百米以下高效能装配式钢结构住宅建筑结构体系初探

     国家钢结构工程技术研究中心 装配式标准化钢结构建筑研究院

               北京赛博思工程技术研究院

                 蔡玉春  2022.12

这些年钢结构住宅以组合结构（钢板混凝土组合墙，钢管混凝土组合柱）大

行其道，这是因为原本自以为组合结构体系会比采用纯钢结构体系的用钢量省，

产生这种错觉的原因是我们认为组合结构充分发挥钢与混凝土两种材料的特性，

使得构件的承载力得到大幅度提升·。但真实的情况是如此吗？本文以筑龙网上

刊登的一篇文章中对某一项目作为分析背景，来分析百米以下高效能装配式钢结

构住宅建筑应采用何种结构体系较为适宜？

一．文章的项目背景及结构分析：

项目位于上海浦东新区。总建筑面积约 5 万平方米。建筑一层为入口大堂，二层

及以上主要为办公用房，地上 15 层，首层层高 8 米，标准层层高 4.3 米，建筑

高度 69.95 米。本工程上部结构嵌固在首层。

                                                 建筑效果图

方案一：钢框架-屈曲约束支撑方案

地上塔楼采用钢框架-屈曲约束支撑体系（图），地下室采用混凝土框架，地上

钢柱倒插一层进入地下一层；结合建筑平面，外围框架柱采用圆形截面柱，核心

筒范围框架柱采用箱型截面柱，框架梁均采用 H 型钢梁，支撑采用屈曲约束支

撑。楼面采用钢梁-组合楼板体系，楼面梁按组合梁设计。

                                    屈曲约束支撑示意图

                                      方案一模型三维轴测图

                                 方案一标准层结构布置图 方案

                                 方案 一标准层典型截面尺寸表

                                 方案一弹性分析结果

方案二：钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构

地上塔楼可采用钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒结构体系，地下室采用混凝

土框架，地上钢柱倒插一层进入地下一层；核心筒范围根据建筑功能要求布置剪

力墙，框架梁均采用 H 型钢梁。核心筒内楼面采用现浇钢筋混凝土梁板，核心

筒外楼面采用钢梁-组合楼板体系。

                                      方案二模型三维轴测图

                          方案二标准层结构布置图

                     方案二标准层典型截面尺寸表 方案

                                      方案二弹性分析结果

方案一与方案二重量及材料用量对比表

结论：纯钢结构用钢量和土建造价均低于混合结构

二．原因分析

第一个方面，从材料使用方面影响地震作用力进行分析：

外因：有一句话“抗震恒永久，牛二永流传”，说的是“地震作用力”是一种惯

性力，它的大小不是一个恒定值，而是与建筑物的质量组合结构或钢砼结构质量 大，钢结构质量小。所以，在相同地震作用下，组合结构或钢砼结构受到的地震

作用力比钢结构要大，这是外因。

举例来说，以 250X250 断面的 1 米的钢结构柱与 1 米的钢管混凝土柱来比较：

250X250X8 的方钢管柱的 1 米重量是：60.79kg；250X250 的钢管混凝土柱的

1 米重量是：197.68kg。两者的重量相差 3.25 倍。

按照地震作用力的计算公式：F=axm,我们以不考虑计算地震作用影响系数 a 分

析，可以看出钢管混凝土柱受到的地震作用力是钢结构柱受到的地震作用力的 3.

25 倍!!!所以，如何使建筑物变“轻”，也就是建筑物的轻量化设计是在装配式

钢结构建筑设计研究中需要考虑的重要方面因素。

内因：钢结构所用的钢材具有强度高，耗能强，是延性材料，有屈服台阶，通过

包络曲线来实现耗能，而混凝土材料是脆性材料。钢结构所用的钢材大多是 Q3

55，钢结构的阻尼比一般在 0.01-0.02 之间，钢-砼组合结构的阻尼比一般在 0.

025-0.035 之间，钢砼结构的阻尼比 0.03-0.08 之间，钢结构的阻尼比小，在地

震作用下，变形大。实际上，在结构设计中，我们采用刚度的概念来进行设计，

而刚度在实际设计中采用层间位移角值来控制，纯钢结构层间位移角限值是 1/

250，而混合结构的层间位移角限值是 1/800，两者的刚度要求完全不同。因此，

钢结构韧性好，通过变形消耗地震能量，且容易恢复，钢结构较为柔性，主要通

过弹塑性变形吸收地震能量，较钢砼结构而言脆断的可能性低得多，一般钢结构

建筑只要正确设计和使用不会发生倒塌事故。

第二个方面，从结构设计计算方式分析； 钢结构采用弹性理论设计，由于材料塑性、韧性好，能很好的承受地震动力荷载，

钢材匀质性和各向同性好，属理想弹性体，其构件能够在地震作用下小幅度变形

后恢复，最符合一般工程力学的基本假定。

钢砼结构或钢-砼组合结构（钢-砼组合结构无论是采用统一理论，还是采用折算

理论（拟钢理论、拟砼理论、强度叠加理论））采用是刚性理论设计，在抗震设

计中采用非线性分析方法，一般是全部结构构件都设为非线性材料参数，它与理

想弹性分析结果不同，在实际地震作用过程中，如果核心筒发生明显破坏，整体

刚度退化后，总的地震作用力降低，外框柱实际承担的地震作用力有可能提高也

有可能降低，因此若采用理想弹性分析，采用弹性计算得到的内力结果进行外框

柱设计是不能保证安全的。相反，若采用完全弹塑性方法分析，如果外框柱发生

一定程度的损伤破坏，所得到的外框柱的内力也是偏小的，也就是说，若采用完

全弹塑性方法分析的内力去设计构件从概念上也无法保证结构不发生破坏。因此，

无论是线弹性分析，还是完全弹塑性方法分析得出的结果都不能作为外框柱的设

计依据。

即便是目前在结构抗震设计中出现的现象：一是不少结构设计以经过振动台试验

或塑性方法分析，在罕遇地震（大震）下基本还保持弹性，由此判断结构抗震性

能良好，认为达到双重抗侧力的设计目标，这是不科学的；二是对于一些钢-砼

组合结构（混合结构），试验或分析结果显示在罕遇地震（大震）下核心筒发生

比较严重的损伤破坏，外框柱却几乎没有损坏，柱还处在弹性范围，而此前小震

下外框柱分担剪力比例又很低（刚刚满足最小剪力系数限值），这种情况下简单

的认为外框设计得太弱或太强也是片面的。要实现理想的双重抗震防线，应该满 足在第一道防线出现严重破坏后，第二道防线能有效发挥作用，并且第二道防线

不能有较严重的损坏，否则两道均严重破坏将导致结构倒塌的风险加大。

因此说，结构抗震的协同性是非常重要的。所以说，钢结构的抗震性能比钢砼结

构的抗震性能好。

另外，由于一般高层办公楼首层层高都较标准层高很多，这种层高的变化，对于

混合结构这种采用等效剪切刚度计算楼层刚度在不改变墙厚的前提下是很容易

形成软弱层；而采用纯钢结构可以采用剪弯刚度基本就不会出现软弱层，可以尽

可能避免竖向不规则超限项的发生。

三．钢结构住宅结构体系选择

在该案例分析的基础上，我们团队还接受了龙湖地产委托一个“天街项目”的设

计复核工作，是针对龙湖在浙江的一个“天街项目”进行复核，该项目由浙江的

一家设计公司设计，项目已建成投入使用，该项目采用组合结构（钢管混凝土柱）。

龙湖要求我们采用纯钢结构进行复核，复核结果采用纯钢结构比原设计用钢量省

2Kg/㎡，同时由于无需在现场浇筑混凝土，经龙湖招标部门核算造价节省约 200

元/㎡。同时，在此工作的基础上，我们团队根据公开的资料对我们自己曾经设

计的钢结构住宅项目及其他单位的钢结构住宅项目进行了复核，发现采用纯钢结

构比采用组合结构的钢结构住宅不但用钢量省，而且造价低。根据以上分析，我

们从“制造安装高效率，建筑使用高能效”角度出发，开发了新一代装配式钢结

构建筑---《高效能标准化装配式钢结构建筑---"α-F"3S 新型分层装配式钢结构

住宅建筑体系》。该钢结构住宅体系采用抗侧与承重相分离的纯钢结构体系，轻

量化的装配式组合楼盖系统及高能效的装配式轻型复合外墙系统。除基础外，完

全实现工厂化生产，现场装配式施工，真正实现了”像造汽车一样在房子，像搭 积木一样盖房子“的目标，同时还实现了钢结构防火防腐与建筑同寿命的长效性。

该体系不但很符合钢结构建筑体系的结构特性，而且也符合新型建筑工业化的要

求。