常用住宅体系2.1 常用住宅体系的布置2.11 平面布置高层钢结构住宅首先应充分发挥钢结构构件和钢结构体系在住宅建筑中的优良性能，在此基础之上，更应满足住宅的使用功能要求。在柱网布置方面，柱网尺寸宜优先满足单元或者套型的布局。另一方面还要考虑承重结构、楼（屋）盖、围护结构和设备管线的选择和优化，以适应人们对于住宅使用功能的要求。 建筑平面的选型尽量满足规则和简单，各结构层的抗侧力刚度中心最好与质量中心重合或者接近，各层刚心和质心的连线宜接近一条竖直线。不宜设置抗震缝，在薄弱部位可采取构造措施用以提高抗震能力。2.1.2 竖向布置竖向布置主要以钢材为主要部件，其次搭配以砖墙等辅助构件来组成高层钢结构住宅。（1） 墙体在钢结构住宅中，墙体不属于承重构件，大多只是起到维护和分隔空间的作用，但墙体仍然是钢结构住宅建筑体系中的一个十分关键的因素。墙体材料的性能和墙体的布置对住宅的隔热隔声、防水等性能会产生影响。另外，采用自重较轻的墙体材料能够减轻结构的竖向荷载，也能够减小整体结构在地震作用的下反应。墙体的类型有：a.轻型砌体墙：砌体材料有空心粘土砖、小型混凝土空心砌块、加气混凝、土砌块和粉煤灰砌块，内外墙均可使用。由于加气混凝土砌块的性能更优，适用于高层钢结构住宅。而采用粘土砖既会破坏资源和环境，又不能达到很好的使用效果，所以不鼓励使用这类材料。b.整体装配式墙体：有 ALC 板、GRC 板。c.现场复合型外墙板。这类墙板在别墅和独立住宅建设中的使用较为普遍，市场上常用的有 PVC 复合墙板、轻钢龙骨内填充复合材料外墙、金邦板复合外墙等。2.2 住宅的结构体系强度、刚度、延性是结构设计的关键。我国抗震规范所要求的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的基本原则，需要通过不同的抗震结构体系来实现，对于高层住宅结构而言，设计中最主要的方面是对抗侧移能力的要求，保证结构有足够的抗侧刚度，才能满足地震荷载作用下结构侧移的允许限值，从而保证结构的安全。在钢结构住宅方案比选的过程中，结构形式和抗侧移能力是十分重要的两点，在此基础上综合多种因素，找到适合建筑户型、构件标准和产业化建设的结构形式。2.2.1 钢框架结构体系 （1）布置形式 钢框架结构体系在高层钢结构住宅的设计和建造中应用十分广泛，由基础、框架梁柱、墙体、楼屋盖等组成，按照框架柱间距的大小可分为大跨度结构以及密柱式小开间结构。大跨度结构的建筑空间开阔、建筑布局灵活可变、空间7百手起驾 整理为您利用率高，充分发挥了钢结构材料自重轻强度高的优点。但是随着柱网尺寸的增大，梁柱等构件的截面尺寸也随之增大，综合考虑结构的受力性能和经济性能两方面的因素，在住宅建筑中，钢框架结构体系的柱间距宜为 67.2m。而住宅建筑中密柱式小开间结构的柱距一般在 35m，这类结构形式的梁柱截面相对较小，楼板的受力也较小，因此可以减小楼板的厚度，但是此类结构的缺点是空间布局方面受到极大的限制，无法形成敞开式的大空间，无法满足对于住宅空间的较高要求。 钢框架结构体系的梁与柱之间通过高强螺栓或者焊缝来进行连接。在设计与施工过程中，常用的梁柱连接形式有：1）焊接型节点，即梁的翼缘与柱交接处采用坡口全熔透焊缝，梁的腹板与柱交接处采用围焊缝，个别部位设置的螺栓只起到定位的作用，不参与节点受力；2）螺栓型节点，即梁与柱的交接处，翼缘和腹板与柱之间的连接全部采用摩擦型高强螺栓；3）混合型节点，即梁的翼缘与柱子之间采用坡口全熔透焊缝，而腹板则采用高强螺栓与柱相连。 （2）变形和受力特征 在地震或者风载等水平方向荷载的作用下，刚接框架会发生侧向的位移，侧移有两个方面的因素构成。一是倾覆力矩作用下柱子产生拉压变形，导致整体结构有向某一侧倾斜的趋势；二是在受力分析时，结构剪力引起构件，特别是梁柱的承载受弯。一般情况下，结构整体弯曲引发的侧向位移较小，大概占总位移的十分之一左右。水平荷载作用下剪切变形所产生的位移，一部分由柱子来承担，使柱子发生弯曲，这部分位移直接就是框架的侧移；另一部分由框架梁来承担，框架梁的变形引起节点的转动，从而以间接的方式引起框架的侧向位移。这两部分位移组合起来就是框架结构在水平荷载作用下总的侧向位移。综上所述，在钢框架结构体系中，梁柱的刚度和抗弯能力是整个结构抗侧移能力的关键，同理，如果想要增大结构的抗侧刚度，只有通过增大梁柱截面尺寸来实现。 （3）钢框架结构体系的特点 钢框架结构体系在建筑平面布置上具有很大的灵活性，能适应对空间使用的各种要求。结构方面，这种结构体系的刚度分布比较均匀，节点的构造相对简单，便于设计和施工。钢框架结构体系的自振周期较长，在地震作用下具有很好的延性。缺点是抗侧体系单一，抗侧刚度小，随着建筑高度的增加，会表现出明显的不足。2.2.2 钢框架支撑结构体系 （1）中心支撑 钢框架结构体系的抗侧刚度相对较小，因为其抗侧体系单一，只依靠框架梁柱的受弯来承受水平荷载。当建筑物的高度过高时，框架结构的抗侧刚度将难以达到设计所需的要求，在风载或者地震作用下，顶层形心位置的侧移会超过规范规定的限值。如果仍坚持采用框架结构，只有依靠增大梁柱等构件的截8百手起驾 整理为您面尺寸来实现，这样将会对材料造成极大的浪费。这时可以考虑在框架结构适当的位置布置支撑，形成钢框架支撑结构体系。 支撑的布置应遵循一定的原则。支撑的布置在平面上要求均匀对称，这样可以保证整体结构的稳定，质心和刚心的位置不至于发生过大偏差。支撑的布置在立面上要求一致连续，以避免楼层发生刚度突变，在地震作用下形成薄弱层。再者就是支撑的布置一定要满足建筑功能的要求。典型的中心支撑形式见图 2-1。钢框架支撑结构体系可以认为是一个竖向的悬臂桁架，依靠柱子和支撑的轴向刚度来抵抗侧向荷载。当侧向荷载为倾覆力矩作用时，该系统中的柱子可视为桁架的弦杆；当侧向荷载为水平方向的剪力时，该系统中支撑和梁可视为桁架的腹杆，受力方式为拉压受力。对于中心框架支撑而言，框架部分的变形形式为剪切变形，层间位移在底部较大而在顶部较小；支撑部分的变形形式为弯曲变形，层间位移在底部较小而在顶部较大。两部分变形综合起来可以有效减小结构的侧向位移。 （2）偏心支撑 钢框架支撑结构体系改善了钢框架结构体系抗侧能力的不足，具有了较大的强度和刚度，但是抗震性能还要求结构在地震荷载作用时具有良好的能量耗散，出于这一个方面的考虑提出了偏心支撑的框架结构。中心支撑的破坏形式一般为受压屈曲，这使得整个结构的能量耗散能力很差。偏心支撑框架具有较大的刚度，在正常使用阶段不致产生较大的侧向位移，在地震荷载作用下，偏心支撑的设置使得部分梁段参与塑性变形，消耗和吸收地震能量，防止支撑过早地发生受压屈曲破坏。因此在高层钢结构住宅的设计和建设过程中，偏心支撑框架是一种非常适用的抗震结构体系。 常见的偏心支撑形式有 3 种，如图 2-2 所示：D 型支撑，K 型支撑，V 型支撑。D 型支撑框架一般适用于结构跨度较小的位置，但是为了避免结构在两个方向的抗侧能力差距过大，应至少设置两组支撑。K 型支撑和 V 型支撑框架适用于跨度较大的位置，其中试验证明 K 型支撑框架的滞回曲线十分饱满，9百手起驾 整理为您在重复荷载作用下具有很好的延性，而且 K 型支撑框架中耗能梁段与柱子分离，性能更加稳定，因此具有更加优良的耗能性能。在多遇地震荷载作用下，偏心支撑框架的构件都处于弹性受力阶段，支撑的主要作用还是给结构提供抗侧刚度，这时整个结构的工作状态类似于中心支撑框架。在罕遇地震荷载作用下，耗能梁段先于支撑发生弹塑性变形，参与消耗和吸收地震能量，防止支撑过早地发生受压屈曲破坏。在设计过程中应该注意：支撑应足够强，应后于耗能梁段屈服；耗能梁段应按照剪切屈服梁进行设计，梁段的长度不能过长。 2.2.3 钢框架剪力墙结构体系 钢框架剪力墙结构体系是在框架结构体系的基础之上，设置一定数目的剪力墙所成的结构体系。剪力墙的布置方向可以沿纵向或横向，也可以在两个方向同时布置。最近一段时期以来，我国高层钢结构住宅的设计和建设多采用钢框架剪力墙结构体系。设计中常见的剪力墙体系有混凝土剪力墙和钢板剪力墙两种。 剪力墙的布置原则：平面内应符合对称、均匀、分散、靠边的原则，剪力墙在每个主轴上的布置应多于三片，沿至少两条轴线布置。剪力墙的竖向布置宜一致连续，上下对齐，不得中断。考虑经济因素，可以将剪力墙采取分段减薄的措施。剪力墙应与框架梁柱之间存在有可靠的连接。 在受力方面，框架部分的主要功能是承受结构的竖向荷载，剪力墙或者核心筒的主要功能是承担水平方向的荷载，是结构最主要的抗侧力体系。混凝土剪力墙可以采用现场浇注，也可以采用工厂预制、现场焊接组装的方式。钢板剪力墙则采用现场组装的方式。住宅建筑中剪力墙或者核心筒设置在楼梯间和分户墙的位置，这样结构既能获得较大的抗侧刚度和抵抗水平剪力的能力，又不影响框架结构空间开阔、布置灵活、使用方便的特点。钢框架剪力墙结构体系有以下优点：1）该结构体系在荷载作用下的传力路径十分明确，分析和计算也比较简单，符合目前的设计和施工水平；2）相比纯框架体系，剪力墙的设置使整体结构获得了较大的侧向刚度，保证结构不致发生很大的侧向位移；10百手起驾 整理为您3）在卫生间、电梯间、分户墙等