1）平面布置与功能要求
1#楼标准层平面布置及效果图见图6-2和图6-3所示。
图6-2 1#楼标准层平面布置图
图6-3 1#楼效果图
1#楼公租房的平面布置主要有一室（35 m2）和二室（50～60 m2）两种户型，每户均设有厨房、卫生间、阳台，功能完备，每个单元设有两部电梯，一部剪刀楼梯。带有一层地下室，地下室层高3.9 m，地上每层层高均为2.9 m，房屋总高度为52.5 m。
2）方案比选及指标控制
本项目所处蚌埠市抗震设防烈度为7度，设计分组为第一组，地震动加速度为0.1g，基本风压0.35 KN/m2，房屋总高度52.5 m，钢结构框架抗震等级为三级，场地土类别为Ⅱ类，地面粗糙度类别为B类。为了满足住宅结构低用钢量，高抗震性要求，结合工程建筑高度和建筑平面布置特点，在结构方案选择分析时，主要考虑了钢框架结构和钢框架-支撑结构两种体系进行比选，为提高框架柱的抗压承载力和防火性能，框架柱采用了矩形钢管混凝土柱。为方便梁的截面选择，梁采用焊接H型钢梁。结构方案比选分析时，主要参考的规范以及弹性层间位移角限值如表6-1所示：
表6-1 参考规范及相关位移角限值
本工程是公租房住宅项目，考虑建筑在风荷载作用下舒适度以及维护墙体的变形，设计时从严将地震作用下的位移角限值取1/300，风荷载作用下的位移角限值取1/400。另外，《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ 99—2015）规定纯钢框架结构的刚重比限值为5，纯钢框架-支撑的刚重比限值为0.7；混凝土结构考虑混凝土开裂其弹性刚度折减50%，《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）规定混凝土框架结构的刚重比限值为10，混凝土框架-剪力墙结构的刚重比限值为1.4。本工程柱子采用钢管混凝土柱，《矩形钢管混凝土结构技术规程》（CECS 159：2004）中考虑混凝土开裂及徐变影响而将其弹性刚度折减80%，因此本工程方案比选时，矩形钢管混凝土框架结构的稳定性验算的刚重比限值取7；矩形钢管混凝土框架-支撑结构的刚重比限值取1.0。
钢框架结构体系布置时，结构柱网布置见图6-4所示，选择两种布置方案进行分析。
（1）钢框架结构方案一
图6-4 钢框架结构布置方案
综合考虑框架柱的轴压比、应力比、稳定系数、结构的刚度中心以及用钢经济性，底层框架柱的截面尺寸主要采用（mm×mm×mm）400×400×12、350×350×8两种，上部分截面逐渐变为（mm×mm）350×10，350×8，300×8几种形式，电梯间的框架柱底层采用200 mm×200 mm×10 mm的方钢管柱，上部变为200 mm×200 mm×8 mm的方钢管柱；考虑经济性和砌墙后不露梁，框架梁尺寸选取同跨度相关，截面高度范围从300～500 mm，截面宽度为150 mm左右，节点处框梁高度未统一，但控制高差在150 mm范围内。不考虑楼板用钢量，模型计算考虑节点板后的钢结构的用钢量约为66 kg/m2。模型计算结果如表6-2～表6-4所示：
表6-2 振型及周期（钢框架方案一）
表6-3 结构底部地震剪力、地震倾覆力矩和刚重比（钢框架方案一）
表6-4 水平荷载作用下的位移角和位移比（钢框架方案一）
（2）钢框架结构方案二
考虑框架柱加工安装的方便性，框架柱选择统一截面，均采用350 mm×350 mm的钢管混凝土柱，通过改变柱厚满足柱承载力及刚度要求，框柱截面厚度从下至上变化范围为16～8 mm；框架梁的布置及截面同方案一。不考虑楼板用钢量，模型计算考虑节点板后的钢结构的用钢量约为68 kg/m2，用钢量略有增加。模型计算结果如表6-5～表6-7所示：
表6-5 振型及周期（钢框架方案二）
表6-6 结构底部地震剪力、地震倾覆力矩和刚重比（钢框架方案二）(www.xing528.com)
表6-7 水平荷载作用下的位移角和位移比（钢框架方案二）
从表中数据分析可知，在两种方案结构整体刚度相当的前提下，从节省用钢量的角度，根据实际受力大小，框架柱在竖向选择变截面的方式较为有效；但从工厂加工制作、现场安装以及后期装修的角度，框架柱竖向选择同一截面，仅变化厚度更为方便。方案二框架柱截面统一，虽然用钢量略有增加，但由于钢结构构件的加工安装成本较低，综合效益明显。因此，当框架柱沿楼层变化较小时，建议钢柱从下至上采用统一截面。
在钢框架方案比较的基础上，钢框架-支撑体系中框架柱竖向选择同一截面，仅变化截面厚度来满足承载力和刚度要求，主要考虑支撑的布置方式，选择两种支撑布置方案进行比选。
（1）钢框架-支撑体系方案一
沿建筑的两个方向均布置了支撑，因公租房建筑平面纵向门窗洞口较多，限制了支撑的布置，方案一的纵向支撑结合电梯间、楼梯间墙布置在建筑平面的一侧（北侧），为避免结构刚度中心偏置，横向支撑布置偏向于建筑平面的另一侧（南侧），支撑结构的形式主要采用人字形和单斜杆中心支撑，具体布置见图6-5所示。柱网布置同钢框架结构方案二，均采用350 mm×350 mm的钢管混凝土柱，因设置了支撑，底层框架柱的截面厚度可减小，框柱截面厚度从下至上变化范围为14～8 mm；框架梁和电梯间框架柱的截面亦同钢框架结构方案二，支撑采用的是180 mm×180 mm×10 mm方钢管支撑。按钢框架-支撑结构设计，不考虑楼板用钢量，模型计算考虑节点板后的钢结构的用钢量约为59.73 kg/m2。模型计算结果见表6-8～表6-10所示。
图6-5 钢框架-支撑结构布置方案一
表6-8 振型及周期（钢框架-支撑方案一）
表6-9 结构底部地震剪力、地震倾覆力矩和刚重比（钢框架-支撑方案一）
表6-10 水平荷载作用下的位移角和位移比（钢框架-支撑方案一）
（2）钢框架-支撑结构方案二
工程中因纵向门窗洞口较多，纵向中心支撑布置困难时，布置纵向偏心支撑是一种选择，但当柱网跨度较大时，布置偏心支撑可能导致耗能梁段较长，耗能梁段弯曲耗能不经济。因此，方案二依然布置纵向中心支撑，且结合建筑平面，将纵向支撑近似布置在平面的中部，但借鉴规范中拉链柱的概念，在支撑与梁节点位置主梁下增设摇摆柱，因此种布置纵向支撑的刚度偏置小，相对于方案一，调节刚度的横向单斜杆支撑取消，同时底部几层纵向支撑因刚度要求为交叉支撑，摇摆柱的设置使得上部支撑的形式可改为单斜杆支撑，具体布置见图6-6所示。在此布置方案中，钢框架梁柱截面尺寸的选择基本同框架-支撑方案一，支撑与摇摆柱均为180 mm×180 mm×10 mm方钢管。不考虑楼板用钢量，模型计算考虑节点板后的钢结构的用钢量约为59.5 kg/m2。模型计算结果见表6-11～表6-13所示。
图6-6 钢框架-支撑结构布置方案二
表6-11 振型及周期（钢框架-支撑方案二）
表6-12 结构底部地震剪力、地震倾覆力矩和刚重比（钢框架-支撑方案二）
表6-13 水平荷载作用下的位移角和位移比（钢框架-支撑方案二）
钢框架-支撑结构两种方案的数据分析可知，方案二的布置方案的结构总体刚度及总用钢量与钢框架-支撑方案一相差不大，摇摆柱的设置是解决纵向支撑布置困难非常具有可行性的方案。
综合分析两种结构体系的计算结果可以看出，对设防烈度为7度的18层钢结构住宅，无论采用钢框架结构体系还是采用钢框架-支撑结构体系，模型计算的各项计算参数均能满足设计要求，但钢框架-支撑结构体系由于支撑的设置，能提供较大的抗侧移刚度，更为经济合理。本工程最终选择采用框架-支撑体系。
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