【正文】 行大廈、中國銀行大廈和上海證券大廈堪稱典范。對于鋼結(jié)構(gòu)而言，結(jié)構(gòu)抗側(cè)力性能是結(jié)構(gòu)整體性能的重要因素，決定著結(jié)構(gòu)的選型和用鋼量。適用于多層民用房屋的鋼結(jié)構(gòu)體系根據(jù)層數(shù)、抗震等要求可分為薄壁鋼骨體系、純鋼框架結(jié)構(gòu)體系、鋼混結(jié)構(gòu)體系和交錯(cuò)析架體系。冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系被用于1~2層的低層住宅或別墅，使用壽命一般只有20年，這種墻板式承重結(jié)構(gòu)被美國所廣泛采用，構(gòu)件主要是C或Z型冷彎薄壁型鋼，~(NASFA)專門針對此類型住宅制訂了描述性規(guī)范薄壁鋼骨體系外墻和樓板均采用由超級防腐的高強(qiáng)冷軋或冷彎鍍鋅鋼板制作的輕鋼龍骨為結(jié)構(gòu)承重體系，輕鋼龍骨用鋼的強(qiáng)度指標(biāo)是33~50KSl(換算成公制是230一340N/mm2）。其中采用最多的是33KSI，與我國3號鋼的強(qiáng)度類似。墻體和樓板密集的薄壁鋼骨(通常龍骨間距400mm)形成整體受力的基本框架體系，墻體龍骨厚度100~15Omm，樓面龍骨的高度一般為300mm高，這樣墻體和樓面的中空空間可為住宅中布置管網(wǎng)提供方便。輕鋼龍骨的截面形狀可分為C型槽鋼和C型立龍骨，槽鋼和立龍骨的寬度可以從60一360mm不等，滿足不同結(jié)構(gòu)部位、不同荷載、不同構(gòu)件的要求。內(nèi)隔墻不承重，可根據(jù)需要調(diào)整室內(nèi)空間格局[9]。目前，在北美和日本，針對該體系的一系列配套措施、設(shè)備產(chǎn)品已非常完備，除結(jié)構(gòu)體系的各種原材料、加工機(jī)械設(shè)備和連接配件外，從墻體圍護(hù)板材、飾面材料、保溫防水材料到配套廚衛(wèi)設(shè)備、固定家具等一應(yīng)俱全，有上千種部件可供挑選。在空間設(shè)計(jì)上由于采用模數(shù)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)師可根據(jù)業(yè)主要求靈活調(diào)整空間格局，滿足不同生活方式的需要。總體來看，薄壁鋼骨體系住宅是一種工廠化制造、能快速組裝、完全干作業(yè)的裝配式輕鋼結(jié)構(gòu)住宅體系，具有用鋼量少、抗震、節(jié)能和建造省時(shí)、省工等特點(diǎn)。目前，我國也有合作引進(jìn)的該體系小住宅，據(jù)測算，此種住宅每平方米用鋼量不超過40Kg/m2，造價(jià)1200~3000元/m2。(根據(jù)飾面材料和門窗材料的不同而有所區(qū)別)[8]。多層建筑一般適宜采用空間(梁、柱)結(jié)構(gòu)體系。純鋼結(jié)構(gòu)框架體系具體分為框架結(jié)構(gòu)體系和框架一支撐體系。結(jié)構(gòu)簡介框架體系是指沿房屋的縱向和橫向均采用框架作為承重和抵抗側(cè)力的主要構(gòu)件所形成的結(jié)構(gòu)體系。地震區(qū)的建筑采用框架體系時(shí)，縱、橫向框架梁與柱的連接一般采用剛性連接，某些情況下，為加大結(jié)構(gòu)的延性，或防止梁與柱連接焊縫的脆斷，也有采取半剛性連接構(gòu)造。對于層數(shù)不太多的樓房，框架體系是一種應(yīng)用較多的結(jié)構(gòu)體系，需作抗震設(shè)防的樓房，采用鋼框架結(jié)構(gòu)體系，房屋的最大高度不應(yīng)超過表2一1的規(guī)定[10]。表 2 1 鋼結(jié)構(gòu)民用建筑的最大高度 (m)結(jié)構(gòu)體系抗震設(shè)防烈度6度、7度8度9度框架1109050框架—支撐、框架—墻板220200140簡體和巨型框架300260180該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論成熟，設(shè)計(jì)施工簡單，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡單。但是其抗側(cè)力剛度較小，會導(dǎo)致梁、柱截面急劇增大，從而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)指標(biāo)無法滿足市場推廣的要求。但對于多層民用建筑，鋼框架體系仍然是不可或缺的基本體系之一。變形性質(zhì)水平荷載下框架的側(cè)移△之中，由梁、柱軸向變形引起的側(cè)移分量所占比例較小，由梁、柱彎曲和剪切變形引起的側(cè)移分量、所占比例較大，所以框架仍屬于彎曲桿系。但是，就框架在水平荷載作用下總體變形產(chǎn)生的側(cè)移曲線形狀而言，框架仍屬于剪切型抗側(cè)力構(gòu)件。彎曲桿系并不是很有效的抗側(cè)力構(gòu)件，當(dāng)房屋層數(shù)較多、水平荷載較大時(shí)，梁、柱截面尺寸將大大超出經(jīng)濟(jì)、鋼框架體系一般只適用于30層以下的建筑。主要分析計(jì)算方法(1) 豎向荷載作用下的近似計(jì)算方法一分層計(jì)算法[11]多層多跨框架在一般豎向荷載作用下，側(cè)移是比較小的，可以作為無側(cè)移框架按力矩分配法進(jìn)行內(nèi)力分析。由精確分析可知，各層荷載對其它層桿件內(nèi)力影響不大，因此，在近似方法中，可將多層框架簡化成單層框架，即分層作力矩分配計(jì)算。上述兩點(diǎn)即為分層計(jì)算法的基本簡化假定。分層計(jì)算所得梁彎矩即為最后彎矩，但是必須將上、下兩層所得同一柱子的內(nèi)力疊加才能得到柱的內(nèi)力。分層計(jì)算結(jié)果在結(jié)點(diǎn)上的彎矩可能不平衡，但誤差不會很大，如果需要較為精確的結(jié)果，可將結(jié)點(diǎn)不平衡彎矩再進(jìn)行一次分配。此外，還有力矩分配法、迭代法等。(2)水平荷載作用下的計(jì)算方法一D值法，假定結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角為零的一種近似計(jì)算方法。當(dāng)柱子截面較大時(shí)，梁柱線剛度比常常較小，結(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角較大，用反彎點(diǎn)法計(jì)算的內(nèi)力誤差較大。日本武藤清教授在分析多層框架的受力特點(diǎn)和變形特點(diǎn)的基礎(chǔ)上作了一些假定，經(jīng)過力學(xué)分析，提出了修正柱的抗側(cè)移剛度和調(diào)整反彎點(diǎn)高度的方法計(jì)算水平荷載下框架的內(nèi)力，修正后的柱側(cè)移剛度用D表示，故稱為D值法。該方法的計(jì)算步驟與反彎點(diǎn)法相同，因而計(jì)算簡單、實(shí)用，精度比反彎點(diǎn)法高。因此該方法在多高層的計(jì)算中得到了廣泛的應(yīng)用。此外，還有反彎點(diǎn)法、迭代法、門架法以及無剪力分配法等。(3)框架在地震作用下的內(nèi)力計(jì)算[10]地震作用又分為水平地震作用和豎向地震作用，對于多層住宅一般只考慮水平地震的作用。一般說來，水平地震作用的計(jì)算都采用振型分解反應(yīng)譜法，而對于高度不超過40m、以剪切變形為主且質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的結(jié)構(gòu)，以及近似于單質(zhì)點(diǎn)體系的結(jié)構(gòu)，可采用底部剪力法等簡化算法。結(jié)構(gòu)簡介以樓房的框架體系為基礎(chǔ)，沿房屋的縱、橫兩個(gè)方向均布置一定數(shù)量的豎向支撐所形成的結(jié)構(gòu)體系稱為框架一支撐體系，簡稱框一撐體系。水平剪力主要由腹桿而不是由柱承受，腹桿軸力的水平分量承擔(dān)側(cè)向剪力，可接近于一個(gè)真正懸臂梁的性能。梁柱框架可以是鉸接或半剛接，、梁、樓板傳來的豎向荷載。一般來說，此體系較純框架結(jié)構(gòu)用鋼量少，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造較其他體系相對簡單。從經(jīng)濟(jì)角度看，把支撐設(shè)計(jì)為僅僅受拉的構(gòu)件是很誘人的，因?yàn)殇撛诳估瓡r(shí)是十分有效的，但是這會導(dǎo)致在強(qiáng)震作用下低劣的彈塑性性能。但從另外一方面看，支撐受拉屈服能比受壓屈服耗散更多的能量。支撐框架中的框架梁與框架柱大多仍為剛性連接。支撐斜桿兩端與框架梁、柱的連接盡管在結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖中假定為鉸接，但實(shí)際構(gòu)造仍多采用剛性連接，少數(shù)工程(上海金茂大廈等)也有采用鋼銷連接的鉸接構(gòu)造。該體系改進(jìn)了框架體系抗側(cè)力能力較弱的缺點(diǎn)，但是支撐體系尤其是偏心支撐體系在施工當(dāng)中難度較大，而且由于支撐截面寬度較大，墻板與其不易配套，從而給室內(nèi)裝修帶來一定的問題，這些都需要著重解決。變形性質(zhì)(1) 支撐的側(cè)移曲線支撐在水平荷載作用下所產(chǎn)生的位移主要是由于其中各桿件的軸向拉伸或壓縮變形引起的，與框架側(cè)移是由于桿件彎、剪變形所引起的情況相比較，其量值要小的多，表明豎向支撐的抗推剛度要比框架大的多。支撐側(cè)移主要是由水平荷載傾覆力矩時(shí)支撐整體彎曲產(chǎn)生的，支撐的一側(cè)拉伸、一側(cè)壓縮，導(dǎo)致樓面傾斜轉(zhuǎn)動，由下層到上層逐層積累，使支撐側(cè)移曲線的層間側(cè)移角θ(θ= δ/h)由下而上逐層增大。(2)框 一 撐體系的側(cè)移采用框 一 撐體系的建筑，框架和支撐由于水平(側(cè)向)剛度很大的各層樓蓋的聯(lián)系和協(xié)調(diào)不再能自由的單獨(dú)變形，兩者的側(cè)向變形趨于一致。各層剛性樓蓋協(xié)調(diào)的結(jié)果使框一撐體系具有一條共同的側(cè)移曲線，從而使框架下部和支撐上部的較大層間側(cè)移角均得以較大幅度的減小。支撐形式就鋼支撐布置而言，可分中心支撐和偏心支撐兩類。(1)中心支撐中心支撐 (軸交支撐)的特征是:支撐的每個(gè)節(jié)點(diǎn)處，各桿的軸心線交匯于一點(diǎn)。中心支撐抗彎框架在相同的用鋼量下，比抗彎框架能更經(jīng)濟(jì)地提供較大的強(qiáng)度和剛度。不同的支撐的形式可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表現(xiàn)由很大不同。圖2一1顯示了一些常用的形式，這些能大大提高結(jié)構(gòu)剛度的中心支撐在地震中受到很大的壓力和拉力的作用，因此支撐的受壓屈曲支配了這些支撐的性能，還往往會產(chǎn)生捏攏的力一變形滯回性能，產(chǎn)生顯著的支撐破壞。所以，中心支撐框架被認(rèn)為具有較大剛度、較高強(qiáng)度但較之鋼結(jié)構(gòu)抗彎框架延性較小。圖 2一 1所示不同的支撐形式有不同的特點(diǎn)。圖 2一1中心支撐框架的典型形式X型支撐通常十分細(xì)軟，有很大的抗拉承載力但抗壓屈曲承載力很小。它對于抵抗側(cè)向荷載可能是十分經(jīng)濟(jì)的，但是它可能會引起彈塑性變形的集中，而且在強(qiáng)震作用下的能量耗散性能很差，所以美國規(guī)范規(guī)定只用于在地震較少發(fā)生的地區(qū)或地震較活躍地區(qū)中的低層建筑。K形支撐會引起柱在大震作用下的屈服，當(dāng)一根受壓時(shí)，其中另外一根正在受拉，而且在受拉支撐屈服前，受壓支撐早就屈曲。支撐的屈曲會引起柱中很大的剪力和彎距。所以這種支撐在地震較多發(fā)生地區(qū)被禁止使用。V形支撐(V形或倒V形)在強(qiáng)震的激勵下會引起梁的屈服，而K形支撐引起柱的屈服。帶有V形支撐的梁在大震下會引起樓板的變形，但是同時(shí)也提供了額外的能量耗散，能改善大震作用下的地震反應(yīng)。對角支撐在側(cè)向荷載向一個(gè)方向作用時(shí)受壓，而當(dāng)側(cè)向荷載向另一個(gè)方向作用時(shí)受拉，UBC(美國統(tǒng)一建筑規(guī)范) 規(guī)定，由于支撐的受拉承載力比受壓承載力大許多，不同方向傾斜的支撐數(shù)目應(yīng)均衡[12]。(2)偏心支撐偏心支撐(偏交支撐)的特征是:支撐斜桿與梁、柱的軸線不是交匯于一點(diǎn)而是偏離一段距離，形成一個(gè)先于支撐斜桿屈服的“消能梁段”，偏心支撐框架的每根桿件應(yīng)至少有一段與框架梁連接，并在斜桿與梁交點(diǎn)至柱之間或至同一跨內(nèi)另一斜桿與梁交點(diǎn)之間形成消能梁段。這種設(shè)計(jì)是為了使其產(chǎn)生剪切和彎曲屈服而避免支撐的屈曲。偏心支撐有以下幾種類型:單斜桿的一端或兩端形成消能梁段(圖2一2a) 。八字形支撐上端形成消能梁段(圖2一2b)。人字形上端形成豎向消能梁段(圖2一2c) 。X形支撐中心節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)消能板域(圖2一2d) 或水平消能桿段(圖2一2e) 。X型支撐中心節(jié)點(diǎn)采用彎曲型消能內(nèi)框(圖2一2f)。圖22 幾種偏心支撐一個(gè)節(jié)間的構(gòu)造示意[13]計(jì)算方法框架一支撐結(jié)構(gòu)體系的計(jì)算方法同框架體系的計(jì)算方法基本相同，只是其計(jì)算簡化有所不同。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，可采用平面抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的空間協(xié)同計(jì)算模型。當(dāng)結(jié)構(gòu)布置規(guī)則、質(zhì)量與高度沿高度分布均勻、且無扭轉(zhuǎn)效應(yīng)時(shí)，可采用平面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。當(dāng)結(jié)構(gòu)的平面或立面不規(guī)則、體形復(fù)雜、無法劃分成平面抗側(cè)力單元、或?yàn)橥搀w結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)采用三維空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。鋼混組合結(jié)構(gòu)是指鋼框架和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)混合使用的鋼結(jié)構(gòu)類型.結(jié)構(gòu)簡介鋼管混凝土結(jié)構(gòu)指結(jié)構(gòu)梁柱及支撐采用圓型或方型的鋼管。它是從密排螺旋箍等套箍混凝土演變而成的，其基本原理是:借助內(nèi)填混凝土來增強(qiáng)鋼管壁的穩(wěn)定性。借助鋼管對核心混凝土的約束作用，使其處于三向受壓狀態(tài)，從而提高其抗壓強(qiáng)度和變形能力。結(jié)構(gòu)的性能(1)承載力高，鋼管混凝土受壓(或受彎)桿件，由于鋼管對內(nèi)填混凝土的約束作用，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，抗壓強(qiáng)度提高一倍以上。同時(shí)，內(nèi)填混凝土反過來又阻止薄壁鋼管受壓時(shí)的局部屈曲，與鋼筋混凝土桿件相比較，圓鋼管混凝土桿件的抗剪強(qiáng)度和抗扭承載力也幾乎提高一倍。(2)截面尺寸小。與鋼筋混凝土柱相比較，由于鋼管混凝土柱的受壓承載力高，且可以不限制軸壓比，柱的截面尺寸可減小50%以上。與鋼骨混凝土柱相比，截面面積也可減小很多，因?yàn)殇摴侵某袎毫Υ笾碌扔谥鶅?nèi)型鋼承載力與外包鋼筋混凝土承載力之和，而鋼管柱的受壓承載力幾乎是鋼管及內(nèi)填混凝土單獨(dú)承載力之和的二倍。(3)延性好。鋼管內(nèi)的混凝土由于鋼管的套箍作用，受壓時(shí)的脆性破壞轉(zhuǎn)變成為延性破壞:而套箍指標(biāo)θ≥，具有極好的延性。(4) 耐火性好。由于內(nèi)填滿混凝士，能吸收大量熱能，遭受火災(zāi)時(shí)，能延長柱的耐火時(shí)間[14]。結(jié)構(gòu)簡介鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)是在鋼梁、鋼柱周圍配置鋼筋，澆注混凝土后使鋼骨與混凝土成為共同作用的組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件。結(jié)構(gòu)的性能(1)與鋼筋混凝土構(gòu)件相比，具有以下特點(diǎn):整體工作:鋼骨架與混凝土形成整體，共同受力。截面尺寸小:鋼筋混凝土柱受到配筋率限值的制約，提高承載力的唯一途徑是加大截面尺寸；而鋼骨混凝土柱可以利用設(shè)置較大截面的型鋼芯柱參與承壓，承載力相同，截面面積可以減小一半。構(gòu)件延性好:由于鋼骨的存在使得構(gòu)件延性得到很大改善，變形能力強(qiáng)、抗震性能好、承載能力高。1995年日本阪神地震，鋼筋混凝土高樓破壞率高、破壞程度嚴(yán)重。形成鮮明對比的是，采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的高樓，破壞輕微。(2)與鋼結(jié)構(gòu)相比，具有以下特點(diǎn):節(jié)約鋼材 :采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的高樓，約比全鋼結(jié)構(gòu)節(jié)約鋼材1/3左右，造價(jià)降低較多。耐火度高:包裹在鋼骨架外面的鋼筋混凝土，不僅在剛度和強(qiáng)度上發(fā)揮作用，還作為型鋼的保護(hù)層，可以取代型鋼外涂的防銹漆和防火涂料，不僅節(jié)省經(jīng)常性維護(hù)費(fèi)用，而且由于混凝上蓄熱量較大，從而提高了構(gòu)件的耐火度。兼作模板支架:型鋼在混凝土尚未澆灌之前即己形成鋼構(gòu)架，有相當(dāng)大的承載力，可用作其上若干樓層平行施工的模板支架和操作平臺，因而其施工速度僅稍慢于鋼結(jié)構(gòu)。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)和鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)都是結(jié)構(gòu)框架體系采用鋼與混凝土組合作用，兩種材料相輔相成共同工作，都具有承載力高、抗震性能好、變形能力強(qiáng)的特點(diǎn)。其中，鋼骨混凝土更接近于混凝土框架結(jié)構(gòu)的受力、這兩種體系多用于高層及中高層住宅建筑，結(jié)構(gòu)優(yōu)勢發(fā)揮得更加充分。結(jié)構(gòu)簡介(1)豎向構(gòu)件混凝土核心筒一鋼框架體系是指由鋼筋混凝土核心筒與外圈的剛接或鉸接鋼框架共同組成的混合結(jié)構(gòu)體系。當(dāng)建筑的樓層平面采用核心式建筑布置方案，沿樓面中心部位的服務(wù)型面積周邊設(shè)置鋼筋混凝土墻體所形成的核心筒，是一個(gè)立體構(gòu)件，在各個(gè)方向都具有較大的抗推剛度?；炷梁诵耐彩墙Y(jié)構(gòu)體系中的主要或唯一的抗側(cè)力豎向構(gòu)件。當(dāng)樓面外圈為剛接框架時(shí)，核心筒承擔(dān)著絕大部分作用于整個(gè)建筑的水平荷載，一小部分由鋼框架承擔(dān)。當(dāng)樓面外圈為鉸接框架時(shí)，核心筒則承擔(dān)樓房的全部水平荷載.(2)水平構(gòu)件進(jìn)行樓面構(gòu)件布置時(shí)，應(yīng)恰當(dāng)安排各層樓蓋的梁、板走向，以便讓更多的樓面重力荷載直接傳到核心筒，加大其筒壁的豎向壓應(yīng)力，以提高核心筒的受剪承載力和抵抗傾覆力矩的能力。當(dāng)核心筒的高寬比值較大時(shí)，宜在頂層及每隔若千樓層的設(shè)備層或避難層，沿核心筒的縱、橫墻體所在平面，設(shè)置整層樓高的外伸剛性析架(剛臂)，加強(qiáng)核心筒與外圈鋼柱的連接，讓外圈鋼柱與核心筒連成一個(gè)整體抗彎構(gòu)件，以加大整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的抗推剛度和抵抗傾覆力矩的能力，減小結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)側(cè)移值