钢结构住宅的发展及结构设计概述

文 枚 李洪昌

1 钢结构住宅的发展概述

钢结构住宅在欧美已经有百年历史。日本、澳大利亚、英国、意大利等国也早已把钢结构用于住宅,并研究开发出完整的节能环保型的轻钢住宅结构体系。目前,国外60%以上的高档住宅都采用钢结构,并正积极推动预制装配化钢结构向多层住宅发展,美国最早采用钢框架结构住宅,1996年,已有20万幢钢框架小型住宅,约占住宅建筑总数的20%;日本的钢结构建筑数量最多,新建1层～4层建筑大多采用了钢结构;在澳大利亚,钢结构住宅占全部住宅的50%。我国钢结构住宅起步很晚。20世纪80年代中期,随着改革开放的不断深入,工业化的轻钢别墅也进入我国,对钢结构住宅的研究和应用始于20世纪90年代末。进入21世纪,钢铁工业的飞速发展为钢结构住宅提供了各类板材,有力促进了钢结构住宅的发展。建设部编制了《2010年建设事业技术政策纲要》,并于2001年年底发布了《钢结构住宅建筑产业化技术导则》。建设部科技司组织36项钢结构住宅建筑体系及关键技术研究课题,开展试点工程,并组织编制《钢结构住宅设计规程》和《低层轻钢装配式住宅技术要点》等。

2 钢结构住宅的结构体系

2.1 低层住宅

别墅式低层钢结构住宅多采用轻钢龙骨结构体系。轻钢龙骨结构体系又可以分为两类：1)冷弯薄壁型钢龙骨结构体系。冷弯薄壁型钢主要由0.5 mm～3.5 mm厚普通钢板或镀锌钢板冷压或冷弯而成,形状为C形、Z形、L形和方形,并可形成各种形状和卷边,拼成I形和T形,以提高截面刚度和承载力。下面以C型钢龙骨结构为例介绍一下这种结构体系的构件组成。冷弯C型钢龙骨结构体系由以下构件组成：柱、梁、地龙骨和天龙骨、腰支撑和斜支撑以及各种配套的扣件和加劲件,构件与构件之间用自攻螺钉来连接,梁柱构件的厚度在1.0 mm～3.0 mm之间,高度在75 mm～200 mm范围内,镀锌的标准应根据地区外部环境的腐蚀程度而定。2)小型热轧型钢龙骨结构体系。热轧型钢龙骨结构体系是由间距在1.2 m～2.0 m的轧制矩形钢管或H型钢柱与柱铰接的H型钢梁构成的框架,辅以一定数量的支撑所组成。这种结构体系类似冷弯C型组成的龙骨结构体系,不同的是前者的竖向结构为墙元,而后者为单根柱,且柱从下到上是连续的。

2.2 小高层、多层钢结构住宅

小高层、多层钢结构住宅的承重结构体系多为纯框架结构体系。这种体系的主要特点在于在垂直平面上不设斜杆传力路径,明确建筑平面布置,灵活制作,安装简单,其结构各部分的刚度较均匀,构造也较简单,框架结构的梁柱构件易于标准化、定型化、装配化,但抗侧移刚度较小。基于抗震验算要求其建造楼层一般不应超过12层。

2.3 高层、超高层钢结构住宅

高层、超高层钢结构住宅可选择的承重结构体系较多,主要有以下几类：1)钢框架支撑结构体系。这种体系是在钢框架中沿房屋进深方向布置钢支撑或沿房屋进深和纵向布置。有时还可以连接成支撑芯筒以获得较大的抗侧移刚度。这种体系适用于抵抗小震或中震抗侧移刚度,足以承受侧向水平力。2)钢框架剪力墙结构体系。这种体系中一般在钢框架内采用带竖缝的钢筋混凝土抗震墙板或内埋钢支撑的预制钢筋混凝土墙板。它可与室内横隔墙结合布置形成房屋的主要抗侧力构件,抗侧移刚度大。3)空间错列桁架结构体系。这种体系是由高度等于楼层高,跨度等于房屋总宽度的桁架支撑于房屋外侧的纵列柱上,相邻上下层错列布置,中间无柱楼板分别搁置在左右桁架的上弦和下弦上。故其纵向抗侧移刚度亦很大。这种体系通常为15层～20层,但也曾用到35层～40层的建筑物中。4)钢混凝土组合结构体系。这种体系采用钢管、方钢管或圆钢管。

3 钢结构住宅的选型

3.1 结构的经济有效性

从建筑物的整个寿命周期来考虑,包括初期的土建造价部分、中期的日常维护费用、预期灾害损失部分,以及建筑物寿命终结时的材料回收所得利益来考量。

3.2 结构的受力性能

1)结构的整体刚度。地震时,建筑物主要是承受水平地震荷载。2)结构的整体承载力。与低层建筑不同,水平荷载、地震作用和风荷载已成为结构设计中的控制因素。3)结构整体稳定性。其影响因素主要是地震作用和风荷载。主要通过高宽比限值来保证。高宽比值越大,地震作用下的倾覆力矩作用越严重。4)结构的延性指标。它是保证结构在罕遇地震作用下,结构进入塑性变形阶段后仍具有较好的变形能力,避免倒塌的重要因素。5)结构的整体性。它是协调结构各构件在地震作用下共同工作的必要条件。在设计初期,通过长宽比的限值来保证结构的整体性。

3.3 功能适应性

建筑物的功能要求是建筑设计时应考虑的首要因素。任何建筑都具有对客观空间环境的要求,根据这些要求可大体确定建筑物的尺度、规模及相互关系。在结构选型时应使所选择的结构形式的剖面与建筑物的使用空间要求相适应,尽可能地降低结构构件的高度,提高使用空间的利用率。同时,也应考虑建筑的平面功能的适应性和平面布置的灵活性来进行结构选型。

4 钢结构住宅的设计要点

4.1 节点设计

钢结构的节点设计包括梁柱节点、梁梁节点、柱柱节点、柱脚节点、柱帽节点等。设计时应确保节点的安全可靠,并尽量采用简捷、稳定、可靠的施工工艺,减少或避免现场的焊缝连接。钢结构节点的形式按传力特性大体可以分为三类：铰节点、半刚性节点、刚性节点。刚接、铰接节点的受力性能、施工工艺研究得比较成熟,因此在工程中取得了广泛的应用。而半刚性节点应用比较少,主要是其受力特性比较复杂,往往通过试验来取得较为准确的设计数据。三种形式,哪一种更加经济可靠,还有待于在实际工程中比较检验。

4.2 墙体材料的选取

一般来说,为了突出钢结构自重轻、布置灵活、可改性好的特点,钢结构住宅不宜采用传统的黏土砖或其他自重较大的材料,通常采用轻质材料。目前使用比较多的是蒸压轻质加气混凝土板,简称ALC板。这种材料质地较轻,具有较好的防水、防渗透能力,保温性能好,隔声效果与一般混凝土空心砌块相当,自身的强度高,施工方便快捷。无论做外墙还是内隔墙效果都比较理想。

4.3 卫生间和厨房的设计

卫生间和厨房的设计是钢结构设计过程中比较重要的环节。因为钢结构材料的防腐能力相对较弱,而卫生间和厨房是住宅中用水最多的地方,所以这两处的防水处理十分重要。在其他建筑体系中,防水方法：结构防水和材料防水。在钢结构中,结构防水的效果比较好,正如前文指出,框架—核心筒结构体系把卫生间和厨房放在核心筒内,具有良好的防水性能。对于其他结构体系根据实际情况而定,比如对于框架—支撑体系采用压型钢板混凝土组合楼板时,通常在墙角处将混凝土上翻100 mm～150 mm。

4.4 楼盖体系

多层房屋钢结构的楼板必须有足够的承载力刚度和整体性,当前较常采用的是在钢梁上铺设压型钢板,再浇筑100 mm左右的钢筋混凝土板,即形成压型钢板组合楼板。在设计过程中,要考虑钢梁和楼板的组合作用,这样会显著提高梁的承载力和整体稳定性,并有效降低梁高,节约用钢。压型钢板组合混凝土楼板,除了按计算在钢梁上焊接栓钉外,为了保证混凝土和压型钢板共同工作,它们之间应有连接措施,根据规范规定,其连接措施可以依靠压型钢板的纵向波槽或依靠压型钢板上的压痕开的小洞或冲成的不闭合孔眼,也可以依靠压型钢板上焊接的横向钢筋。

5 结语

1)我国钢结构住宅产业已进入一个新的发展阶段,有关规范和标准已经出台,国内钢材产量充足,有了一批钢结构住宅的试点和示范的建设经验与科技成果,钢结构住宅的发展已具备了较好的物质和技术基础。2)结构选型是一项非常复杂的决策问题,具有强烈的综合性和科学性,包括大量的不确定性。结构选型是高层钢结构住宅初步设计阶段的重要部分。3)钢结构住宅的设计要注意的问题：不同节点形式的比较和选取,墙体材料AL板的特点,卫生间、厨房的防水设计和在平面中位置的选择,压型钢板混凝土组合楼盖体系的构造要求等。

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