钢结构住宅体系

二、钢结构房屋的抗震技术 （一）震害调查 由于地震通过地震波释放巨大的能量，因此发生地震时会对地面上的事物产生巨大的影响，从而造成人员伤亡和社会的物资财务损失。如1976年的唐山7.8级地震，使24.2万余人丧生，6.4万余人重伤，直接经济损失达100亿人民币；1995年日本阪神7.2级地震，四8420人，上45000人，直接经济损失达1213亿美元。最近的四川汶川地震已造成68516人遇难，365399人受伤，失踪19350人。直接经济损失约1500亿人民币。强烈的地震不仅造成了巨大的人员伤亡和经济损失，而且瞬间的灾难给人们精神上带来了强烈的恐惧。 面对强烈的地震作用，房屋的抗震性能就变得尤为重要。砌体与混凝土结构自身重量较大且延性较低，在强烈的地震作用下，大量砌体与混凝土结构倒塌，破坏的钢筋混凝土楼板和梁柱既造成了直接的人员伤亡，也给救援工作带了了很大的困难。 而钢结构的房屋自身重量轻且具有良好的延性，破坏较轻，1976年我国唐山地震、1985年墨西哥地震和1995年日本阪神地震，钢结构房屋的破坏程度远低于钢筋混凝土结构房屋。 （二）钢结构房屋的抗震原理 1. 钢结构的优点 钢结构与传统的砖混结构和钢筋混凝土结构相比，在使用功能、设计、施工及综合经济方面都具有优势，在住宅建筑中应用钢结构的优势主要体现在以下几方面[4]： （1）构件截面小，可增加大约5%的使用面积；可采用较大柱网尺寸，户内空间分隔较为灵活。 （2）与钢结构配套的轻质墙板、复合楼板等新型材料，符合建筑节能和环保的要求，可以达到节能50%的目标，极大地节约了我国相对人均短缺的能源； （3）钢构件及配套技术相应部件的绝大部分易于定型化、标准化，可采用工业化生产方式，实现构件的工厂预制和现场装配化施工；实现技术集成化，提高住宅的科技含量和使用功能，符合住宅产业化要求； （4）钢结构住宅体系工业化生产程度高，现场湿作业少，而且钢材本身可以再利用，符合环保建筑的要求； （5）钢结构体系轻质高强，可减轻建筑结构自重的30%，提高住宅的抗震性能，并大大降低基础的造价； （6）钢结构体系施工周期短，可以大大提高资金的投资效益； （7）钢结构住宅体系直接造价略高，但综合经济效益却明显好于传统的住宅体系； （8）易于改造和拆建，材料的回收和再生利用率高，符合可持续发展的要求。 综上所述，钢结构住宅由于适宜工厂大批量生产，工业化、商品化程度高，可以将设计、生产、施工、安装一体化，提高住宅产业化水平，因而在住宅市场中有良好的发展前景。 2. 钢结构房屋的结构体系及其抗震性能 常用的钢结构体系有框架结构，框架支撑结构、框架－抗震墙板结构及筒体结构、巨型框架结构等。 （1）钢框架结构体系 钢框架结构构造简单，传力明确，制作安装方便，建筑平面布置及窗的开设等有较大的灵活性。在水平力的作用下，当楼层较少时，结构的侧向变形主要是剪切变形，及主要有框架柱的弯曲变形和节点的转角所引起；当层数较多时，框架柱的轴向变形所引起的结构整体弯曲而产生的侧移明显增大，结构的侧向变形为弯剪形。由此看出，纯框架结构的抗侧移能力主要取决于框架柱和梁的抗弯能力。当层数较多时，要提高结构的抗侧移刚度，只有加大柱和梁的截面，就会变得不经济，因此，这种结构体系适合于建造20层以下的中低层房屋。 （2）钢框架——支撑结构体系 在柔性钢框架体系的基础上，加入抵抗侧向荷载的柱间支撑，组成钢框架-支撑体系。在水平荷载作用下，支撑通过刚性楼板或弹性楼板的变形协调与钢框架共同工作，从而形成双重抗侧力结构体系。支撑是第一道防线，框架是第二道防线。对于支撑的设置，根据不同的设计要求，可选择中心支撑、偏心支撑或消能支撑等类型。 （3）钢框架－抗震墙板结构体系 钢框架－抗震墙板结构体系是以钢框架为主体，并配置一定数量的抗震墙板。抗震墙板包括带竖缝墙板、内藏钢板支撑混凝土墙板和钢抗震墙板等。 带竖缝剪力墙板在弹性状态下具有较大的抗侧移刚度，在强震下可进入屈服阶段并耗能。这种结构具有多道抗震防线，同实体剪力墙板相比，其特点是刚度退化过程平缓，整体延性好。 内藏钢板支撑混凝土剪力墙是以钢板为基本支撑，外包钢筋混凝土墙板的预制构件，内藏钢板支撑可做成中心支撑也可做成偏心支撑，但在高烈度地区，宜采用偏心支撑。预制墙板仅在钢板支撑斜杆的上下端节点处于钢框架梁相连，除该节点部位外与钢框架的梁或柱均不连接，留有间隙，因此内藏钢板支撑抗震墙仍是一种受力明确的钢支撑。由于钢支撑有外包混凝土，故不考虑平面内和平面外的屈曲。墙板对提高框架结构的承载能力和刚度，以及在强震是吸收地震能量方面有重要作用。 钢板抗震墙板是一种用钢板或带有加劲肋的钢板制成的墙板，其上下两边缘和左右两边缘可分别与框架梁和框架柱连接。 4. 筒体结构体系 筒体结构体系具有较大刚度，有较强的抗侧能力，能形成较大的使用空间，对于超高层建筑是一种经济有效的结构形式，根据筒体的布置、组成、数量的不同，筒体结构体系可分为框筒、筒中筒、桁架筒、带加强层的筒体及束筒等体系。 （1）钢框架筒结构 钢框架筒结构体系的外围框架有密柱和深梁组成，形成一个筒体来抵抗侧向荷载，结构内部的柱子只承受重力荷载而不考虑其抗侧作用，框架筒作为悬臂的筒体结构，在水平荷载作用下，由于横梁的弯曲变形，会产生剪力滞后现象。这样，使得房屋的角柱要承受比中柱更大的轴力。 （2）桁架筒体结构 桁架筒体结构体系是由钢框架筒体结构体系增设交叉支撑而形成。可大大提高结构的空间刚度，使剪力主要由支撑斜杆承担，避免横梁受剪变形，基本上消除建立之后现象。 （3）筒中筒结构体系 筒中筒结构体系就是集外围框筒和核心筒为一体的结构形式，其外围多为密柱深梁的钢框筒，核心为钢结构构成的筒体，内外筒通过楼盖系统的联接，保证筒体的协同工作，筒中筒结构具有很大的侧向刚度和抗侧力能力。 （4）束筒结构体系 束筒结构就是将多个单元框架筒体结构相连在一起而形成的组合筒体，是一种抗侧刚度很大的结构形式。这些单元筒体本身有很大的强度，他们可以在平面和立面上组合形成各种形状，并且各个筒体可终止与不同高度。既可使建筑物形成丰富的立面效果，又不增加结构的复杂性。 （5）巨型框架结构体系 巨型框架结构体系是由柱距较大的立体桁架柱及立体桁架梁构成，立体桁架梁沿纵、横向布置，形成一个空间桁架屋，在两层空间桁架层之间设置次框架结构，以承担空间桁架层之间的各楼面荷载，并将其通过次框架梁结构的柱子传递给立体桁架梁及立体桁架柱。这种结构体系能在建筑中提供特大空间，他具有很大的刚度和强度。 3. 本公司在钢结构抗震方面的研究 本公司在发展已有技术的基础上，大力开展与钢结构相关的新型技术的研发。 （1）耗能的抗侧力构件——开缝钢板剪力墙 a. 带缝钢板剪力墙概念的提出 由于钢结构中柱的高强度化和计算跨度的增大，当侧向荷载起控制作用，重力荷载退居为第二位时。抗侧力体系成为结构的重要组成部分，在一定程度上影响着结构的用钢量。因此研究各种抗侧力构件已经成为钢结构研究中的一个重要课题。为了满足建筑物在风载及常遇地震下人们舒适性和安全感的要求，又要保证强震时建筑物具有柔性的特点。所以期望研究出一种正常使用情况下刚度大，强震作用时刚度低，而且可吸收地震能量的新型抗震单元。 出自经济性的原因，首先考虑到了混凝土剪力墙，但由于其初期刚度过高，若与钢框架联合使用，则在地震时首先会在这个墙上产生较大的应力集中而导致产生斜向大裂缝，即发生所谓的脆性破坏而迅速失去抗力。这样就只好由框架来承受水平外力，从而导致各个击破的恶劣后果，而且其并不能在强震作用下吸收大量的地震能量。当采用钢支撑时，楼层的刚度调整比较困难，且当斜撑屈曲时刚度急剧下降。普通的钢板剪力墙屈曲后的抗力发挥不够稳定且防止屈曲的加强材料会提高成本。 所以针对现有抗侧力构件的不足，开发新的抗侧力构件——带缝钢板剪力墙。 b. 钢板剪力墙的概念 带缝钢板墙是指用激光开缝机在原本完整的钢板上挖掘出间距大约200～300mm，长度约l000mm，宽约l0mm的狭缝，缝的长边方向沿钢板的高度方向，钢板剪力墙与钢梁用高强螺栓连接如图1。

图1 钢板剪力墙 带缝钢板墙通过在墙板上开设竖缝，将墙板划分为几个功能不同的区域，并主要利用缝间墙肢形成的塑性铰来消耗地震能量。通过对竖缝的合理设计，在遭遇小震及风荷载作用时，带缝钢板剪力墙可依靠本身比较大的初始侧向刚度来保证结构不会出现过大的变形，满足日常使用的需要。当建筑物遭遇罕遇地震作用时，墙肢缝端部分由于应力较高会而首先屈服进入塑性，进而形成塑性铰，使墙板的抗侧刚度大大降低，并使其延性增加。同时由于部分进入塑性，墙板的抗侧移刚度随着外荷载的增加将逐渐降低，相当于在结构中增加了阻尼装置，可以减弱地震对建筑物的进一步破坏作用。 c. 钢板剪力墙的优点 根据“小震不坏，中震可修，大震不倒”的设计原则，结构在罕遇地震下允许产生较大的塑性变形，所以结构的抗震性能的优劣取决于抗震构件吸收和耗散能量的能力，塑性变形正是吸收和耗散能量的有效手段，而带缝钢板剪力墙较其它抗侧力构件有着优良的塑性变形能力。带缝钢板剪力墙还具有下列优点: ①与其他抗侧力构件相比，带缝钢板剪力墙有着良好的耗能机理，在带缝混凝土中，依靠的是连接件在较大层间转角时的断裂来消耗地震能量;十字加劲钢板剪力墙则是依靠剪力墙的局部屈曲和屈服来达到消耗地震能量的目的，但是其对框架边柱的刚度有着很大的依赖性:支撑则是通过把力传到耗能梁端来消耗地震能量;而剪力墙则是通过缝间壁端部在随着水平荷载和水平位移的增加的情况下逐渐进入塑性状态最后形成塑性铰的过程来消耗地震能量，整个变形过程中不发生平面外失稳，有着稳定的滞回曲线;同时由于耗能位置发生在剪力墙上，因此在耗能过程中保护了框架梁。 c. 钢板剪力墙研究 为进一步了解带缝钢板剪力墙的性能，公司与宝钢、同济大学合作，进行与带缝钢板剪力墙相关的理论和试验研究。 （a）理论分析 首先根据实际工程中常用的模数和现有的资料，确定带缝钢板剪力墙的几何尺寸，然后借用有限元软件建模对其进行分析，如图。通过对不同参数的调整，对剪力墙进行优化，提高其耗能能力，如图2。

图2 剪力墙性能曲线 结果表明，带缝钢板剪力墙具有较大的初始刚度和良好的延性。通过带缝钢板剪力墙两侧加劲肋的设置，能更好的提高剪力墙的抗侧性能。 （b）试验研究 根据有限元分析的结果，并结合实际工程，公司在同济大学试验室进行了带缝钢板剪力墙的试验研究。采用1：1的真是模型，深入了解剪力墙在实际情况下的力学性能，为工程中的实际应用提供依据。如图3.