高性能鋼材在鋼框架

? 高性能鋼材在鋼框架-中心支撐體系中的應用*

何文濤　張秀斌　齊玉龍　卞曉芳　劉　鵬　李曉潤

(中冶建築研究總院有限公司，北京　100088)

摘　要：基於某實際工程案例，建立分別採用普通鋼材和高性能鋼材情況下的結構模型進行設計計算，對其自振周期、側移、用鋼量進行對比分析，對高性能鋼材在鋼框架-中心支撐結構體系設計中的應用進行探討。提出建議：在保證側移要求的情況下高性能鋼材應優先用於柱。

關鍵詞：高性能鋼材；鋼框架-中心支撐結構體系；結構設計

在高層鋼框架-支撐體系中，構件易產生高應力狀態，若建築中使用低強度級別鋼種，則會導致鋼板厚度過大，不僅經濟性不好，而且容易在加工和焊接施工中產生質量問題。而使用高性能鋼材，則可減輕結構重量，降低建造成本，減小鋼板的厚度，提高結構的可靠性。

近年來，鋼結構製造技術不斷提高，同時為了滿足建築高層化、結構大跨化等要求，建築結構用鋼板正逐步向著高強化、厚板化、低屈強化、低屈服點和專用化等方向發展。在國外，建築用鋼經過多年發展，已研製成功了各種高性能鋼，並逐步形成了抗拉強度等級為490，590，780MPa多個系列。在國內，隨著鋼結構技術的發展和鋼材生產工藝的提高，鋼材的強度和加工性能得到了改善，與高強度鋼材相匹配的具有足夠強度、良好韌性和延性的焊縫金屬材料和焊接技術也得到了發展，能夠滿足構件的加工製作要求，同時在鋼結構研究、設計、製造、施工等方面都取得了長足進步，並成功應用於大量大型、複雜的鋼結構工程中，如體育場館、會展中心等大跨度公共建築、超高層建築等。

但是，在我國，建築用鋼大量使用的仍是Q235和Q345兩個強度級別的鋼種，高強度建築用鋼板以及低屈服點建築用鋼板尚未形成完整的產品系列。

本文通過對某實際工程案例分別採用普通鋼材和高性能鋼材的情況進行設計對比分析，研究高性能鋼材在鋼框架-中心支撐結構設計中的應用。

1　工程概況

該工程為60層鋼框架-中心支撐結構寫字樓，總高度242m。平面較規則近似正方形，其內部為由鋼框架和中心支撐組成的鋼結構核心筒體，外部為鋼框架結構。底層層高7m，上部各層層高為3.5，3.7，4.2，4.9，5，6m不等。抗震設防烈度為7度(0.1g)，地震分組為第二組，場地類別為III類。基本風壓為0.4kN/m2，地面粗糙度為C類。鋼柱主要採用箱形截面，局部採用H形截面；鋼樑主要採用H形截面。

該工程實際設計中，鋼柱、鋼樑、支撐均採用Q345鋼材。本文在此基礎上，保持支撐材質不變，調整樑柱材質，新增鋼柱採用Q550GJ鋼材、鋼樑採用Q345鋼材，以及鋼柱、鋼樑均採用Q550GJ鋼材兩種情形建立模型，進行設計計算，並對三者的計算結果進行對比分析。

結構空間整體模型如圖1所示。

圖1　結構整體模型

2　計算結果對比

分別在鋼柱和鋼樑均採用Q345鋼材(模型1)、鋼柱採用Q550GJ鋼材而鋼樑採用Q345鋼材(模型2)、鋼柱和鋼樑均採用Q550GJ鋼材(模型3)3種情況下，運用盈建科軟體建立相應的結構模型，進行設計計算，調整鋼柱、鋼樑截面，使3種情況下鋼柱、鋼樑的應力比大致相等，同時確保結構側移、構件撓度滿足要求。

2.1　自振周期

3種情況下，各結構模型的前5階振型周期如表1所示。

表1　各結構模型前5階振型周期　s

振型階數模型1模型2模型316.20537.09267.395326.06607.02587.265133.22923.25883.329042.12442.37452.447951.91242.13432.1859

由以上數據可看出，相較於採用Q345鋼的結構，當柱採用Q550GJ鋼材而梁仍採用Q345鋼材時，結構自振周期變化明顯增大；當樑柱均採用Q550GJ鋼材時，自振周期進一步增大，但變動幅度小於前者。說明框架梁、柱構件強度對結構的自振周期均有較大影響，框架梁構件對結構自振周期的影響小於框架柱。

由地震設計反應譜曲線可知，結構的自振周期越大，結構的地震影響係數就越小，地震作用亦會越小，故採用高性能鋼材的鋼框架所受的地震作用響應會小於普通強度鋼材鋼框架，這對提高結構抗震性能是有利的。

2.2　地震作用下的層間位移角

在X、Y方向多遇地震作用下，3種結構模型各層的層間位移角分別如圖2所示，具體數據見表2。

圖2　各結構模型在地震作用下的層間位移角

表2　各結構模型在地震作用下的最大層間位移角

X方向地震Y方向地震模型1模型2模型3模型1模型2模型31/4901/3561/3321/5401/4021/372

由以上計算結果可看出：

1)當僅柱採用Q550GJ鋼材而梁採用Q345鋼材時，相比原結構，儘管結構自重減輕，自振周期增大，結構所受的地震作用減小，但鋼柱截面的減小引起結構剛度的大幅度削弱，使得在地震作用下，結構的層間位移角大幅度增大；當梁和柱均採用Q550GJ鋼材時，結構剛度進一步減小，在地震作用下結構的層間位移角進一步增大。

2)鋼框架-支撐結構體系中，結構的剛度由鋼框架和支撐共同決定，鋼框架對結構剛度有很大貢獻。鋼框架構件採用高性能鋼材，造成構件截面減小，引起結構剛度和層間位移角發生大幅度變化，或成為設計中關鍵控制因素。本案例中，抗震設防烈度為7度(0.1g)，採用高性能鋼材的情況下，結構的最大彈性層間位移角達到1/338。可以推斷，在更高的設防烈度地區，可能出現地震作用下的層間位移角接近GB50011—2010《建築抗震設計規範》所規定的限值情況，高性能鋼材構件的截面選取可能由結構的側移剛度控制，而並非由構件應力比控制。

表4　各結構模型中主要構件截面及應力比、撓跨比

構件位置構件截面/mm應力比撓跨比模型1模型2模型3模型1模型2模型3模型1模型2模型3柱(1～4層)□1135×132□1100×80□1100×800.930.900.90柱(4～10層)□1000×100□1000×65□1000×650.920.910.91柱(11～12層)□980×90□980×50□980×500.910.920.92柱(13～26層)□960×80□920×50□920×500.970.960.94柱(27～28層)□900×50□800×35□800×350.770.750.74柱(29～42層)□850×40□750×30□750×300.860.850.84柱(43～57層)□700×40□650×28□650×280.560.570.57柱(58～60層)□500×60□480×30□480×300.210.210.20主梁3H700×300×14×20H700×300×14×20H700×200×14×200.780.780.741/5711/5711/431主梁16H603×228×10.5×14.9H603×228×10.5×14.9H600×200×10×120.920.920.861/4931/4931/404次梁2H600×250×12×18H600×250×12×18H600×220×12×180.610.610.571/2901/2901/263次梁11H550×250×10×20H550×250×10×20H550×180×10×180.510.510.501/3571/3571/255次梁41H400×200×8×10H400×200×8×10H400×130×8×100.490.490.481/4441/4441/321

2.3　風荷載作用下的層間位移

在X、Y方向風荷載作用下，3種結構模型各層的層間位移角如圖3所示，具體數據見表3。

圖3　各結構模型在風荷載作用下的層間位移角

表3　各結構模型在風荷載作用下的最大層間位移角

X方向地震Y方向地震模型1模型2模型3模型1模型2模型31/6711/4801/4361/7601/5551/495

由以上計算結果可看出：

1)在風荷載作用下，相比原結構，在柱採用Q550GJ鋼材而梁採用Q345鋼材、樑柱均採用Q550GJ鋼材的情況下，結構的層間彈性位移角依次減小。

2)相比地震作用，超高層高性能鋼材框架-支撐結構的層間位移角對風荷載更加敏感。這是因為採用高性能鋼材的鋼框架-混凝土核心筒結構，由於結構自重的減輕，水平地震作用也相應減小，而作用於結構的風荷載是固定不變的，採用高性能鋼材造成的結構剛度削弱由層間位移角的變化更明顯地體現出來。

3)鋼框架構件採用高性能鋼材，造成構件截面減小，結構剛度大幅削弱，層間位移角大幅度增大。本案例中，基本風壓為0.45kN/m2，採用高性能鋼材的情況下，結構的最大彈性層間位移角達到1/436，接近GB50017—2003《鋼結構設計規範》規定的限值。在基本風壓更大的情況下，結構側移剛度或成為設計中關鍵控制因素，高性能鋼材構件的截面選取可能由結構的側移剛度控制，而並非由構件應力比控制。

2.4　主要構件截面

在鋼柱和鋼樑均採用Q345鋼材、鋼柱採用Q550GJ鋼材而鋼樑採用Q345鋼材、鋼柱和鋼樑均採用Q550GJ鋼材3種情況下，結構主要構件截面以及構件應力比、撓跨比如表4所示。

可見，採用高性能鋼材後，保持應力比不變的情況下，樑柱截面明顯減小，可節省鋼材用量，增加建築空間。但對於部分跨度較大的鋼樑，當採用Q550GJ鋼材時，應力比尚未達到採用Q345鋼材時的應力比數值，撓度卻已達到規定的限值，其截面由撓度控制，而非由強度控制。在這種情況下，採用高性能鋼材，鋼樑截面無法充分減小，強度無法得到充分利用。

2.5　用鋼量

3種模型下結構的用鋼量見表5。

表5　各結構模型用鋼量　t

構件模型1模型2模型3柱10412.006192.946192.94梁6492.656492.655124.72支撐3328.633328.633328.63總用鋼量20233.2816014.2214646.29

可見，相對於原結構，鋼柱採用Q550GJ鋼材後，用鋼量下降了4219t，占原結構總用鋼量的20.8%；鋼樑採用Q550GJ鋼材後，用鋼量又下降了1368t，占原結構總用鋼量的6.76%。當鋼柱採用Q550GJ鋼材、鋼樑採用Q345鋼材時，結構總用鋼量比樑柱均採用Q345鋼材時下降了20.8%；當樑柱均採用Q550GJ鋼材時，結構總用鋼量比樑柱均採用Q345鋼材時下降了27.6%。

3　結　論

1)在鋼框架-中心支撐體系中，高性能鋼材應優先應用於框架柱或下部幾層的柱中。為了高性能鋼材的材料強度充分發揮，建議設計為無側移框架。

2)在鋼框架結構體系中，結構的剛度主要由鋼框架柱決定，相比普通鋼材鋼框架結構，當鋼框架部分採用高性能鋼材時，對結構的剛度影響較為顯著，因而在滿足構件穩定性的前提下可適當減小高性能鋼材鋼構件的截面，使鋼材強度可以得到充分利用。

3)在鋼框架-支撐結構體系中，框架柱、框架梁對結構的剛度有很大貢獻，當鋼框架部分採用高性能鋼材時，樑柱截面減小，導致側移明顯變大，在風荷載或者地震作用比較大的情況下，鋼柱截面的選取可能由側移控制。

4)鋼柱採用高性能鋼材所節省的用鋼量較大，相應造成的結構剛度減弱、側移增大效應也較大；鋼樑跨度較大時，其截面選取往往由撓度控制，採用高性能鋼材所節省的用鋼量較小，所造成的結構剛度減弱、側移增大效應也小於鋼柱。因而，在鋼框架-支撐結構體系中，在保證側移滿足要求的情況下，相比鋼樑，鋼柱採用高性能鋼材在減少用鋼量方面的優勢更加顯著。

參考文獻

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·信　息·

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ANALYSISOFAPPLICATIONEXAMPLESOFHIGHPERFORMANCESTEELINCONCENTRICALLYBRACEDFRAME

HeWentao　ZhangXiubin　QiYulong　BianXiaofang　LiuPeng　LiXiaorun

(CentralResearchInstituteofBuildingandConstructionCo.Ltd，MCCGroup,Beijing100088,China)

ABSTRACT：Inthispaper,structuralmodelsforapracticalproject,whichrespectivelyadoptednormalsteelandhighperformancesteelwerebuiltandcalculatedtocomparethenaturalvibrationperiod,lateraldisplacementandsteelconsumptionsoastoinvestigatetheapplicationofhighperformancesteelinconcentricallybracedframe,thencametotheconclusionthathighperformancesteelshouldbeusedincolumnspreferentiallyunderguaranteeingthelateraldisplacement.

KEYWORDS：highperformancesteel;concentricallybracedframe;structuraldesign

DOI:10.13206/j.gjg201602002

收稿日期：2015-10-25

*「十二五」國家科技支撐計劃項目(2012BAJ13B01)。

第一作者：何文濤，女，1987年出生，工程師。

Email:395776897@qq.com

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