高层钢结构住宅结构优化与经济分析

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1、高层钢结构住宅结构优化与经济分析摘要：钢一混凝土组合结构兼有钢结构和混凝土结构的优点，目前在高层钢结构住宅领域应用较多。但已建或在建的部分高层钢结构住宅成本居高不下，设计偏于保守，困扰其发展。为解决上述问题，在设计源头上降低成本，明确结构布置对成本的影响。本文利用MTS多高层钢结构设计软件，对某小区24层钢结构住宅的结构方案进行优化。通过调整柱网布置和剪力墙设计，在降低结构主体造价的同时，还增加用户使用空间，取得较好效果。关键词：钢框架；混凝土剪力墙；优化设计1.引言随着我国经济发展建筑技术进步，多高层建筑成为城市建筑的主流。目前，我国高层建筑一般选用钢—混凝土组合结构体系。

2、该结构体系能发挥钢和混凝土各自的特性，与全钢结构相比，具有节省用钢量、减少防火处理、降低工程造价等优点；与混凝土结构相比，具有自重轻，施工速度快等优点，是一种符合我国国情的高层建筑结构形式。天津，山东和上海等地先后建成一批此类体系的高层住宅，对此结构体系在高层住宅中的应用进行了有益的探索。但是目前我国高层钢结构住宅主要存在开发成本高，设计和施工的标准化程度低，缺乏体系化的设计、建造依据等问题。本文以某钢结构高层住宅为例，进行结构优化和经济性比较，供高层钢结构住宅设计和房地产开发参考。2.工程概括2某住宅建筑高度为70.00米，地下1层，地上24层，标准层层高2.9m，地上建筑

3、面积11423.7m。原方案标准层建筑和结构平面布置如图1和图2所示。－1层采用钢筋混凝土梁―钢骨混凝土柱结构体系；地上部分采用圆钢管混凝土柱－H型钢梁―钢骨混凝土剪力墙结构体系，钢框架采用Q345B钢，梁柱截面如表1所示。楼梯间、电梯井和A6户型设计成钢骨混凝土剪力墙，截面尺寸如表2所示。采用现浇钢筋混凝土楼板，标准层楼板厚度120mm；加气混凝土砌块做填充墙。本地区抗震设防烈度为6度，设计基本加速度为0.05g，设计地震分组为第二组，抗震设防类别为2丙类。基本风压0.5kN/m。鉴于地下部分为停车库，且为钢筋混凝土结构，本文只对±0.000以上部分进行分析讨论。图1.原方

4、案标准层建筑平面布置图图2.原方案标准层结构平面布置图表1.原方案框架梁柱截面表项目圆钢管混凝土柱钢框架梁原方案编号截面尺寸标高编号截面尺寸○370×10±0.000～8.700GL-1HN250×125×6×9Z-1○370×88.700～69.600GL-2HN300×150×6.5×9○400×14±0.000～8.700GL-3HW300×300×10×15Z-2○400×108.700～69.600GL-4HN200×100×5.5×8表2.原方案混凝土剪力墙截面表项目混凝土剪力墙暗钢框架编号截面尺寸标高编号截面尺寸400±0.000～8.700HZ-1HW100×

5、100×6×8W-1原方案3508.700～69.600HZ-2HW320×120×6×8W-2250±0.000～69.600ALHN200×100×5.5×8W-3200±0.000～69.6003原方案型钢用钢量共计299.2t，钢筋混凝土用量是1933.5m。根据上述结构方案布置，分析所得应力比，结构变形和自振周期分别如表3～5所示。表3原方案主要构件应力比项目柱横向主梁纵向主梁次梁原方案0.5～0.850.33～0.80.31~0.880.5～0.8表4原结构方案结构变形顶点位移角最大层间位移角项目荷载类型x方向y方向x方向y方向风荷载1/91501/49541/7

6、0141/4028原方案地震荷载1/29671/35131/22281/2755表5原结构方案自振周期项目振型1振型2振型3振型4振型5振型6横向平动纵向平动扭转扭转扭转扭转原方案1.4671.1970.6860.3200.2590.215根据上述分析结果，方案存在如下问题：1)钢框架部分设计偏于保守。如表3所示，梁柱应力比富裕度较大，设计偏于安全。2)混凝土剪力墙设计不合理。首先，如表4所示，结构抗侧刚度过大。结构变形远远小于1/800的规[1]范要求。另外，结合现场施工实际情况，电梯间、楼梯间剪力墙中暗含的钢框架导致钢筋绑扎复杂。暗钢框架梁HN200×100在混凝土剪力墙

7、中的布置为例，如图3所示。混凝土剪力墙厚200mm，内置梁HN200，剪力墙配置直径22mm的钢筋。去除25mm厚混凝土保护层，型钢和钢筋之间无缝隙，混凝土无法浇注和振捣，不满足混凝土施工规范要求。现场只能将型钢两侧翼缘各切去25mm，只保留腹板和局部翼缘，不仅导致暗含钢框架无法发挥增加结构延性的作用，而且减缓了施工进度，与纯混凝土剪力墙相比，延长了2/3的工期。图3.钢骨混凝土剪力墙剖面示意图针对上述问题，在建筑方案不变的情况下，对原结构方案进行优化得到优化方案。并对两个方案的经济性和技术性对比分析。