钢结构的优点及在住宅上的应用

李文波

摘 要:2001年经国家经贸委批准,将“轻型钢结构住宅建筑通用体系的开发和应用”作为我国建筑业用钢的突破点,正式列入国家级重点技术创新项目,钢结构住宅引起社会各界广泛关注。本文简单介绍了钢结构的优点及其在住宅上的应用,期望对工程设计人员有一定的帮助。

关键词:钢结构;优点;住宅应用

1 钢结构的优点

一般来说,材料的特性是推出新型建筑形式的出发点。钢结构是用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢制造而成的。和其它材料的结构相比,钢结构有如下一些特点。

材料的强度高,塑性和韧性好钢材和其它建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比,强度要高得多。因此,特别适用于跨度大或荷载很大的构件和结构。钢材还具有塑性和韧性好的特点。塑性好,结构在一般条件下不会因超载而突然断裂;韧性好,结构对动力荷载的适应性强。良好的吸能能力和延性还使钢结构具有优越的抗震性能。另一方面,由于钢材的强度高,做成的构件截面小而壁薄,受压时需要满足稳定的要求,强度有时不能充分发挥。

材质均匀,与力学计算的假定比较符合钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性,而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此,钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合。钢材在冶炼和轧制过程中质量可以得到严格控制,材质波动的范围小。

钢结构制造简便,施工周期短钢结构所用的材料单纯而且是成材,加工比较简便,并能使用机械操作,因此,大量的钢结构一般在专业化的金属结构厂做成构件,精确度较高。构件在工地拼装,可以采用安设简便的普通螺栓和高强度螺栓,有时还可以在地面拼装和焊接成较大的单元再行吊装,以缩短施工周期。此外,对已建成的钢结构也比较容易进行改建和加固,用螺栓连接的结构还可以根据需要进行拆迁。

钢结构的重量轻钢材的密度虽比混凝土等建筑材料大,但钢结构却比钢筋混凝土结构轻,原因是钢材的强度与密度之比要比混凝土大得多。以同样的跨度承受同样荷载,钢屋架的重量最多不超过钢筋混凝土屋架的1/3至1/4,冷弯薄壁型钢屋架甚至接近1/10,为吊装提供了方便条件。对于需要远距离运输的结构,如建造在交通不便的山区和边远地区的工程,重量轻也是一个重要的有利条件。

当然任何一种材料都不是十全十美的,钢材的耐腐蚀性和耐火性就较为欠缺,在对结构进行防护时费用比钢筋混凝土结构高。不过在没有侵蚀性介质的一般厂房中,构件经过彻底除锈并涂上合格的油漆,锈蝕问题也并不严重。近年来出现的耐大气腐蚀的钢材具有较好的抗锈性能,已经逐步推广应用,并取得了良好的效果。钢材长期经受100℃辐射热时,强度没有多大变化,具有一定的耐热性能,但温度达150℃以上时,就须用隔热层加以保护。钢材不耐火,重要的结构必须注意采取防火措施。例如,利用蛭石板、蛭石喷涂层或石膏板等加以防护。

2 钢结构在住宅上的应用以及推广价值与砖混结构、混凝土结构相比,在住宅中应用钢结构主要具有以下几方面优点:

2.1 结构自重轻。

根据比较,相同的建筑造型,六层钢结构住宅重量仅相当于四层砖混结构住宅的重量。建筑总质量小,地震力效应小,且延性好,相应抗震性能优良。历次大地震灾害资料对比都说明了这一点。

2.2 材料各向同性,符合力学假定,提高了设计精度。

2.3 由于工厂化加工制造,精度高,易于保证质量,与混凝土相比,更符合结构设计要求。同时施工速度快,工期缩短40%以上,可使建筑物更早的投入使用,提早产生效益。

2.4 在设计中由于业主的要求,经常要进行变更,采用钢结构较易配合变更。施工时干式作业减少了对环境的污染,且构件运输方便,费用低。

2.5 可在梁腹板处开孔走管道,不像混凝土结构在梁底通过。因此在楼层高度一样的情况下,采用钢结构可提高层间净高。

2.6 对新疆而言,钢结构住宅的优势更为明显。钢材的耐腐蚀性较差,而新疆气候干燥,降水少,蒸发量大,对于钢材的“湿腐蚀”具有天然的防护作用。此外,新疆冬季较长,不利于施工。钢结构施工速度快的优势就明显地体现了出来,既保证了建筑结构的工期质量,又减少了因冬季施工所带来的温度等方面的问题。

2.7 轻质高强,简单实现大跨与复杂几何结构,创造开放式住宅。传统结构(砖混、混凝土)由于受材料限制,其开间一般在3.0m、3.3m、3.6m、4.2m。如果需要更大开间,则会造成“肥梁胖柱”,房高也会受到影响。而在梁高相同的情况下,钢结构开间可比混凝土大50%。在梁柱等强度条件下,可增加建筑有效使用面积5%～7%。新疆冬季时间长,室外温度低,因此室内都通过暖气来取暖,采暖期长达半年。这就要求外墙要有良好的保温措施,否则对能源是一种很大的浪费。钢结构住宅的墙体一般选用与之配套的板材,与传统的砖墙相比具有较好的保温性能,在建筑节能方面有明显的优势。由此可见,钢结构住宅不仅加快了国家和城市的发展速度,带动了与之相关的其它行业的发展,还提高了住宅质量和人们的居住水准,而且它作为一种商品综合经济效益高,可使买卖双方都获得利益。钢结构住宅还促进了住宅产业化的发展进程,尤其是使用材料的环保性,给社会带来良好的综合效益,而与之相比的钢混和砖混等传统结构住宅越来越暴露出它们的缺点,和对发展的阻碍,取而带之的钢结构已经到了势在必行的阶段,这也正是现阶段发展钢结构住宅的原因。

3 钢结构布置钢结构设计的基本原则是:

结构必须有足够的强度、刚度和稳定性,整个结构安全可靠;结构应符合建筑物的使用要求,有良好的耐久性;结构方案尽可能节约钢材,减轻钢结构重量;尽可能缩短制造、安装时间,节约劳动工日;结构构件应便于运输、便于维护;在可能条件下,尽量注意美观,特别是外露结构,有一定建筑美学要求。按照上述原则,根据实际案例原建筑设计的布置和功能要求,综合考虑了结构的经济性、建筑设计的特点和施工合理性等因素,采用钢框架-支撑和钢框架——剪力墙结构体系,并分别进行了布置。

梁柱体系平面采用普通梁格体系。梁采用热轧焊接H形截面钢梁,柱为焊接箱型钢柱。整个结构设计成刚性框架结构,竖向荷载由梁、板、柱承担。框架的梁与梁、梁与柱、柱与基础均按刚性连接设计,现场连接采用高强螺栓与焊接共同作用。次梁为H形截面单跨简支梁,设计主次梁时均不考虑楼盖与钢梁的组合作用。

抗剪体系分析计算表明,在全部水平风荷载和地震力作用下,上述结构体系局部刚度较弱,因此钢框架——支撑结构体系通过布置中心支撑来抵抗水平荷载。钢框架-剪力墙结构体系的中间部分电梯井与楼梯间布置钢筋混凝土剪力墙,来抵抗水平外力的冲击。

楼盖体系一般各层楼(屋)盖均采用钢筋混凝土楼(屋)盖,楼板厚度依结构计算定为110mm,140mm。在结构计算中,认为楼盖刚度足够大,符合平面内无限刚性的假定。

基础形式钢框架——支撑采用柱下独基,钢框架-剪力墙采用柱下独基与筏板基础。

内外墙体系框——剪采用蒸压轻质加气混凝土板材(简称ALC板材),外墙板厚为 200mm,内墙板厚100mm。框-支采用陶粒砼砌块。

总之,钢结构住宅符合国家住宅产业化的目标,符合可持续性发展的战略,并对保护耕地、提高城市建设水平有较大作用。有了国家政策的支持、技术的保证,钢结构住宅具有光明的前景。

参考文献

[1]刘玉株.钢结构住宅技术问题讨论.建筑创作,2003年2月.

[2]陈禄如等.攻克关键技术推动钢结构住宅发展.建设科技,2003年12月.

[3]马飞宇.钢结构住宅-我国住宅工业化的发展方向.盐城工学院学报,2003年6月.

[4]张小玲.钢结构住宅建筑体现状和发展趋势。建设科技,2003年12月.

[5]温耀中.新疆地区钢结构小高层住宅结构体系应用研究,2005年11月.