1. 引言
近年来,由于钢结构工厂化生产,现场作业较少,钢材抗震强度好,自重较轻,而广泛应用于大型厂房、桥梁、场馆、超高层等领域。很多文献,如冯冲 [1] 和高立翔 [2] 等都对钢材在高层建筑制作和应用的方法,以及高层建筑在修建过程中所选用的结构进行了全面详细的分析。随着钢结构发展越来越快。结构形式也发生了很大的变化,由纯钢结构发展为钢管混凝土结构,进而发展为钢骨混凝土结构。越来越多的结构形式出现,扬长避短,构件向着小截面高强度的方向发展。
在多层钢结构中,钢框架体系计算简单,稳定性较好,制作与运输相对简单,工程中用的较多。而对于高烈度区,建筑高度较高,层间位移起控制作用时,则会适当的增加支撑。提高结构整体刚度,减少梁柱的用钢量,使结构整体计算情况得到改善。有很多文献研究了支撑对结构产生的影响,比如陈明华 [3] 研究了不同支撑类型,支撑方式对高层钢框架结构的侧移刚度影响以及支撑布置的经济性。张谨 [4] 研究了偏心支撑对结构体系的影响。本文根据前面的研究结果,依据实际计算的结果,对某60 m的高层进行了钢框架体系、钢框架–支撑体系的计算,并将结果进行对比分析。
2. 概述
本工程位于云南省昭通市,地下2层,地上15层,建筑总面积近7万m2,地上建筑面积约为5万m2,主要功能为办公及公寓;地下建筑面积约为2万m2。标准层层高3.600 m,总高61.800 m。平面尺寸:89.100 m × 49.800 m,柱距:8100 mm。建筑标准层平面布置图见图1所示。
![](//html.hanspub.org/file/13-2750648x9_hanspub.png)
Figure 1. Standard floor plan of building
图1. 建筑标准层平面图
该工程设计基准期为50年,50年一遇的基本风压ω0 = 0.35 KN/m2,地面粗糙度类别为B类,结构抗震性能基本数据如表1所示。
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 1. Basic seismic data of the structure
表1. 结构抗震基本数据
3. 结构体系及设计概况
本工程地上部分采用钢结构,地下室部分为钢筋混凝土结构。工程地下室一层顶板(相对标高−1.200 m)有1.2 m覆土,地上钢结构嵌固端取于−1.200 m处。钢柱与地下室混凝土柱采取钢骨柱在负一层过渡一层进行连接,地下室一层底板(相对标高−5.550 m)处为无梁楼板。为了保证地下停车位的空间,地上钢结构柱子选取钢管混凝土柱,以减小钢柱截面,并在一定程度上延长钢结构防火时间。
工程选用PKPM (V3.1)进行整体分析。
此工程特点:1) 结构4层以上结构平面呈“日”字形,对建筑采光,节能,通风都有好处,但结构存在局部单跨情况。2) 底层中间有跃层柱;3) 建筑2~4层有大会议室、厨房、屋顶花园等荷载较大的区域,且这些平面荷载分布不均匀。
4. 结构设计中问题的探索
4.1. 结构选型
本工程最初定案为地下2层,地上11层,总高43.500 m。工程柱定位如图2所示。
建筑外立面均为落地窗,建筑外圈房间功能主要是办公室、公寓。最初设定结构体系时,定为钢框架结构体系。在结构计算过程中,结构周期比偏大,需要加大建筑2~4层1~2轴、11~12轴、A轴、H轴的梁和柱截面,才能满足结构周期比的要求。过大的柱子影响到地下室停车位的宽度与设置,过大的梁浪费层间净高,且不能灵活布置隔墙。同一层梁高高差较大,局部梁高过高,影响房间的使用和装修。钢框架结构体系的主要构件截面尺寸如表2中钢框架体系相应数据。
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 2. Section dimensions of main components (Overground structure)
表2. 主要构件截面尺寸(地上结构)
工程后期定为地下2层,地上15层,总高61.800 mm,增加了四层标准层。若继续使用原结构形式,外圈梁柱截面则需要继续加高,造成工程的经济不合理,装修不美观,使用与装修不便等诸多不利条件,因此,工程改为钢框架-支撑结构体系。主要构件截面尺寸见表2钢框架-支撑体系相应数据。
4.2. 支撑布置方案选择
为了保证结构使用的功能,室内装修的效果,对此工程进行钢框架-支撑体系的计算。基于现实对钢框架的研究结果,在计算中,对体系采取了两种支撑布置:大支撑方案和小支撑方案。
布置1:大支撑方案,没有考虑支撑对建筑外立面的影响,只考虑了对结构最有利的支撑布置方式,全部使用中心支撑。在结构四角和中部楼梯间布置成对的箱型截面单斜杆支撑。如图3所示。
建筑原本没有为结构支撑预留位置,为了使支撑满足结构计算要求,也保证建筑外立面视觉效果、配合建筑房间功能完整。对结构支撑布置采取支撑布置2:小支撑方案,此方案使用到了中心支撑与偏心支撑。1) 支撑主要设置在楼梯间和电梯间;2) 在办公楼三个角的楼梯间、电梯间(如图4所示)增加辅助的柱子,避免支撑挡住楼梯前室、走廊通道,共增加了6颗柱子;3) 在6~7轴交B轴(偏6轴)处有楼梯前室门,为了避免前室门和支撑冲突,此处采用了偏心支撑,避开了前室门。
支撑采用箱型截面支撑,整个单体的支撑有三种形式:单斜杆支撑(包括跃层单斜撑),V字形支撑,V字形偏心支撑。柱子与支撑布置如图5所示。支撑立面布置与办公楼上部钢结构立体图分别参看图6与图7。
用PKPM (V3.1)计算程序对结构进行计算后,钢框架体系,大支撑体系,小支撑体系的结果对比如表3所示。
从表中看出:纯框架周期比较大,为了保证周期比的要求,增大了截面,使得含钢量有所增大。使用支撑对改善结构周期比有很大效果。在不考虑对建筑外立面与美观的情况下,用大支撑方案对节省用钢量最有效果。但是大支撑方案计算结果与小支撑方案计算结果很接近,两种支撑布置对结构参数影响并不大。与文献 [3] 的结果类似。
![](//html.hanspub.org/file/13-2750648x12_hanspub.png)
Figure 4. The setting of the corner of the building
图4. 建筑角部设置情况
![](//html.hanspub.org/file/13-2750648x15_hanspub.png)
Figure 7. Stereogram of upper steel structure
图7. 上部钢结构立体图
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 3. Comparisons of calculation results of three schemes
表3. 三种方案计算结果对比
4.3. 设计后续处理
选定方案后,虽然结构布置上支撑,但是支撑位于结构的电梯间与楼梯间,没有楼板连接,水平传力不连续。因此,设计中将楼梯间,电梯间周围楼板全定为弹性膜,不考虑楼板对力的传递作用,作用力全部由钢框架与支撑承担。计算后剪力简图和最大位移简图详见图8~图10。
![](//html.hanspub.org/file/13-2750648x16_hanspub.png)
Figure 8. Shear force under X-direction earthquake
图8. X向地震下剪力简图
![](//html.hanspub.org/file/13-2750648x17_hanspub.png)
Figure 9. Shear force under Y-direction earthquake
图9. Y向地震下剪力简图
![](//html.hanspub.org/file/13-2750648x18_hanspub.png)
Figure 10. Capability spectrum of pushover analysis
图10. Pushover分析能力谱
5. 结束语
通过分析,得出以下几个结果:
1) 在高烈度地区,软场地,结构平面中间有大开洞的情况,结构周期比容易超限,在解决周期比超限的情况时,可增大底层外圈梁柱截面。
2) 对于周期比容易超限的结构,增大梁柱截面后,会带来不经济,装修不便,楼层净高不满足使用要求等影响,宜考虑对结构设置支撑,使结构整体参数满足规范要求的同时,也能满足使用、美观、经济的要求。
3) 当支撑位于楼梯、电梯处时,将楼梯、电梯处楼板设为弹性膜,楼板不对力有传递作用。计算后,结构满足抗震要求。