7.1　钢框架结构计算分析

7.1.1　概论

一般认为在8度（0.2g）地震设防区用纯框架钢结构做多层住宅楼是不太经济的，因为一般钢框架的抗侧移刚度较小，在地震力水平荷载作用下，结构的层间位移角达不到规范要求。

对于框架结构来说，柱顶与梁铰接时，在水平荷载作用下，如果框架梁的线刚度相对较小，不能对柱子的侧向弯曲变形进行有效约束，则水平荷载产生的倾覆弯矩全部由各柱脚端承担。显然这对于框架柱来说是很不利的，会造成柱子截面的加大和用钢量的上升。事实上，柱顶与梁刚接，适当加大框架梁的截面尺寸和减小框架柱的截面尺寸对增加结构抵抗地震水平力和降低用钢量是有利的。

下面通过实例计算来分析框架梁是如何影响结构抗侧移刚度的。通过计算可知，框架梁对结构抗侧移刚度有很大的影响，对控制结构层间位移是很有利的。

7.1.2　工程实例

标准层结构平面图如图7-1所示，钢框架的柱网布置原计划采用两开间一排框架柱，即大跨度布置，这样建筑布置会更灵活。但7200mm的柱距将导致框架梁高度加大，如要保证室内净高不小于2400mm，则层高须不小于3000mm，不利于节能，且结构布置次梁过多并有二级次梁或三级次梁存在，结构不合理。因此最后采用了一个开间一排框架柱，即小开间密柱式布置。

楼面及屋面采用压型钢板现浇混凝土组合楼板。外墙采用150mm厚ALC蒸汽轻质加气混凝土板材。梁与柱刚性连接，采用坡口全熔透焊缝。

计算软件采用中国建筑科学研究院TAT结构三维分析软件，前处理用STS进行。

图7-1　框架结构标准层平面图

一、结构荷载及层高

荷载（恒、活）:卧室﹑客厅﹑厨房﹑卫生间﹑楼梯等2.0kN/m²；阳台2．5kN/m²；不上人屋面0．5kN/m²。

墙体:外墙及分户墙150厚ALC蒸压轻质加气混凝土板材，恒载为0.75kN/m²。

楼屋面恒载取值:按材料及楼屋面做法计算。

计算层高:首层4.2m，其他层2.8m层高。

二、设计参数取值

1．总信息

结构重要性系数1.00；按不对称分析，计算X和Y方向水平地震；考虑模拟施工方法2；计算X和Y方向水平风荷载，基本风压0.3kN/m²，地面粗糙度C类；由于钢框架的侧向刚度较柔，在风荷载或水平地震作用下将产生较大的水平位移，故考虑P-△效应；钢柱计算长度系数按有侧移考虑；不考虑梁端弯矩折减。(www.daowen.com)

2．地震信息

抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.2g，设计地震分组第二组，II类场地土，近震；考虑扭转耦联；不考虑双向地震作用；不考虑5％偶然偏心；周期折减系数0.95；结构在多遇地震作用下的阻尼比按不超过12层的钢结构取值，为0.035；在罕遇地震下的分析，阻尼比可采用0.05。

3．调整信息

边梁刚度放大系数1.0，中梁刚度放大系数1.5，梁端弯矩调幅系数1.00，梁跨中弯矩增大系数1.00。

三、按振型分解法进行地震反应计算，采用总刚计算方法，分别按低层（以3层为例）和多层（以6层为例）计算，钢框架柱梁均为热轧H型钢，Q345钢。计算结果如表7-1。

表7-1　低层和多层钢框架住宅结构体系的比较

从上表中可以看到，在8度抗震、地面粗糙度为C类的地区，用纯框架结构作为多层（6～8层）住宅的结构体系其抗侧移刚度不足，由于多层住宅结构的长宽比一般大于2，结构的抗侧移刚度之比与结构的长宽比成反比，所以其Y向侧移在地震荷载作用下在算例中达到了1/289，大于规范的许可值（规范规定，按多遇地震进行抗震设计时，多层钢框架的层间侧移标准值，不得超过结构层高的1/300）。解决办法是加钢支撑增强Y向刚度。在图7-1中，客厅与客厅相接的横向位置加上钢支撑（如图7-2所示），其计算结果如下:

1．周期

T₁=1.5894，T₂=1.4716，T₃=1.1846，T₄=1.1269，T₅=1.0933，T₆=0.9560。

2．计算位移

X方向地震作用下最大层间位移角为1/527；

Y方向地震作用下最大层间位移角为1/517。

3．单位面积用钢量为57.6kg/m²。

图7-2　框架—支撑结构标准层平面图

从上面计算中可以看出，8度抗震地区1～3层钢住宅结构，可以采用纯框架结构；6层钢住宅结构，可以采用框架—支撑体系，两者各有优缺点。框架结构用钢少，但刚度差些，层间位移比较大；框架—支撑结构刚度大，但用钢量也偏大。