高层钢结构住宅结构体系及其抗震设计方法

　　高层钢结构住宅结构体系中采用以钢材制作为主，并由型钢和钢板制成的钢梁以及钢柱等构件组成，这些构件会通过焊缝、铆钉以及螺栓等方式进行固定。高层钢结构住宅结构体系正是以其强度高、重量轻、可靠性高、易安装、密封性好等优点被现今大型建筑所采用，并取得了较好的效果。我国是在新中国成立之后才开始大规模的进行钢的冶炼，相比于西方发达国家而言有较大的技术差异，但是我国经过长期的实践过程之后在钢的冶炼和安装方面都取得了非常大的成就，并逐渐接近国际水平。高层钢结构住宅建筑数量的多少往往体现出了一个国家的经济实力，我国的钢产量处于世界领先地位，但是钢材没有得到较好的利用。使用钢结构进行建筑可以比混凝土建筑结构性能更加好，而且施工周期明显缩短、建造价格较低。但是我国目前高层钢结构住宅的施工过程中存在这较多的问题，以至于存在了较大的安全隐患。

　　尤其是在高层钢结构住宅的结构以及抗震性能方面需要进行更深入的探讨，要使得高层钢结构住宅的安全性得到有效的保障。

　　1 国内外高层钢结构住宅结构体系的研究现状

　　1． 1 国外高层钢结构住宅结构体系的研究现状

　　国外关于高层钢结构住宅结构的研究较早，而且在不断的发展过程中已经形成了较大的规模，在一些发达国家已经建造了较多的钢结构住宅［1］。高层钢结构住宅结构体系主要包括交错桁架体系和钢—混凝土混合结构体系，其中交错桁架体系的结构是美国学者在 1966 年所提出的，并与次年成功的建造了一所钢结构公寓。1974 年又有学者提出了关于交错桁架体系中的抗震性能，然后在 1983 年进行了交错桁架体系的横向水平风荷载试验，并得出了相关的实验数据。直到 20 世纪 70 年代欧洲才进行了关于钢 － 混凝土混合结构体系的住宅，并且在1981 年进行了关于地震作用下的动力特性分析。

　　1． 2 国内高层钢结构住宅结构体系的研究现状

　　我国对于高层钢结构住宅结构体系的研究较晚，我国在 2001 年才开始进行关于钢结构住宅相关的科研，并与多所高校进行合作［2］。我国对于高层钢结构住宅的建设较晚，但是所取得的成就较高。目前我国高层钢结构住宅的体系主要包括钢框架 － 支撑结构体系，钢框架 －混凝土筒体结构体系。而且钢 － 混凝土混合结构中关于抗震性能的研究也取得了较好的成就，李国强等人将钢 － 混凝土混合结构中将钢框架简化为半刚性框架，从混合结构中的特性以及受力和破坏方面进行了全面的分析。

　　2 高层钢结构住宅结构体系

　　目前高层钢结构住宅结构体系主要包括钢框架结构体系、刚框架－ 支撑结构体系、钢框架 － 剪力墙结构体系、刚框架 － 混凝土核心筒体系以及交错桁架结构体系，下面将对这五中高层钢结构住宅结构体系进行详述。

　　2． 1 钢框架结构体系
　　
　　钢框架结构体系是较为常见的，钢框架结构体系所指的是沿着纵、横方向的框架来作为承重的主要结构，钢结构框架结构体系能够使得建筑物的空间得到最大程度的利用。而且钢框架结构体系的受力部位非常明确［3］，构造也非常简洁，安装过程中非常简单，在钢材生产过程中能够进行批量化生产。但是钢框架结构体系的抗震能力较差，对于15 层以上的住宅尽量避免使用钢框架结构。

　　2． 2 钢框架—支撑结构体系

　　钢框架 － 支撑结构体系主要是利用框架结构作为基础，并在住宅中布置相关数量的竖向结构来支撑，这就使得钢框架 － 支撑结构体系能够承受水平力和侧向力，这种结构相对于钢框架结构体系而言有着较好的抗震性能，而且在进行高层刚结构住宅的建造中所耗用的资金也较少，利于更高层数的施工［4］。但是钢框架 － 支撑结构体系在施工过程中的施工难度较大，支撑的不合理也会使得建筑的布局存在局限性。

　　2． 3 钢框架—剪力墙结构体系

　　剪力墙也可称为抗风墙或者抗震墙，在住宅结构中主要是承受地震作用引起的水平荷载，能够有效的防治住宅结构受到剪切的破坏。

　　在高层钢结构住宅中合理的运用剪力墙能够使其更加稳固，使得高层钢结构住宅能够承受更大的负荷。钢框架—剪力墙结构体系中竖向的负荷是依靠钢框架承担的，而横向的荷载是钢框架和剪力墙共同承担的。当然剪力墙也分为多种形式，有的是钢板结构的剪力墙、钢板混凝土组合的墙板或者钢筋混凝土剪力墙，钢框架—剪力墙结构体系能够使得高层钢结构住宅结构能够抵御更强的推力，并能够承受更大的地震中的剪力［5］。这样就能够使得高层钢结构住宅的高度得到更大的提高，但是在地震发生时容易使得住宅的局部出现破坏的情况。

　　2． 4 钢框架—混凝土核心筒体系

　　钢框架 － 混凝土核心筒体系主要是钢筋混凝土的芯筒和钢框架共同组成的混合结构体系，钢框架—混凝土核心筒体系与钢框架—剪力墙结构体系有很多的相似之处，这种结构体系能够承受较大的荷载。

　　钢框架—混凝土核心筒体系中核心筒主要是承担横向荷载，并占据其中 90% 以上的荷载，而钢框架主要是承担竖向荷载。这种结构体系在高层钢结构住宅的建设当中运用的非常广泛，而且其施工过程中能够有效的节省材料，更大限度的降低了工程造价。但是这种结构体系中钢框架与核心筒的关联性不够紧密，即在较大的地震作用下核心筒遭到破坏，那么钢框架也就无法抵御地震的冲击。

　　2． 5 交错桁架结构体系

　　交错桁架结构体系主要是由柱子、桁架以及楼面板所构成的，通常柱子是固定在建筑的外围，而桁架则是固定在柱子上，楼面板则是固定在桁架的上弦与下弦中。交错桁架结构体系对于搞成钢结构住宅的空间占用较小，其中横向荷载是由桁架承担的，柱子主要是承受轴力［6］。

　　虽然交错桁架结构体系能够更大限度的节省住宅面积，但是其结构较为复杂，施工难度偏大，不易于在高层钢结构住宅中进行施工。

　　3 高层钢结构住宅结构体系中抗震设计的基本方法

　　高层钢结构住宅结构容易受到地震的影响，地震发生时会产生横向和纵向两个方向的力。高层住宅在地震发生时所遭受的破坏也会更大，所以在进行高层钢结构住宅结构体系的建设中要尤其注意其抗震性能的分析。在进行高层钢结构住宅结构体系的抗震性能分析中要根据地震的反应特点进行相关的计算，因为关于高层钢结构住宅结构体系的抗震包括建筑场地、结构类型以及高度等多方面的因素的影响。

　　简化精确的计算将能够使得高层钢结构住宅的安全性能得到更大限度的保障，下面将详述抗震设计的集中基本方法。

　　3． 1 底部剪力法

　　这种方法的计算较为简单，而且计算的时间也较短，这种方法通常运用在较为规则的住宅结构在水平方向所受的荷载。这种计算方法不仅可以得到住宅结构在水平方向的地震作用，而且还能够得到地震作用在结构高度上的分布。

　　3． 2 反应谱法

　　反应谱法的理论基础主要是利用单质点在地震过程中的反应来进行研究的，然后就可以绘制相关的地震反应谱曲线，反应谱曲线描述的是质点在地震作用下反应和自振周期之间的函数关系，利用这种方法能够分析不同的地震对高层钢结构住宅结构的影响。

　　3． 3 时程分析法

　　反应谱法主要是以地震反应谱为依据，其能够在很大限度上分析有关与承载力和变形的结果，但是其不能够体现出结构存在的薄弱位置以及可能发生的震害，有较大的局限性。但是时程分析法能够将整个高层钢结构住宅结构作为一个振动系统［7］，然后依据地震加速度与时间之间的变化函数就能够较好的分析出各质点的地震响应，同时时程分析法也能够分析出对于不规则住宅的地震反应。

　　4 高层钢结构住宅结构抗震性能探析

　　关于高层钢结构住宅结构抗震性能的探析首先应该建立相关的模型，然后采取相应的简化模型来进行数据结果的分析，其中应该包含框架的边长、壁厚、主梁截面、次梁截面，钢支撑矩形截面的边长、壁厚以及厚度等。建立相关的模型之后就要进行模态分析，模态分析主要是运用于高层钢结构住宅结构在地震荷载作用下的线性分析，也可称之为振型叠加法，这能够更大限度的缩短高层钢结构住宅结构的计算方法，模态分析所得到的结果是进行动力分析的重要参数，也是反应谱分析以及时程分析的基础保障。反应谱分析中所得到的是地震运动的平均值，能够反映出每个振型位移中的最大值，对于反应谱所得到的结果可以直接用于高层钢结构住宅的结构体系设计中［8］。地震作用的计算方法有两种，一种是底部剪力法，而另一种是振型分解法，底部剪力法只考虑了结构的第一振型，但是对于高层钢结构住宅而言会带来较大的误差，所以在高层钢结构住宅结构中应该采用振型分解法。

　　本文主要介绍了高层钢结构住宅的几种不同的结构体系，然后讲述了各种结构体系的优缺点以及适用范围，然后主要讲述的是高层钢结构住宅的抗震性能分析，通过这些讲述可以得到在高层钢结构住宅结构体系的设计过程中应该综合考虑其经济性、施工时间以及施工场地等因素，然后配合相关的抗震性能分析，最后来选取较好的方案。

　　参考文献
　　
　　［1］宋俊瑞． 高层钢结构住宅结构体系及抗震性能研究［D］． 合肥工业大学，2012 －04 －01．
　　［2］沈健伟． 发展钢结构住宅遇到问题和对策及发展现状和前景分析［A］． 2012 中国钢结构行业大会论文集［C］． 2012 年．
　　［3］吴席爽，曲衍进，白鹤． 钢结构住宅新工艺及新材料［A］． 第九届沈阳科学学术年会论文集( 信息科学与工程技术分册) ［C］．2012 年．
　　［4］沈祖炎． 必须还钢结构轻、快、好、省的本来面目［A］． 影响中国 － 第二届中国钢结构产业高峰论坛论文集［C］． 2010 年．
　　［5］王明贵． 中国的住宅产业化与钢结构住宅———《轻型钢结构住宅技术规程》JGJ209—2010 介绍［A］． 影响中国 － 第二届中国钢结构产业高峰论坛论文集［C］． 2010 年．