西安科技大学学报４４２０１４年１１钢框架住宅的结构体系在现代化的建筑体系中钢框架的结构体系较为常见在平面布置上钢框架结构较混凝土结构有更大的灵活性钢框架的结构体系可以使建筑住宅的内部空间更大可以在各种功能型建筑中使用并且其安装便捷构件制作工艺简单可以推

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往戚
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1 第 34 卷第 1 期 2014 年 01 月西安科技大学学报 JOURNALOFXI ANUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY Vol.34 No1 Jan2014 文章编号 : (2014) 钢结构住宅体系抗震性能陈少杰, 韩航波 ( 西安科技大学建筑与土木工程学院, 陕西西安 ) 摘要 : 从高层建筑物的钢结构的住宅结构体系的抗震性能的角度着手, 建立钢框架钢框架支撑和钢框架剪力墙的三维立体空间的有限元模型通过有限元的软件对这 3 种钢框架模型进行 8 的抗震设防下模拟, 并分别对其进行模态分析与动力时程的研究分析, 根据 3 种模型的动力时程的顶点位移与层和层之间的位移进行相关对比, 指出对钢结构设置支撑和剪力墙, 来完善高层的钢结构的住宅结构体系的抗震性能, 从而提高建筑物的稳定性和抗震能力关键词 : 高层建筑 ; 钢结构 ; 抗震性能中图分类号 :TU323.5 文献标志码 :A Seismicperformanceofsteelstructureresidentialsystem CHENShaojie,HANHangbo (ColegeofCivilandArchitecturalEnginering,Xi anuniversityofscienceandtechnology,xi an710054,china) Abstract:Consideringtheseismicperformanceofhighrisebuildingssteelstructureresidentialstructure system,establishasteelframe,abracedsteelframeandsteelframeshearwalofthreedimensional spacefiniteelementmodel.bythefiniteelementsoftwareforthethreekindsofsteelframemodelonthe eightdegreeearthquakesimulation,cariesontheresearchonthemodalanalysisandtimehistoryanal ysis.thethreemodel srelationofthecopingdisplacementandrelativestoreydisplacementwerecom pared,andtheseismicperformanceofsetingsteelbraceandsteelframeshearwalwasproposed. Keywords:highriseresidence;steelstructure;seismicperformance 0 引言钢结构是一种绿色建筑, 与混凝土建筑物结 [1-3] 构比较, 具有很大的优势钢结构住宅是目前大力推广建筑和使用的项目, 纯钢框架的结构体系可以提供较大的室内空间, 并且钢结构的刚度也较为均匀延展性好自振的周期长, 特别是高层的钢结构住宅, 也正是由于钢结构的特点导致钢结构住宅不宜建的过高对于高层钢结构的住宅体系进行探索和研究, 从而推动高层的钢结构住宅发展与完善, 具有很高的指导参考价值从研究钢结构高层住宅结构体系的抗震性能着手, 利用有限元模拟手段, 在 8 设防下, 分别建立钢框架结构钢框架 - 支撑和钢框架 - 剪力墙结构 3 种空间有限元模型, 通过对结构模态反应谱时程等计算结果, 试图分析 3 种不同结构形式钢结构住宅体系的抗震性能的变化规律 [4-5], 总结 3 种结构形式各自的破坏机理和薄弱点位置, 对设计提出建议 1 高层的钢结构住宅的结构体系收稿日期 : 通讯作者 : 陈少杰 (1989-), 男, 陕西府谷人, 硕士, @qq.com

西安科技大学学报４４２０１４年１１钢框架住宅的结构体系在现代化的建筑体系中钢框架的结构体系较为常见在平面布置上钢框架结构较混凝土结构有更大的灵活性钢框架的结构体系可以使建筑住宅的内部空间更大可以在各种功能型建筑中使用并且其安装便捷构件制作工艺简单可以推广生产的标准化与定制由于纯钢框架结构的体系刚度较小是单一的抗侧力的体系因此其

４５０ｍｍ其水平的荷载形成钢框架剪力墙混合结构体系０混凝土的灌注主壁厚为２０ｍｍ在内部进行Ｃ４在提高了结构侧向的刚度外同时可以减小结构梁截面尺寸为ＨＮ６００ｍｍ２００ｍｍ１０ｍｍ１５侧向的位移在剪力墙的设置上一般使用钢板ｍｍ次梁截面尺寸为ＨＮ４００ｍｍ２００ｍｍ７ｍｍ支撑钢板和混凝土剪力墙共同组成住宅墙１１ｍｍ其结构的钢支撑采用矩形截面

2 西安科技大学学报４４２０１４年１１钢框架住宅的结构体系在现代化的建筑体系中钢框架的结构体系较为常见在平面布置上钢框架结构较混凝土结构有更大的灵活性钢框架的结构体系可以使建筑住宅的内部空间更大可以在各种功能型建筑中使用并且其安装便捷构件制作工艺简单可以推广生产的标准化与定制由于纯钢框架结构的体系刚度较小是单一的抗侧力的体系因此其抗震性能也比较差所以纯钢结构框架的使用只图１钢框架支撑高层限于小高层住宅６１２钢框架剪力墙的结构体系Ｆｉｇ１Ｂｕｉｌｄｉｎｇｏｆｓｌｂａｃｄｆａｍ模型的建立高层钢结构的住宅结构体系７８中设置剪力模型层高为１８层钢材的强度为Ｑ３４５框架墙的结构体系可以把剪力墙与框架相结合抵抗柱的材料是方形钢管混凝土其边长为４５０ｍｍ其水平的荷载形成钢框架剪力墙混合结构体系０混凝土的灌注主壁厚为２０ｍｍ在内部进行Ｃ４在提高了结构侧向的刚度外同时可以减小结构梁截面尺寸为ＨＮ６００ｍｍ２００ｍｍ１０ｍｍ１５侧向的位移在剪力墙的设置上一般使用钢板ｍｍ次梁截面尺寸为ＨＮ４００ｍｍ２００ｍｍ７ｍｍ支撑钢板和混凝土剪力墙共同组成住宅墙１１ｍｍ其结构的钢支撑采用矩形截面其边长钢框架剪力墙结构体系中的墙板具有抗大小为２００ｍｍ壁厚是１０ｍｍ剪力墙采用２０ｍｍ侧刚度与承压承载力的作用可以提高钢结构住的厚钢板楼板利用１１０ｍｍ的厚现浇混凝土板宅结构的设计高度但是如果在强地震荷载下其有限元分析模型如图２所示其剪力墙部分由于应力集中会造成住宅结构的局部范围内的破坏与裂缝整体结构性能因此下降１３钢框架支撑结构的体系钢框架支撑结构体系主要是在纯框架的结构体系基础上发展起来的沿着住宅的横纵向布!# " 置竖向的支撑结构体系该结构体系从支撑获得Ｆｉｇ２Ｆｉｎｉｌｍｎｍｏｄｌｏｆｓｕｃｕｓ有更可靠的性能如果建筑住宅的层数较多时ａ钢框架模型可以使用钢框架支撑结构体系其改善了纯钢开启位置的设置有较大的影响图１为由西安五建承建的位于西安市凤城九路的一个钢结构高层此高层就采用了钢框架钢支撑的结构体系根据钢结构的框架与支撑体系９进行三维空间有限元的模型建立１０并且结合ＳＡＰ２０００的有限元的分析软件针对此项模型进行抗震性能研究采取ＳＡＰ２０００软件分别对钢框架钢框架支撑钢框架剪力墙的结构体系进行三维空间ｂ钢框架支撑模型ｃ钢框架剪力墙模型２２计算原理高层建筑结构被简化成一个多质点的体系运动的微方程如下ＭｘＣｘＫｘＦｐ２结构体系的抗震性能分析２１模型的建立!! " 图２结构有限元模型水平力与侧向的刚度提高了框架的抗震能力具结构体系的抗侧力的弱点但是对于住宅门窗的!" " １在 Δ时刻其运动的微分方程表示如下公式Ｍｘ Δ Ｃｘ Δ Ｋｘ Δ Ｆｐ Δ 式中２Ｍ为钢结构刚度的质量矩阵Ｃ为钢结构阻尼矩阵Ｋ为钢结构的刚度矩阵ｘ为钢结构各个质点在时刻的位移ｘｘ分别为结构各质点在和 Δ时刻速度ｘ Δ ｘ Δ 分别为结构各质点在和 Δ

3 第 1 期陈少杰等 : 钢结构住宅体系抗震性能 45 时刻的加速度 ;{F p (t)},{f p (t+δt)} 分别为钢结构在 t 和 t+δt 时刻的动荷载数值的积分法计算过程如下 : 假设 t=0 时刻的状态向量 ( 位移 ; 速度 ; 加速度 ) 已的, 将时间求解域 t 在 0-T 的范围内进行离散, 最终得 t=0+ Δt 时刻的状态向量, 继而进行计算 t=t+δt 时刻的状态向量, 直至在 t=t 时刻终止, 就可以得到动力的响应全过程 2.3 结构的模态的分析可以利用 SAP2000 程序对高层的钢结构住宅结构实施模态分析, 分析结果中含有基本性能的参数, 参数是其他的动力分析的基础 ( 反应谱分析与时程分析 ) 模态分析又可以称作振型叠加法的动力分析, 可以对非阻尼自由振动条件下振型与固有周期进行求解, 方程公式如下 [K]{ n }=ω 2 n[m]{ n }. (3) 其中 [K] 为结构刚度矩阵 ;[M] 为结构质量矩阵 ;{ n } 代表第 n 阶振型的特征值 ;ω 2 n 代表第 n 阶振型向量经过分析可得三组模型各自的前 10 阶阵型的周期, 见表 1. 表 1 结构自震周期 Tab.1 Naturalvibrationperiodofthestructure s 振型序号钢框架钢框架支撑钢框架剪力墙图 3 结构的自振周期 Fig.3 Naturalvibrationperiodofthestructures 对 3 种结构形式的自振周期, 钢框架结构的自振周期较大并且下降较慢, 钢框架 - 剪力墙由于加设了剪力墙为抗侧力构件, 抗侧刚度明显增强, 自振周期较小钢框架 - 支撑结构的自振周期介于前两者之间自振周期的对比如图 3 所示 2.4 结构的反应谱分析抗震设计的反应谱是按地震加速度反应谱的特性为依据, 经统计分析和平滑处理且结合经验而判断确定的文中研究的钢结构, 按照建筑抗震设计规范 (GB ), 抗震设防烈度为 8, 设计基本加速度为 0.20g. 在多遇地震下, 水平地震的影响系数最大值为 0.16, 特征周期为 0.40s. 对 3 种模型进行 Y 方向的反应谱分析, 得到各层的位移和层间位移分析结果见表 2. 对 3 种结构形式的 Y 向各层节点的位移进行对比, 钢框架 - 支撑和钢框架 - 剪力墙设置了抗侧构件, 他们的抗侧能力较纯钢框架有了很明显的改善由分析结果可以看出, 钢框架 4 层的层间位移为 934mm, 为最大值钢框架 - 支撑结构最大值在第 8 层, 为 457mm, 钢框架 - 剪力墙最大值在 12 层, 为 366mm. 钢框架 - 剪力墙结构的层间位移变化较小, 层间位移曲线比较平滑, 层间位移最大值在接近顶层的位置, 所以在设计时应该采取相应措施, 对顶层位移进行控制 3 个结构的各节点位移曲线和各层间位移曲线如图 4, 图 5 所示图 4 结构各层节点位移 Fig.4 Nodaldisplacementcurveofstructures 2.5 结构的时程分析在 ELCentro 波的作用下, 分析 3 种结构在 8 设防下, 加载 Y 方向加速度时程函数, 得出钢结构顶点位移与层间位移的分析结果, 分别做出顶点位移和层间位移时程曲线

4 46 西安科技大学学报 2014 年表 2 位移分析结果 Tab.2 Resultsofdisplacementanalysis mm 节点位移层间位移层数钢框架钢框架支撑钢框架剪力墙层数钢框架钢框架支撑钢框架剪力墙图 5 结构各层间位移 Fig.5 Interstorydisplacementcurveofstructures 1) 结构顶点的位移可以通过软件程序的计算,3 种的结构体系作用在地震烈度为 8 (0.20g) 的顶点的位移, 得到时程曲线 (Y 向 ) 如图 6 所示从图可以看出, 钢框架结构通过时程函数作用, 地震响应振动频率最小, 但是顶点位移最大钢框架支撑和钢框架剪力墙的振动频率较大, 但顶点的位移有很明显的减小 2) 结构层间位移, 由 3 种结构体系最大层的层间位移的计算结果, 得出层间位移的时程曲线, 如图 7 所示从图形可以很明显的看出在 ELCen tro 波的作用下, 钢框架结构体系抗侧向位移的控制能力是最弱的, 钢框架支撑和钢框架剪力墙结构体系由于设置了支撑与剪力墙的抗侧力构件, 层间位移较小, 抗侧刚度有了很明显的提高图 6 8 顶点位移时程曲线 Fig6 Vertexdisplacementofeightdegree 图 7 8 层间位移曲线 Fig7 Interlayerdisplacementcurveofeightdegree 3 混合钢框架结构住宅结构体系的优越性 3.1 结构稳定性钢框架 - 支撑和钢框架 - 剪力墙作为建筑住

5 第 1 期陈少杰等 : 钢结构住宅体系抗震性能 47 宅支撑体系, 它们侧向的刚度要比纯钢结构的框架结构体系刚度大, 这种混合支撑体系侧向位移比纯钢框架的结构体系侧向位移小得多, 其自振的频率也会有所提高 3.2 抗震稳定性由于地震波在不同的场地, 地震的过滤效果和选择性的放大效果也会有所不同, 在建筑住宅的上部主体的结构经过地震波周期性的影响, 加支撑的结构体系自振周期与纯钢结构框架相比, 自振周期小施工中为了有效的避免建筑住宅结构后期使用由于自振周期和场地卓越周期产生的共振, 可以根据不同场地对结构体系做好相应的调整, 增强住宅结构的抗震性能 3.3 钢结构住宅的经济优越性住宅利用钢结构体系在成本造价上要比钢筋混凝土结构要高, 但是钢结构体系的经济效益, 却是无法相比的钢结构的废弃材料可以作为回收材料, 二次使用, 提高了环保效果并且其综合优势也促使钢结构体系的应用发展 : 第一, 住宅造价较低第二, 内在价值的体现, 节能效果明显第三, 资金使用率相对较高, 结构体系的构建风险较低第四, 抗震性能稳定, 抵抗外界环境的作用强度大, 减少在自然灾害中的经济损失 4 结论根据结构的有限元模拟与对比, 得出以下结论与建议 1) 在钢框架的住宅结构体系中, 在强地震作用的情况下, 钢框架结构侧向位移较大, 而钢框架支撑和钢框架剪力墙则相对较小, 抗侧能力有明显改善 2) 钢框架体系主要为剪切变形, 梁柱弯曲产生的位移占主要部分, 钢框架 - 剪力墙体系主要为弯剪变形, 层间位移沿建筑物高度分布比较均匀, 有利于减少地震作用中非结构构件的破坏钢框架 - 支撑体系的变形形式介于纯钢框架和钢框架剪力墙之间 3) 钢框架 - 支撑体系和钢框架 - 剪力墙体系的层间位移曲线比较平缓, 楼层之间的侧移变化范围相对较小, 而且最大层间位移的出现位置有向顶层发展的趋势 4) 从曲线结果可以看出, 纯钢框架结构的刚度不够高, 在住宅体系中只适用于小高层建筑对于地震烈度较大地区的小高层的结构体系和高层住宅不适合建造纯钢框架的结构体系, 应采取刚度较高的钢框架 - 支撑体系或钢框架 - 剪力墙体系参考文献 References [1] 夏冰青. 轻钢龙骨复合承载体系结构性能研究 [D]. 南京 : 南京工业大学,2003. XIA Bingqing.Lightgauge steelframed compound structureperformancestudy[d].nanjing:nanjinguni versityoftechnology,2003 [2] GadE.F.Lateralperformanceofcoldformedsteelfra meddomesticstructures[j].engineeringstructures, 1999(21): [3] 童悦仲, 娄乃琳. 美国的多层轻钢结构住宅 [J]. 住宅科技,2004(11): TONG Yuezhong,LOU Nailin.Multistorylightsteel structruehousinginamerica[j].housingscience,2004 (11): [4] 米旭峰. 钢支撑设计方法对多层框架抗震性能的影响研究 [J]. 江苏科技大学学报 : 自然科学版,2008, 22(2): MIXufeng.Analysisofaseismicbehaviorofmultistory framesbasedondiferentbracesdesignmethods[j]. JournalofJiangsuUniversityofScienceandTechnolo gy:naturalscienceedition,2008,22(2): [5] 宋俊瑞. 高层钢结构住宅结构体系及抗震性能研究 [D]. 合肥 : 合肥工业大学,2012. SONG Junrui.Seismicperformanceofhighrisesteel structureresidentialstructuresystemandresearch[d]. Hefei:HefeiUniversityofTechnology,2012. [6] 薛发. 国外多层钢结构住宅的发展概况 [J]. 工程建设与设计,2004(5):3-4. XUEFa.Thedevelopmentsituationofoverseasmulti storeysteelstructureresidence[j].constructionand DesignforProject,2004(5):3-4. [7] 侯桂欣. 小高层钢结构住宅双重抗侧力体系抗震性能研究 [D]. 石家庄 : 河北工程大学,2010. HOUGuixin.Medium highrisesteelstructurehousing doubleresistancetolateralforcesystemofseismicper formanceresearch[d].shijiazhuang:hebieuniversity ofengineering,2010. [8] 史三元, 侯桂欣, 苏晓亮, 等. 小高层钢结构住宅抗震性能研究 [J]. 河北工程大学学报 : 自然科学版, 2010,27(2): ( 下转第 66 页 )

6 櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴 ( 上接第 47 页 ) SHISanyuan,HOU Guixin,SU Xiaoliang.Seismic performanceonmedium highrisesteelstructureresi dence[j].journalofhebeiuniversityofengineering: NaturalScienceEdition,2010,27(2): [9] 李国强, 周向明, 丁翔, 等. 高层建筑钢 - 混凝土混合结构模型模拟地震振动台试验研究 [J]. 建筑结构学报,2001,22(2):2-7. LIGuogiang,ZHOU Xiangming,DING Xiang,etal. Tablestudyonamodelofsteelconcretehybridstruc turetalbuildings[j].journalofbuildingstructures, 2001,22(2):2-7. [10] 闫月梅, 郭秉山.Y 型偏心支撑钢框架受力性能有限元分析 [J]. 西安科技大学学报,2009,29(2): YANYuemei,GUOBingshan.PerformanceofYshape eccentricalybracedsteelframesundercyclicload[j]. JournalofXi anuniversityofscienceandtechnology, 2009,29(2):

第期孙义刚等砖混组合结构特征刚度系数对混凝土墙数量的影响柱圈梁箍紧砌体墙协同工作因此混凝土和砌筑砂浆强度等级是抗御地震力的第一道防线在地震力作用下结构进入弹塑性阶段后钢筋混凝土剪力墙和钢筋混凝土楼板发挥其主要作用承担着地震水平力的作用和传递作到裂而不倒是抗御地震的

第期孙义刚等砖混组合结构特征刚度系数对混凝土墙数量的影响柱圈梁箍紧砌体墙协同工作因此混凝土和砌筑砂浆强度等级是抗御地震力的第一道防线在地震力作用下结构进入弹塑性阶段后钢筋混凝土剪力墙和钢筋混凝土楼板发挥其主要作用承担着地震水平力的作用和传递作到裂而不倒是抗御地震的第卷第期重庆大学学报年月!" #"$%&"' % 文章编号 ()(- 砖混组合结构特征刚度系数对混凝土墙数量的影响孙义刚潘志宏邵阳学院城市建设系湖南邵阳 + 摘要根据砌体墙钢筋混凝土墙组合结构的受力特点提出了在地震作用下混凝土剪力墙合理数量的计算公式公式中混凝土墙数量的取值参数的主要影响因素为场地特征周期抗震设防烈度弹性层间位移角限值组合结构特征刚度系数非承重墙的自振周期折减系数等