论钢结构住宅的设计和发展前景
2009-06-20林芳
林 芳
摘要:钢结构住宅是未来我国住宅产业化的发展方向,因其使用材料和结构形式的特点,钢结构住宅是绿色、环保的住宅形式,有非常广阔的应用前景。应该大力推广运用此技术。
关键词:钢结构住宅绿色环保
中图分类号:F293.3文献标识码:A
文章编号:1004-4914(2009)04-065-02
一、我国钢结构住宅的发展概况
从建国初期到B0年代初,我国钢产量少,钢材紧缺,建筑钢结构应用范围很小。国家对建筑钢材的应用加以限制,所以建筑钢结构用钢量占全国钢材总产量的比重极低。随着国民经济的发展和科学技术的进步,我国综合国力大为增强,钢材产量和质量大幅度提高,我国用钢政策由限制用钢转变为合理用钢以至积极用钢,钢结构建筑也从工业建筑拓展到民用建筑。我国钢结构住宅起步较晚,大规模研究开发、设计制造、施工安装钢结构住宅还是近两三年才发展起来的。随着城市建设的发展和高层建筑的增多,我国钢结构发展十分迅速。钢结构住宅作为一种绿色环保建筑,已被建设部定为推广项目,特别是在我国大中城市中,由于人多,土地资源少,应较大范围内推广。目前,在北京、上海、广州和深圳等地开展低层、多层和高层钢结构住宅试点工程,已经建成30多万平方米,这些都说明了钢结构住宅前景广阔。
二、钢结构住宅的优势
钢结构住宅与传统结构住宅相比,在使用功能、设计、施工以及环保方面具有明显的优势。
1、能够合理布置功能分区。钢结构住宅利用钢材强度高的特点,采用大开问柱网布置,可以利用非承重墙体灵活分隔室内空间,使室内布置呈多样化,住宅平面分隔十分灵活,为建筑师提供了多种设计方案的选择,也满足不同用户的需求。同时,利用钢结构连接简单的特点,在垂直平面内比传统结构更容易做成错层、跃层结构。由于钢结构住宅的构件截面尺寸小,可以增加使用面积。
2、抗震性能优越。由于轻钢结构住宅自重轻,一般情况下不需要做桩基,可减少地基处理的费用,且抗震性能好。钢结构属于柔性结构、自重轻。因而能有效地降低地震响应及灾害影响程度,有利于抗震。我国是一个多地震区国家,在地震区建筑中应推广应用钢结构住宅,可以大大减少地震灾害和人员伤亡。
3、符合产业化和可持续发展的要求。钢结构配件制作工业预制化和机械化程度高,商品化程度高,减少了施工现场的加工量,现场主要为干作业,能减少施工用水、噪声、垃圾污染,施工速度快,施工周期可大大缩短。多层钢住宅采用的复合墙体,主要是冷弯薄壁型钢龙骨、保温棉、石膏板等材料,可以取代目前我国尚在大量使用的实心粘土砖,减少因烧砖而毁坏的耕地。而且钢结构住宅具有循环利用性。钢结构在超出正常使用期限后的处理过程,无论是钢材还是与之相配套的建筑物品,都具有可重复利用性和可降解性,适应现代环保要求。
三、钢结构住宅设计的结构体系爰主要构件
1、结构体系。应用于多层钢结构住宅的体系可分为:冷弯薄壁型钢体系、纯钢框架体系、框架一支撑体系、钢框架一混凝土剪力墙体系、周围抗侧力体系等。
(I)冷弯薄壁型钢体系。构件采用薄钢板冷弯成c形、z形构件,可单独使用,也可组合使用,杆件间连接采用自攻螺丝。这种体系节点刚性不易保证,抗侧能力较差,一般只用于1-2层住宅或别墅。
(2)纯钢框架体系。目前,这种体系在多层钢结构住宅中应用最广,纯框架体系常用于4-8层住宅。纵横向都设成钢框架,门窗设置灵活,可提供较大的开间,便于用户二次设计,满足各种生活需求。钢框架考虑楼盖的组合作用,运用在低多层住宅,一般都能满足抗侧要求。它主要由宽翼缘的H型或箱形柱和工字型梁组成,亦可采用热轧H型钢。这种体系具有较为灵活的空间布局,但侧向刚度较弱。纯框架体系多采用双向刚接,这样可以加大结构自身的侧移刚度,减少抗侧移构件内力,加强耗能机制提高建筑物的延性,但节点形式较为复杂。
(3)框架一支撑体系。该体系主要由焊接工字型梁柱组成,多数情况下,这种体系为横向承重,梁柱节点在横向上为刚接,纵向为铰接。因此,结构在纵向相当于排架,抗侧移刚度很低,需设置侧向支撑抵抗水平荷载,限制结构的水平变形。支撑可用槽钢、角钢或圆钢杆,具体形式可结合建筑立面或门窗洞口需要采用中斜杆x型、K型或偏心支撑。在大地震作用下,保证支撑不发生受压屈曲,而让耗能梁段屈服消耗能量。在风载或地震作用较大区域,为提高体系的抗侧刚度,增加轴交支撑或偏交支撑效果很好。
(4)框架一混凝土剪力墙体系。用钢筋混凝土剪力墙部分或全部代替钢支撑,就形成了框架—钢筋混凝土剪力墙(筒)体系。它适用于小高层住宅,一般将楼梯或电梯间设计成钢筋混凝土墙(筒),这样既有效地加强了建筑物的侧向刚度,又解决了楼梯间的防火问题。
(5)周围抗侧力体系。这种体系在欧美国家的商业和民用建筑十分流行。它的特点是刚架柱的强轴与其相交的建筑轴线垂直,形成外筒,抵抗水平荷载,将之传递到基础。它适用于建筑外型接近于正方形的结构,可以将这种思路应用到框架一支撑体系中。把纵向的支撑去掉,将原有位置的刚架柱扭转90°,梁柱由铰接变为刚接。这样,刚架柱同时起到抗风柱与竖向支撑的作用。
2、主要构件。钢结构住宅是以钢结构作为承重骨架,以轻质体材料作为内外墙,功能配套的水暖电卫设备和部品优化集成的节能、环保型钢结构住宅,可采用工业化生产方式,易于实现产业化,符合可持续发展原则。
(1)梁、柱。钢结构住宅结构一般设计为强柱弱梁形式,梁柱均取等截面形式。梁主要选用高频焊接和热轧H钢,它是工字钢的升级换代产品具有抗弯性能好,翼缘宽,侧向刚度大,翼缘表面相互平行,构造方便等优点。我国目前采用的H钢梁大多为Q235和Q345钢,翼缘宽度为60-180mm,截面高度为100~800ram。钢结构住宅一般为大开间,框架柱在两个方向都承受较大的弯矩,同时应该考虑强柱弱梁的要求,目前广泛使用焊接H型钢或I字热轧钢截面。对于轴压比较大、双向弯矩接近、粱截面较高的框架柱,采用双轴等强的钢管柱或方钢管混凝土柱。方钢管混凝土柱不仅截面受力合理,同时可以提高框架的侧向刚度,防火性能好。而且结构破坏时柱体不会迅速屈曲破坏。
(2)楼板。楼板结构的选择至关重要,它除了将竖向荷载直接分配给墙柱外,更主要的作用是保证与抗侧力结构的空间协调作用。所以,楼板必须有足够的承载力、刚度。并且与钢框架实现可靠连接,确保结构体系的整体刚度和稳定性。另外从抗震角度来看,还应采用相应的技术和构造措施减轻楼板自重。同时楼板还要应该满足住宅功能的要求,如防颤动、隔音、隔热等。我国钢结构住宅的楼板,一般采用钢筋混凝土结构和钢结构体系的传统做法。常用的楼盖结构有:压型钢板一现浇混凝土组合楼板,现浇钢筋混凝土板以及钢一混凝土叠合板而以第一种最为常用。
(3)支撑体系。支撑分轴交支撑和近年发展起来的偏交支撑两种,前