适用于高层住宅的新型钢结构体系实例研究

2022-08-24马飞鹤

工程建设与设计 2022年15期

马飞鹤

（中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院，太原 030013）

1 新体系的提出

国内某公司针对高层钢结构住宅提出了一种新型的结构体系，新体系包括立柱、钢梁、主板架、偏心支撑等构件。立柱选取矩形钢管柱；钢梁属于空腹桁架梁，选取槽钢作为弦杆，选取方钢管作为腹杆；主板架由楼承板组成；偏心支撑为槽接式。新体系采用法兰盘节点作为梁柱连接方式，在每层柱端均设置柱帽，整体示意如图1a所示，节点示意及结构外观示意分别见图1b和1c。

图1 新结构体系示意图

2 新体系实例研究

2.1 基本参数

本项目±0.000 m以上共25层，地下设2层地下室，标准层高度为3.0 m，建筑平面尺寸45.0 m×15.0 m，建筑方案布置和结构方案布置分别见图2和图3。

图2 建筑方案布置图

图3 结构方案布置图

2.1.1 建筑方案

1）楼面做法：10 mm实木地板，20 mm厚1∶3水泥砂浆，考虑地暖。

2）屋面做法：3 mm厚的高聚物改性沥青防水卷材，25 mm厚的1∶3水泥砂浆，110 mm厚的沥青矿渣棉保温层，120 mm厚的膨胀珍珠岩，坡度2%，最薄处20 mm。

3）围护板系采用煤矸石ALC板。

2.1.2 结构方案

1）设计基本参数

基本风压：0.40 kN/m2；基本雪压：0.35 kN/m2；

基本抗震设防烈度：8度；基本地震加速度：0.20g。

2）荷载取值

楼面恒载计算值为3.4 k N/m2，屋面恒载计算值为4.2 kN/m2；楼面活载取2.0 kN/m2，不上人屋面活载取0.5 k N/m2。

3）结构布置及截面选择

以某25层工程为分析对象，钢材为Q355B，混凝土为C30。构件截面如表1所示。

表1 构件截面

2.2 整体模拟分析

采用Midas Gen结构分析软件进行整体模拟。

2.2.1 静力分析

静力分析部分主要是分析了在竖向恒载、竖向活载和风载3种荷载单独加载工况及荷载组合下结构整体的等效应力、结构层间位移及层间位移角等。其中，柱子和梁的弦杆均采用梁单元来建模，梁的腹杆和支撑均采用桁架单元来建模。

1）由梁单元和桁架单元等效应力云图可以得到梁的上下弦杆最大应力是253 MPa，中柱的最大应力是302 MPa，边柱的最大应力是244 MPa。梁的腹杆最大压应力是158 MPa，支撑的最大压应力是205 MPa。柱端和梁端总体应力大小比较均匀，说明本体系受力合理。

2）结构在X向风载（Wx）作用下，结构的第5层层间位移最大，为1.1 mm，对应的层间位移角为1/2759＜1/250；结构在Y向风载（Wy）作用下，结构的第5层层间位移最大，为4.2 mm，对应层间位移角为1/699＜1/250，因此，本体系在静力作用下满足层间位移角的最大值要求。

2.2.2 动力分析——模态分析

本次模态分析采用子空间迭代法，由结构的模态分析能够得到结构的自振周期，JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》中考虑扭转影响的结构类型，一般取10～15个振型进行模拟，本次取前15个振型进行模拟分析。由分析结果可以得到：结构的第一阶扭转周期（Tt）与第一阶平动周期（Tx）的比值为2.3451/3.1625=0.74＜0.90，满足JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》中对结构整体周期比的最大值要求。结构3个方向的结构质量参与系数分别为93.62%、93.25%、92.31%，均超过90%。结构前2阶振型分别为X向平动和Y向平动，第3阶振型为Z向扭转，每一阶的振动周期差距较小，说明整体结构振动性能较好。

2.2.3动力分析——反应谱分析

1）多遇地震下结构反应谱分析

X向多遇地震下结构最大层间位移[1]为5.1 mm，层间位移角为1/584＜1/250；Y向多遇地震下结构最大层间位移为6.1 mm，层间位移角为1/487＜1/250。因此，本体系在多遇地震下满足JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》关于层间位移角的最大值要求。

2）罕遇地震下结构反应谱分析

X向罕遇地震下结构最大层间位移[2]为32.9 mm，层间位移角为1/91＜1/50；Y向罕遇地震下结构最大层间位移为36.1 mm，层间位移角为1/83＜1/50。因此，本体系在罕遇地震下满足JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》关于层间位移角的最大值要求。

2.2.4 动力分析——时程分析

选取2条天然波和1条人工波[3]，分别为EL CENTRO SITE波、LOMA PRIETA波和兰州波（人工波）。其中，3种波记录的时间间隔均为0.02 s；3种波时程曲线的加速度峰值分别为358.9 cm/s2、269.4 cm/s2、139.8 cm/s2；3种波的记录时间均为12 s，在结构底部沿X和Y两个方向输入地震波。

可以得出在罕遇地震作用下结构X向顶点位移的变化＞Y向顶点位移的变化，故仅针对X向进行分析。3种波作用下，结构X向最大层间位移分别为25.3 mm、8.5 mm、32.9 mm，层间位移角分别为1/118＜1/50、1/349＜1/50、1/91＜1/50，满足JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》的要求。

2.3 节点模拟分析

采用壳体单元进行有限元建模分析，选用Q355B钢材，弹性模量E为2.06×105MPa，泊松比μ为0.3，梁柱节点位移取80 mm，单调进行加载，节点分析结果如图4所示。

图4 节点有限元云图

图4中梁柱节点处以及梁的弦杆与腹杆连接处应力均较大，大面积区域发生屈服，梁柱连接节点处最为明显。从分析结果中进一步提取出梁柱节点处的力与位移数值，绘制得到力（F）与位移（Δ）的关系图（见图5）。由图5可以得到：位移Δ在0～20 mm时，梁柱节点处力与位移处于弹性阶段；位移Δ在20～40 mm时，梁柱节点处开始发生塑形；位移Δ在40～80 mm时，随着位移增大，受力基本不再增长，达到峰值210 kN左右。梁端力与位移曲线符合经典力学规律，表明新体系梁柱节点受力性能良好。