关于住宅建筑钢结构体系应用的探讨

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　　摘要：本文结合作者多年的工作实践经验，对民用住宅建筑钢结构体系的组成、特点、适用范围、材料选用、设计原则及其在国内的典型工程应用的介绍,分析论述了这类建筑体系的技术经济综合效益，谨供大家参考之用。
　　关键词：钢结构体系，技术，工程应用
　　
　　前 言：
　　近几年来国家提倡绿色环保建设，钢结构体系已成为民用住宅建筑中的一种绿色环保的新型结构体系。钢结构体系具有轻质高强、抗震性好、基础造价低、施工周期短、质量易保证、商品化程度高、外形美观、适用性广、建筑布局灵活合理、增加有效使用面积、提高建筑使用功能、节约能源、符合环保等明显的技术、经济和社会综合效益。它有利于促进节能环保型建材的开发和拉动冶金行业内需。所以钢结构住宅建筑必将具有更广阔的发展前景。目前很多开发商还没有深刻认识到这一点，过多地从造价方面单一考虑，如能从建筑、营销等方面综合考虑，一定会有更好的综合效益。
　　1 多高层钢结构住宅的结构体系
　　多高层住宅建筑的钢结构体系与传统的砖混结构体系、混凝土结构体系有很大的不同，它主要由承重钢结构体系、楼面结构体系和围护结构体系等组成。
　　1.1承重钢结构体系
　　1.1.1 体系的分类
　　（1）钢框架结构体系。其特点是受力明确，平面布置灵活，为建筑提供较大的室内空间，且结构各部分刚度比较均匀，具有较大的延性，自振周期较长，因而对地震作用不敏感，抗震性能好，结构简单，构件易于标准化、定型化，施工速度快.但框架结构属典型的柔性结构体系，其侧向刚度差，易引起非结构构件的破坏。
　　（2）钢框架-支撑结构体系。为了提高钢框架的侧向刚度，有效地抵抗水平荷载，减少层间位移，通常在墙体平面内布置由角钢或槽钢构成的垂直支撑体系，当房屋较高时，较纯框架经济。支撑设置的位置要合适，为了与建筑设计相协调，一般布置在窗台下至下层窗顶之间，既隐蔽又能满足支撑体系的需求。考虑到门窗的布置，可采用W 形、X 形、K 形、人字形和门式等形式。支撑与框架铰接，按拉杆或压杆设计。设计时可根据建筑物高度及水平力作用情况调整支撑的数量、形式和刚度。为了有效地提高钢框架的侧向刚度，支撑应沿建筑物同一平面四周环向封闭布置，以形成一个封闭的加强箍。偏心支撑在地震作用下具有较好的延性和耗能性能，可在强震区采用。
　　（3）交错桁架结构体系。由房屋外侧的柱子和跨度等于房屋宽度的桁架组成，桁架高度等于层高，在相邻柱上为上下层交错布置，楼板一端搁置在桁架的上弦，另一端搁置在相邻桁架的下弦。由于两开间布置一榀桁架，且中间无柱子，所以非常适合要求各单元灵活布置的住宅、旅馆建筑。同时，因为桁架隔层布置，减小了桁架弦杆引起的局部弯矩，使柱在框架平面内的弯矩很小，主要受轴力，有利于减小柱的断面尺寸，框架的横向刚度大，侧向位移小。
　　1.2.2 适用范围
　　（1）3 层及以下的低层住宅：①轻型钢框架结构体系；②冷弯薄壁型钢密排柱（轻钢龙骨，C 形或 Z 形檩条）结构体系。
　　（2）4～6 层多层住宅：①钢框架结构体系；②钢框架-支撑结构体系；③钢框架-混凝土剪力墙结构体系。
　　（3）7～12 层中高层住宅：①钢框架-支撑结构体系；②钢框架-混凝土核芯筒结构体系。
　　（4）13～30 层高层住宅：①钢框架-支撑结构体系；②钢框架-抗剪桁架结构体系；③钢框架-混凝土核芯筒结构体系；④钢框架-带竖缝预制混凝土剪力墙结构体系；⑤钢框架-抗剪钢板剪力墙结构体系。
　　1.2.3 设计原则
　　承重钢结构体系的结构设计宜遵循强柱弱梁、强节点弱构件的一般设计原则，在具体设计时，若较难满足强柱弱梁的设计公式，则满足轴压比要求也可。框架主梁的材料一般可选用热轧或高频焊接H 型钢，次梁可以有多种作法。框架柱子的材料一般可选用热轧或焊接工字钢、H 型钢、方（箱形）钢管、圆钢管或冷弯薄壁型钢、轻型热轧型钢。为了节约钢材，降低造价，框架柱也可采用在空钢管内浇筑高强素混凝土而形成的钢管混凝土框架柱。由于钢管混凝土柱结合了钢柱与混凝土柱的优点，具有良好的受力性能、抗震性能和耐火性能。其单柱的轴向承载力大幅提高，使钢柱截面尺寸大幅减小。与H型钢柱相比，用钢量可节省约50％，造价约降低45%。
　　1.2.4 连接形式
　　框架横梁与柱在强轴方向适于采用刚性连接；而在弱轴方向宜结合支撑布置采用钢管柱设计方案。钢框架梁柱节点连接的构造形式为：①螺栓连接；②焊接连接；③栓、焊混合连接。焊接节点的连接刚度大，混合节点次之，螺栓节点的连接刚度较小，但螺栓连接的安装施工速度最快，且在现场拼接和安装时，施工质量容易保证。主梁与次梁之间一般也采用铰接，在连接构造上以焊接和高强度螺栓连接为主，也可采用栓、焊混合的连接方式：梁腹板用高强度螺栓连接，翼缘用焊接，可先用螺栓安装定位，再对翼缘施焊。
　　1.2 楼面结构体系
　　楼面结构由钢梁和楼面板组合而成。楼盖除了将竖向荷载直接分配给墙、柱外，更主要的作用是参与并保证和抗侧结构的空间协同作用。因此，必须保证楼盖有足够的强度、刚度和整体稳定性，同时应尽量采用技术和构造措施减轻楼板自重，并提高施工速度。作为民用住宅的楼面结构，楼板还应具有较好的隔热、隔声、保温、防水和防火性能。为了保证钢梁的整体稳定性，楼面主、次梁应采取紧凑型构造措施。目前主要采用的楼板形式如下：
　　（1）压型钢板-现浇混凝土组合楼板。整体分析时要考虑组合楼板的各向异性对框架梁的影响：①根据楼板设置情况确定是连续板或简支板、传力路径是单向还是双向；②组合钢梁是按强边还是弱边组合造成的刚度差异；
　　（2）预制预应力混凝土叠合楼板。即钢梁与预制预应力混凝土薄板连接，上浇混凝土薄板以组成叠合楼板。由于这种楼板不仅具有现浇组合楼盖的整体性，还可以省去压型钢板，也无需支模，施工方便，可降低楼板造价，应为首选。
　　1.3 围护结构体系
　　内外墙的造价约占钢结构住宅总造价的30%，对钢结构住宅的造价影响很大，同时，为减轻结构自重，满足建筑节能要求，充分发挥钢结构住宅的优势，其围护墙体要满足自重轻、强度高、保温隔热性好、安装可靠、经久耐用、经济合理的要求，故应采用轻质材料。如外墙可采用蒸压轻质加气混凝土墙板（ALC板）、SRC 复合保温墙板、钢丝网复合保温板、植物纤维强化空心墙板、玻璃纤维加强水泥墙板等工厂预制的标准化轻质墙板和玻璃幕墙等。内墙可采用轻钢龙骨石膏板、加气混凝土轻质墙板、ALC 轻质砌块、轻质改性石膏砌块、夹层复合板、稻草板等。ALC 板自重轻，抗震性好，安装方便，施工速度快，具有良好的保温隔热性、防水性和防火性，非常适合与钢结构配套使用，使用250mm 以上厚度的ALC 板作为外墙，可达到节能50%的要求，是理想的节能型墙体材料。钢丝网复合保温板或夹层复合板具有质轻、墙薄、高效施工等特点和较好的抗震、隔音等性能，可分别用于各种结构的外墙或框架结构的非承重墙。稻草板除了具有质轻、墙薄、高效施工等特点外，还具有抗震、透气性和人居亲和性好等特点，适用于多层建筑非承重的内隔墙。
　　屋盖系统尽量采用有檩体系，屋面材料可与楼面相同，也可采用彩色压型钢板防水屋盖，该屋盖系统既具备了良好的防水防腐效果，又起到了屋面的隔热保温作用，丰富了建筑物的外部造型。如洁面彩色涂层压型钢板屋面系统，具有如下特点：①屋面无明钉，防水性能极佳，可做成大小头，适应屋面的复杂变化，且可自由伸缩；②板肋较低，采用卷边方式固定；③惯性矩小，易做成三维曲面板，屈服强度为300MPa；④造价适中；⑤适用板材：钢板、铝板、铜板、钛锌板等，其中尤以钢板的造价最经济。彩涂板本身具有良好的防水性，不会漏水，产生漏水的主因是压型钢板、夹芯板板缝处理不好。

　　2 钢结构住宅的特点和综合效益
　　（1）结构轻质高强，抗震性好，工程造价低。钢材的抗拉、抗剪强度相对较高。钢结构住宅可以充分发挥钢材自重轻、强度高、延性好、塑性变形能力强、抗震性能好的特点，不仅所受的重力和地震作用小，从而减小梁、柱截面尺寸，节约钢材，而且还可以降低造价和运输安装费用。
　　（2）外部造型美观，空间布局灵活，建筑功能增强。由于钢材轻质高强的特点，便于形成大柱距、大开间的建筑空间，灵活地分隔和布置室内的分区，更好地满足现代住宅建筑的使用功能要求，与砖混结构或混凝土结构相比，其有效使用面积可提高10～15％。建筑造型可丰富多彩，也可简洁明快。
　　（3）易于改造，管线布置方便。钢结构的内部分割、接高、加固等较为灵活。钢梁的腹板允许穿越小于一定直径的管线，加之结构空间的孔洞与空腔，使管线布置、更换、修理方便。
　　（4）符合节能环保要求。钢结构住宅建筑所用材料主要是环保型绿色可回收或易降解的材料，在建筑物需拆除时，钢材可全部回收利用，大大减少了建筑垃圾，对周围环境污染小，利国利民。
　　（5）工程案例的经验总结。深圳新亚洲花园裙房商铺、昆山中航城花园一期裙房商铺由于采用传统的混凝土结构使得商铺有效使用面积降低、出售单元的建筑布局和分隔受到限制，销售的灵活性大大降低，直接影响了最终的经济效益。
　　3 钢结构技术在国内典型工程的应用
　　（1）中国建研院与天津建工集团合作，从研究开发、技术设计、产品生产和工程施工等方面形成了“钢-混凝土组合建筑体系”的钢结构住宅成套技术，并在天津建成了30万平方米的钢结构住宅。该钢结构住宅体系由承重的框架-支撑体系、节能型复合外墙板和挤出型内墙板等部品进行优化组成，具有多项专利。该体系的工程造价可与钢筋混凝土结构持平，产业化程度高、施工速度快、综合技术经济水平先进。
　　（2）上海陆海城由6幢25层的高层钢结构住宅组成，建筑面积7万平方米，采用钢框架-混凝土核芯筒（剪力墙）结构体系，压型钢板组合楼面。框架柱采用圆形钢管混凝土柱，框架梁全部采用高频焊轻型H 型钢。外墙及分户墙为200mm 厚砌块，内隔墙采用150mm 厚砌块。构件耐火等级为一级，设计采用厚型防火涂料。
　　（3）马钢公司于2002 年12 月在马钢光明新村建成了1 幢18 层的钢框架-钢筋混凝土剪力墙结构体系住宅楼，建筑面积9800平方米。框架梁、柱均采用马钢生产的热轧H型钢，每层有37根框架柱，74根框架梁，柱与梁为栓、焊混合连接节点，用钢量为400t。
　　4 结束语
　　综上所述，钢结构住宅建筑体系不仅具有轻质高强、抗震性好而降低基础造价、抗震费用和运输安装费用的优点，而且还具有构件安装便捷、施工周期缩短、加快资金周转、提高投资效益，建筑布局灵活合理，增加有效使用面积，提高建筑使用功能，质量易保证、商品化程度高等技术和经济综合优势，钢结构住宅建筑必将具有更广阔的发展前景。房地产开发商作为国家建设发展的重要力量应当全面、综合地分析开发项目，无论对客户或是自己选择合适的钢结构体系是非常有益的。
　　
　　参考文献：
　　【1】王明贵．钢结构住宅的发展研究[J]．钢结构，2007
　　【2】王军．钢结构住宅的研究与开发[J]．建筑技术开发，2004
　　【3】陈志华，王小盾，李树海．钢结构住宅的构造及技术经济分析[J]．钢结构，2004

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