高性能钢材在钢框架

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高性能钢材在钢框架-中心支撑体系中的应用*

何文涛　张秀斌　齐玉龙　卞晓芳　刘　鹏　李晓润

(中冶建筑研究总院有限公司， 北京　100088)

摘　要：基于某实际工程案例，建立分别采用普通钢材和高性能钢材情况下的结构模型进行设计计算，对其自振周期、侧移、用钢量进行对比分析，对高性能钢材在钢框架-中心支撑结构体系设计中的应用进行探讨。提出建议：在保证侧移要求的情况下高性能钢材应优先用于柱。

关键词：高性能钢材； 钢框架-中心支撑结构体系； 结构设计

在高层钢框架-支撑体系中，构件易产生高应力状态，若建筑中使用低强度级别钢种，则会导致钢板厚度过大，不仅经济性不好，而且容易在加工和焊接施工中产生质量问题。而使用高性能钢材，则可减轻结构重量，降低建造成本，减小钢板的厚度，提高结构的可靠性。

近年来，钢结构制造技术不断提高，同时为了满足建筑高层化、结构大跨化等要求，建筑结构用钢板正逐步向着高强化、厚板化、低屈强化、低屈服点和专用化等方向发展。在国外，建筑用钢经过多年发展，已研制成功了各种高性能钢，并逐步形成了抗拉强度等级为490，590，780 MPa多个系列。在国内，随着钢结构技术的发展和钢材生产工艺的提高，钢材的强度和加工性能得到了改善，与高强度钢材相匹配的具有足够强度、良好韧性和延性的焊缝金属材料和焊接技术也得到了发展，能够满足构件的加工制作要求，同时在钢结构研究、设计、制造、施工等方面都取得了长足进步，并成功应用于大量大型、复杂的钢结构工程中，如体育场馆、会展中心等大跨度公共建筑、超高层建筑等。

但是，在我国，建筑用钢大量使用的仍是Q235和Q345两个强度级别的钢种，高强度建筑用钢板以及低屈服点建筑用钢板尚未形成完整的产品系列。

本文通过对某实际工程案例分别采用普通钢材和高性能钢材的情况进行设计对比分析，研究高性能钢材在钢框架-中心支撑结构设计中的应用。

1　工程概况

该工程为60层钢框架-中心支撑结构写字楼，总高度242 m。平面较规则近似正方形，其内部为由钢框架和中心支撑组成的钢结构核心筒体，外部为钢框架结构。底层层高7 m，上部各层层高为3.5，3.7，4.2，4.9，5，6 m不等。抗震设防烈度为7度(0.1g)，地震分组为第二组，场地类别为III类。基本风压为0.4 kN/m2，地面粗糙度为C类。钢柱主要采用箱形截面，局部采用H形截面；钢梁主要采用H形截面。

该工程实际设计中，钢柱、钢梁、支撑均采用Q345钢材。本文在此基础上，保持支撑材质不变，调整梁柱材质，新增钢柱采用Q550GJ钢材、钢梁采用Q345钢材，以及钢柱、钢梁均采用Q550GJ钢材两种情形建立模型，进行设计计算，并对三者的计算结果进行对比分析。

结构空间整体模型如图1所示。

图1　结构整体模型

2　计算结果对比

分别在钢柱和钢梁均采用Q345钢材(模型1)、钢柱采用Q550GJ钢材而钢梁采用Q345钢材(模型2)、钢柱和钢梁均采用Q550GJ钢材(模型3)3种情况下，运用盈建科软件建立相应的结构模型，进行设计计算，调整钢柱、钢梁截面，使3种情况下钢柱、钢梁的应力比大致相等，同时确保结构侧移、构件挠度满足要求。

2.1　自振周期

3种情况下，各结构模型的前5阶振型周期如表1所示。

表1　各结构模型前5阶振型周期　s

振型阶数模型1模型2模型316.20537.09267.395326.06607.02587.265133.22923.25883.329042.12442.37452.447951.91242.13432.1859

由以上数据可看出，相较于采用Q345钢的结构，当柱采用Q550GJ钢材而梁仍采用Q345钢材时，结构自振周期变化明显增大；当梁柱均采用Q550GJ钢材时，自振周期进一步增大，但变动幅度小于前者。说明框架梁、柱构件强度对结构的自振周期均有较大影响，框架梁构件对结构自振周期的影响小于框架柱。

由地震设计反应谱曲线可知，结构的自振周期越大，结构的地震影响系数就越小，地震作用亦会越小，故采用高性能钢材的钢框架所受的地震作用响应会小于普通强度钢材钢框架，这对提高结构抗震性能是有利的。

2.2　地震作用下的层间位移角

在X、Y方向多遇地震作用下，3种结构模型各层的层间位移角分别如图2所示，具体数据见表2。

图2　各结构模型在地震作用下的层间位移角

表2　各结构模型在地震作用下的最大层间位移角

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

由以上计算结果可看出：

1)当仅柱采用Q550GJ钢材而梁采用Q345钢材时，相比原结构，尽管结构自重减轻，自振周期增大，结构所受的地震作用减小，但钢柱截面的减小引起结构刚度的大幅度削弱，使得在地震作用下，结构的层间位移角大幅度增大；当梁和柱均采用Q550GJ钢材时，结构刚度进一步减小，在地震作用下结构的层间位移角进一步增大。

2)钢框架-支撑结构体系中，结构的刚度由钢框架和支撑共同决定，钢框架对结构刚度有很大贡献。钢框架构件采用高性能钢材，造成构件截面减小，引起结构刚度和层间位移角发生大幅度变化，或成为设计中关键控制因素。本案例中，抗震设防烈度为7度(0.1g)，采用高性能钢材的情况下，结构的最大弹性层间位移角达到1/338。可以推断，在更高的设防烈度地区，可能出现地震作用下的层间位移角接近GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》所规定的限值情况，高性能钢材构件的截面选取可能由结构的侧移刚度控制，而并非由构件应力比控制。

表4　各结构模型中主要构件截面及应力比、挠跨比

构件位置构件截面/mm应力比挠跨比模型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层)□1135×132□1100×80□1100×800.930.900.90柱(4～10层)□1000×100□1000×65□1000×650.920.910.91柱(11～12层)□980×90□980×50□980×500.910.920.92柱(13～26层)□960×80□920×50□920×500.970.960.94柱(27～28层)□900×50□800×35□800×350.770.750.74柱(29～42层)□850×40□750×30□750×300.860.850.84柱(43～57层)□700×40□650×28□650×280.560.570.57柱(58～60层)□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　风荷载作用下的层间位移

在X、Y方向风荷载作用下，3种结构模型各层的层间位移角如图3所示，具体数据见表3。

图3　各结构模型在风荷载作用下的层间位移角

表3　各结构模型在风荷载作用下的最大层间位移角

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

由以上计算结果可看出：

1)在风荷载作用下，相比原结构，在柱采用Q550GJ钢材而梁采用Q345钢材、梁柱均采用Q550GJ钢材的情况下，结构的层间弹性位移角依次减小。

2)相比地震作用，超高层高性能钢材框架-支撑结构的层间位移角对风荷载更加敏感。这是因为采用高性能钢材的钢框架-混凝土核心筒结构，由于结构自重的减轻，水平地震作用也相应减小，而作用于结构的风荷载是固定不变的，采用高性能钢材造成的结构刚度削弱由层间位移角的变化更明显地体现出来。

3)钢框架构件采用高性能钢材，造成构件截面减小，结构刚度大幅削弱，层间位移角大幅度增大。本案例中，基本风压为0.45 kN/m2，采用高性能钢材的情况下，结构的最大弹性层间位移角达到1/436，接近GB 50017—2003《钢结构设计规范》规定的限值。在基本风压更大的情况下，结构侧移刚度或成为设计中关键控制因素，高性能钢材构件的截面选取可能由结构的侧移刚度控制，而并非由构件应力比控制。

2.4　主要构件截面

在钢柱和钢梁均采用Q345钢材、钢柱采用Q550GJ钢材而钢梁采用Q345钢材、钢柱和钢梁均采用Q550GJ钢材3种情况下，结构主要构件截面以及构件应力比、挠跨比如表4所示。

可见，采用高性能钢材后，保持应力比不变的情况下，梁柱截面明显减小，可节省钢材用量，增加建筑空间。但对于部分跨度较大的钢梁，当采用Q550GJ钢材时，应力比尚未达到采用Q345钢材时的应力比数值，挠度却已达到规定的限值，其截面由挠度控制，而非由强度控制。在这种情况下，采用高性能钢材，钢梁截面无法充分减小，强度无法得到充分利用。

2.5　用钢量

3种模型下结构的用钢量见表5。

表5　各结构模型用钢量　t

构件模型1模型2模型3柱10412.006192.946192.94梁6492.656492.655124.72支撑3328.633328.633328.63总用钢量20233.2816014.2214646.29

可见，相对于原结构，钢柱采用Q550GJ钢材后，用钢量下降了4 219 t，占原结构总用钢量的20.8%；钢梁采用Q550GJ钢材后，用钢量又下降了1 368 t，占原结构总用钢量的6.76%。当钢柱采用Q550GJ钢材、钢梁采用Q345钢材时，结构总用钢量比梁柱均采用Q345钢材时下降了20.8%；当梁柱均采用Q550GJ钢材时，结构总用钢量比梁柱均采用Q345钢材时下降了27.6%。

3　结　论

1)在钢框架-中心支撑体系中，高性能钢材应优先应用于框架柱或下部几层的柱中。为了高性能钢材的材料强度充分发挥，建议设计为无侧移框架。

2)在钢框架结构体系中，结构的刚度主要由钢框架柱决定，相比普通钢材钢框架结构，当钢框架部分采用高性能钢材时，对结构的刚度影响较为显著，因而在满足构件稳定性的前提下可适当减小高性能钢材钢构件的截面，使钢材强度可以得到充分利用。

3)在钢框架-支撑结构体系中，框架柱、框架梁对结构的刚度有很大贡献，当钢框架部分采用高性能钢材时，梁柱截面减小，导致侧移明显变大，在风荷载或者地震作用比较大的情况下，钢柱截面的选取可能由侧移控制。

4)钢柱采用高性能钢材所节省的用钢量较大，相应造成的结构刚度减弱、侧移增大效应也较大；钢梁跨度较大时，其截面选取往往由挠度控制，采用高性能钢材所节省的用钢量较小，所造成的结构刚度减弱、侧移增大效应也小于钢柱。因而，在钢框架-支撑结构体系中，在保证侧移满足要求的情况下，相比钢梁，钢柱采用高性能钢材在减少用钢量方面的优势更加显著。

参考文献

[1]　GB 50009—2012　建筑结构荷载规范[S].

[2]　GB 50011—2010　建筑抗震设计规范[S].

[3]　JGJ 99—98　高层民用建筑钢结构技术规程[S].

[4]　GB 50017—2003　钢结构设计规范[S].

[5]　汪一骏，顾泰昌，冯东,等. 钢结构设计手册[M].北京: 中国建筑工业出版社，2004.

[6]　李国强．多高层建筑钢结构设计[M]．北京：中国建筑工业出版社，2004.

[7]　施刚，石永久，王元清．超高强度钢材焊接箱形轴心受压柱整体稳定的有限元分析[J]．沈阳建筑大学学报:自然科学版，2009，25(2):255-261．

[8]　李国强，王彦博，陈素文．高强钢焊接箱形柱轴心受压极限承载力试验研究[C]//第六届海峡两岸及香港钢及组合结构技术研讨会论文集．香港:香港钢结构学会，2010: 328-338．

·信　息·

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ANALYSIS OF APPLICATION EXAMPLES OF HIGH PERFORMANCE STEEL IN CONCENTRICALLY BRACED FRAME

He Wentao　Zhang Xiubin　Qi Yulong　Bian Xiaofang　Liu Peng　Li Xiaorun

(Central Research Institute of Building and Construction Co. Ltd， MCC Group, Beijing 100088, China)

ABSTRACT：In this paper, structural models for a practical project, which respectively adopted normal steel and high performance steel were built and calculated to compare the natural vibration period, lateral displacement and steel consumption so as to investigate the application of high performance steel in concentrically braced frame,then came to the conclusion that high performance steel should be used in columns preferentially under guaranteeing the lateral displacement.

KEY WORDS：high performance steel; concentrically braced frame; structural design

DOI:10.13206/j.gjg201602002

收稿日期：2015-10-25

*“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAJ13B01)。

第一作者：何文涛，女，1987年出生，工程师。

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