小高层钢结构住宅的结构体系及其结构受力分析

　　【摘要】小高层钢结构住宅体系按类型及其构件材料的组成分为纯钢结构住宅体系以及钢-混凝土混合结构住宅体系。小高层纯钢结构抗侧力结构体系常用的组成形式，可分为：钢框架结构体系、钢框架-支撑结构体系、筒体结构体系和巨型结构体系。而钢-混凝土的混合结构住宅体系包括纯钢框架-混凝土剪力墙、钢框架-混凝土核心筒、钢框架-支撑等结构体系。具有抗震性能的有钢框架-混凝土剪力墙、钢框架-混凝土核心筒或支撑。
　　【关键词】小高层建筑；钢结构；整体稳定性；空间刚度；P-△效应；抗侧刚度；地震作用
　　0引言
　　小高层结构住宅实际上是指层数为7-11层的中高层住宅，具有许多优点：能节约用地，户型比较优越，适宜的尺度，能够提高生活质量等。所以小高层钢结构住宅现在正在推广。
　　1框架结构体系
　　高层建筑钢结构常用的一种形式就是纯框架结构体系，它是一种无支撑框架体系，是由柱和梁通过刚性或半刚性节点连接组成的。它的优点是：没有柱间支撑，可以采用较大的柱距从而获得较大的使用空间；灵活的布置建筑平面；结构体系简单；刚度均匀；具有良好的延性和较强的耗能能力等。把框架结构应用于多层或低层建筑而言是一种经济合理的作法，并且这种框架结构的应用也非常广泛。然而纯框架的结构体系其刚度比较小，如果建的太高的话，框架结构会因其刚度相对较小，对其施加水平荷载时，结构会产生超过限值的侧向位移。因此由于纯钢框架结构体系抗侧力刚度较小，因而建筑高度受到了限制。
　　由于梁与柱的连接形式不同，钢框架结构可划分为半刚接框架和刚接框架。而梁柱的连接根据钢框架结构的受力变形特征，又可划分为以下三类：
　　刚性连接：梁柱间无相对转动，连接能承受弯矩；
　　铰支连接：梁柱间有相对转动，连接不能承受弯矩；
　　半刚性连接：梁柱间有相对转动，连接能承受一定弯矩。
　　由水平力引起的框架侧移的剪切侧移分量中，直接构成框架的侧移的是由柱的弯曲变形所引起的位移；而框架节点的转动是由梁的弯曲变形引起的，而梁的弯曲变形间接的引起框架的侧移，框架在水平力作用下的总剪力侧移就是两者之和。可见，梁与柱的抗弯能力和刚度决定了框架结构的抗侧移能力，而梁、柱的抗弯能力和刚度的提高，也只能通过加大梁、柱的截面来实现。而有的情况下要使用的梁、柱截面会远大于承载力要求，其经济合理性也就无从谈起。并且随着框架梁截面的增大可能使梁的弯矩往柱上面转移，还会在节点域引起较大的剪力。弹塑性变形时，还会在节点域产生较大的不可恢复变形，引发节点提前发生塑性破坏，节点耗能的作用也无从谈起。而层间位移也会因节点域的这种不可恢复的变形大大增加，从而引发P-△效应。所以，不能只在抗震结构体系中设置很少的抗震防线，要尽量多设置，防止整个体系由于结构局部或构件破坏而丧失抗震性能。当地震作用在单一抗侧力体系的框架结构，外有P-△二阶效应，结构会发生严重破坏。整个结构的破坏会由于纯框架某个节点的破坏而引发，多次国内外震害调查也证明了这点。
　　2钢结构框架-支撑结构体系
　　2.1钢框架-中心支撑结构
　　钢框架结构抗侧刚度相对较小，因为其只能依靠梁柱受弯承受荷载。如果把框架结构应用在较高的结构中时，在水平力（风或地震）的作用下，结构的抗侧刚度难以满足设计要求，虽然加大结构梁柱截面能增大刚度，但如果一味的采取这种措施，结构的经济合理性就难以保证。在这种情况下，可在钢框架结构中布置支撑构成钢框架-中心支撑结构。
　　支撑是钢框架-中心支撑结构用来耗能的构件，水平地震荷载下，受压的中心支撑会失去侧向稳定性，具体缺点为：①多次压屈会大大减弱支撑斜杆的受压性能；②位于支撑两边的柱的轴向变形会引起较大的支撑内力；③反复的水平地震作用会引发冲击性作用力，并使原本受压的支撑转为受拉，最终冲击力作用于结构，引发支撑及其相邻构件等发生应力重分布；并使本层支撑框架的斜杆逐渐产生塑性压屈，迅速降低楼层的受剪承载力；④中心支撑一旦失效，使整个结构的受剪性能迅速减弱，最终造成整个结构失稳破坏。所以为保证其安全可靠，国外在限制建筑高度的同时，也增强了钢框架的抗震性能。