多高层钢结构施工技术：钢框架-剪力墙抗震体系的应用

装配式钢结构建筑是我国建筑产业化发展的需要。装配式钢结构建筑具有标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理等特点；同时，装配式钢结构建筑具有工期短、自重轻、工厂加工、可持续发展的优势，是全寿命周期内的绿色建筑。装配式钢结构现已成为欧洲、美国、日本、澳大利亚等发达国家建筑的重要形式，将成为未来中国建筑发展的主要形式之一。

装配式钢结构建筑是指结构系统、外围护系统、内装系统、设备与管线系统的主要部分采用预制构（部）件部品集成装配建造的建筑，如图3-1～图3-4 所示。

图3-1　装配式多层钢结构建筑

图3-2　空间钢结构建筑

图3-3　装配式高层钢结构建筑

图3-4　装配式轻钢结构建筑

相对于装配式混凝土建筑而言，装配式钢结构建筑具有以下优点：

（1）没有现场现浇节点，安装速度更快，施工质量更容易得到保证。

（2）钢结构是延性材料，具有更好的抗震性能。

（3）相对于混凝土结构，钢结构自重更轻，基础造价更低。

（4）钢结构是可回收材料，更加绿色环保。

（5）精心设计的钢结构装配式建筑，比装配式混凝土建筑具有更好的经济性。

（6）梁柱截面更小，可获得更多的使用面积。

目前应用较多的多高层钢结构体系有：钢框架结构体系、钢框架-剪力墙结构体系、钢框架-支撑结构体系、钢框架-核心筒结构体系。

1.钢框架结构体系

框架体系的主要受力构件是框架梁和框架柱，它们共同作用抵抗竖向和水平荷载；框架梁有I 形、H 形和箱形梁等种类，框架柱有H 形、空心圆钢管或方钢管、方钢管混凝土柱等种类。该体系在建筑体系中技术最成熟，使用最多，一般应用于6 层多层建筑和抗震设防烈度相对较低的地区，国外1～3 层住宅也多采用此形式。

钢框架结构体系的优点包括：

（1）梁柱截面小而跨度大，平面布置灵活，可组成较大空间。

（2）自重轻，延性好，刚度均匀，抗震性能良好。

（3）设计简单，受力和传力体系明确。

（4）杆件形状规则，制造和安装都很简单，施工速度快。

钢框架结构体系的缺点包括：

（1）纯框架结构缺少侧向支撑，结构的侧向刚度较小，侧向力作用下的水平位移较大。

（2）节点采用刚接或半刚接，地震时会产生较大应力集中而导致结构破坏。

2.钢框架-剪力墙结构体系

钢框架-剪力墙结构体系是以框架为基础，为增强建筑的侧向刚度，防止侧向位移过大，沿其柱网的两个方向布置一定数量的剪力墙的结构体系。由于剪力墙抗震性能较好，钢框架-剪力墙结构体系多适用于7～18 层的小高层及高层建筑和地震区多高层钢结构建筑。

在钢框架-剪力墙结构中，钢框架承担全部的竖向荷载，而钢框架和剪力墙协同承担由水平荷载引起的水平剪力，由于剪力墙的抗侧刚度较强，因而采用此种结构体系在多高层建筑中具有很大优势。常见的剪力墙体系有现浇钢筋混凝土剪力墙、钢板剪力墙、预制剪力墙和内藏钢板支撑剪力墙等。

钢框架-剪力墙结构体系的优点包括：

（1）钢柱的截面尺寸较小，用钢量少，成本较低。(www.xing528.com)

（2）侧向刚度较大，整体稳定性较好。

（3）结构分析简单，传力路径明确。

（4）剪力墙的防火耐火性好，可提高结构的防火性能。

钢框架-剪力墙结构体系的缺点包括：

（1）当遇到高烈度地震时，框架与剪力墙的节点处易产生应力集中，造成墙体局部破坏。

（2）现浇混凝土剪力墙为现场湿作业，施工周期较长，且受天气的影响大。

3.钢框架-支撑结构体系

钢框架-支撑结构体系，是在框架体系的部分框架柱之间设置横向型钢支撑，形成支撑框架的结构体系。其中的钢框架主要承受竖向荷载，钢支撑则承担水平荷载，形成双重抗侧力的结构体系，多适用于高层钢结构建筑。

钢支撑可采用角钢、槽钢和圆钢等，主要用途是增加结构的抗侧刚度；支撑体系包括人字形、十字交叉等中心支撑形式和门架式、单斜杆式、V 形和倒Y 形等偏心支撑形式；支撑结构一般布置在外墙、分户墙、楼梯间和卫生间的墙上，可根据需要在一跨布置或多跨布置。

钢框架-支撑结构体系的优点包括：

（1）支撑的设置提高了梁、框架和压杆的承载稳定性。

（2）结构侧向刚度较大，有效地减小了梁柱的截面面积，节约钢材和成本。

（3）体系采用全钢构件，便于工厂化加工生产。

钢框架-支撑结构体系的缺点包括：

（1）节点为梁、柱和钢支撑三种构件的连接，构造复杂。

（2）传力路线较长，抗侧效果较差。

（3）支撑常常影响洞口的位置设置，降低了建筑布局的灵活性。

（4）在钢支撑处无法采用墙板，只能采用砌筑方式。

4.钢框架-核心筒结构体系

钢框架-核心筒结构体系是以钢框架为基础，近中心部位通过现浇混凝土墙体或密排框架柱围成封闭核心筒的结构体系。该体系中框架和筒体为铰接，钢框架承担全部竖向荷载，核心筒则承担全部水平荷载，筒体结构一般布置在卫生间或电梯间设置。

由于综合受力性能好，钢框架-核心筒结构体系目前在我国应用极为广泛，特别适合于地基土质较差地区和地震区，新建的高层和超高层建筑几乎都采用了钢框架-核心筒体系。

钢框架-核心筒结构体系的优点包括：

（1）节约钢材，造价较低。

（2）结构各部分受力分工明确，核心筒抗侧刚度极强。

（3）一般将框架柱布置在阳台和转角部位，不占用住宅和布置空间，且装修方便。

（4）核心筒为现浇施工，使得卫生间具有良好的防水性能。

（5）除筒体部分为现浇外，其余构件均可以工厂化生产，缩短工期30%～40%。

钢框架-核心筒结构体系的缺点包括：

（1）钢框架与核心筒的刚度差别大，核心筒承担约九成的水平力，强震作用下的钢筋混凝土核心筒很容易破坏。

（2）筒体的连接构造复杂，施工技术要求水平较高。

（3）混凝土现场作业量很大。