新型结构体系综述*

张秀丽 李升才

建筑业作为我国国民经济建设中的支柱产业之一,是相关行业赖以发展的基础性先导产业。在当今世界发展的大潮流中,一个国家的建筑是一个国家城市经济繁荣与社会进步的重要标志,但我国建筑业飞速发展的同时也存在很多问题[1],针对我国人口众多,各种资源相对缺乏的实际国情,为了改变我国建筑业结构形式单一,建筑工业化程度差,劳动生产率低,技术含量不高,能源和原材料消耗大的问题,我们必须充分应用和发展适合我国国情的新型建筑结构体系。现就当今应用比较普遍的一些新型建筑结构体系作简要介绍。

1 配筋砌体结构

传统的砌体结构主要以砖、石为主,其材料分布范围广,容易就地取材,且较水泥、钢材和木材的价格便宜,但是它的强度较低,墙、柱的截面尺寸较大、材料用量多,自重大、抗震性能差,应用逐渐受到限制,必须利用新技术、新材料等对其改进。

配筋砌体主要指加构造柱、水平拉结筋或芯柱的空心砌块砌体,它同时具有无筋砌体和钢筋混凝土结构性能。

结构特点[2]:1)可根据设计要求选择相匹配的材料强度等级。2)可充分利用矿渣、粉煤灰等工业废料,制成具有保温节能效果的砌体。3)块体在工厂预制,施工机械化程度高,施工周期短。

2 钢—混凝土组合结构[4]

2.1 钢—混凝土组合梁

钢—混凝土组合梁是一类通过抗剪连接件将钢梁和混凝土翼板稳定的连接在一起的横向承重构件,它们共同受力,并且无相对滑移,充分利用了钢材抗拉强度高而混凝土抗压强度高的特点。混凝土板可作为钢梁的侧向支撑,对钢梁的稳定性起到有利作用。

2.2 钢管混凝土

钢管混凝土是在钢管中填充混凝土而形成的组合构件,截面形式主要包括圆形、方形、矩形和多边形等。钢管对混凝土的套箍作用使混凝土在受力时处于三向受压状态,以至其极限抗压强度、塑性和韧性都有不同程度的提高。钢管在混凝土的支撑作用下减小了发生局部屈曲的可能性,提高了构件的整体性能。同时钢管可作为安装架设阶段的劲性骨架、灌注混凝土阶段的模板,具有良好的施工性能。

2.3 型钢混凝土

型钢混凝土(Steel Reinforced Concrete,简称SRC)结构是指在型钢周围配置钢筋,并浇筑混凝土所形成的结构,也称钢骨混凝土或劲性钢筋混凝土。内部型钢和外包钢筋混凝土通过一定的措施形成整体共同受力,同钢管混凝土类似,其受力性能明显优于两者性能的简单叠加。外包混凝土可以防止钢构件的局部屈曲,提高其出平面的稳定性。型钢混凝土由于含钢率大幅度提高,使得与相同截面尺寸的钢筋混凝土构件相比,承载力和延性增强,有利于改善结构的抗震性能,同纯钢结构相比,增加了结构的耐久性和耐火性。

3 短肢剪力墙[5]

短肢剪力墙也称短肢抗震墙,或简称短肢墙,采用的墙板比一般剪力墙的短,主要布置在间隔墙的交点处,其形式灵活多样,常用的截面形式有T形、L形、Z形、“十”字形、“一”字形等。短肢墙的数量和肢长主要由竖向荷载和抗侧力决定,墙肢截面高度与厚度之比一般为5～8,墙厚不小于200 mm,肢长为1.0 m～2.5 m,广泛用于中高层住宅建筑。通常利用中部的竖向交通区(楼梯、电梯间)设置较多的钢筋混凝土剪力墙,组成一个基本完整的核心筒体,作为承受竖向荷载和抗侧力的主要部分。短肢剪力墙的开洞较大、墙肢较短、连梁截面高度较小,是一种强肢弱梁型的结构。水平载荷作用下结构的侧移比较大,抗侧刚度比普通剪力墙小,在水平地震作用下,其振动周期较长而地震作用较小,延性提高,具有良好的抗震性能。

4 异形柱框轻结构体系

区别于传统的矩形截面柱,异形柱框轻结构体系主要是由异形(T形、L形、“十”字形)柱组成框架,由轻质墙体作内隔墙或保温、隔热、节能的围护墙所组成的一种主要用于多层及中高层建筑中的结构体系。柱肢腹板厚度最适宜取用与墙体厚度相同,一般为200 mm～250 mm。它最大的特点是室内不凸出柱楞,改善室内观瞻、少占建筑空间、增大使用面积。墙体质量轻,地震作用小,并且框架的弹塑性好,构件和节点有一定的延性,因此在低烈度地震区有一定的发展前景,但是由于其截面形状复杂,施工困难,因此施工周期长,造价高。

5 CS板式结构体系

CS板式结构体系是以CS承重外墙板、CS承重内墙板、CS楼面板和屋面板为主要预制构件并配以混凝土基础、异形构造柱和圈梁而建成的整体板式结构房屋。它能保证结构的整体性、抗震性,能充分满足外檐立面造型和形体变化的要求,并为电气、暖通、给排水各专业管道、部件等的敷设与安装提供良好的条件,可适用于各种低层和多层建筑,实现了承重、保温、隔热、隔音一体化和构件产品工厂化、标准化、系列化生产、装配化施工,具有创新性。CS板式结构住宅是绿色环保、节能型、高舒适度的房屋,具有建筑平面布置灵活,建筑造型随意组合的特点,可为用户提供CS房屋菜单,供用户选择定做,满足不同的房屋消费,具有良好的社会效益和经济效益。

6 节能砌块隐形密框结构

节能砌块隐形密框结构是根据混凝土小型空心砌块结构及配筋砌体结构,针对多层及中高层住宅建筑研制开发的新型结构。节能砌块隐形密框墙板是结构的基本构件,由热阻节能砌块与隐形密肋框架构成,以隐形密肋框架为主要承载部分,以热阻节能砌块为辅助承载部分。由石粉、炉渣、粉煤灰等为主要原料制成的轻型保温砌块作为墙板主要构件,在孔洞中浇筑钢筋混凝土隐形柱和隐形梁,从而形成隐形密肋框架,在纵横墙交接处以及墙和楼板交接处加大肋梁和肋柱配筋量,这样在小框架外又形成了大框架,结构的抗侧力刚度和受力性能得到显著的改善,使得一般框架结构[6]以整体剪切变形为主进而变为以弯曲变形为主,减小了结构的整体变形,提高了材料的利用率,有利于结构抗震。因此它具有轻质高强、抗震性好、造价低、保温、隔音和施工方法简单的特点。

7 筒体结构

由一个或数个筒体(密柱框架或剪力墙组成)作为主要抗侧力构件而形成的结构称为筒体结构,它适用于平面或竖向布置繁杂、水平荷载大的高层建筑,主要有核心筒结构和框筒结构。

核心筒结构一般由布置在电梯间、楼梯间及设备管线井道四周的钢筋混凝土墙所组成。为底端固定、顶端自由、竖向放置的薄壁筒状结构,其水平截面为单孔或多孔的箱形截面,它既可以承受竖向荷载,又可以承受各个水平方向上的侧向力作用,是一个空间受力结构。在高层建筑平面布置中,为充分利用建筑物四周作为景观和采光,电梯等服务性设施的用房常常位于房屋的中部,核心筒也因此而得名,有时也称为“实腹筒”。

框筒结构是由周边密集柱和高跨比很大的窗裙梁所组成的空腹筒结构。从立面上看,框筒结构犹如由4榀平面框架在角部拼装而成,角柱的截面尺寸往往较大,连接两个方向框架。框筒结构在侧向荷载作用下,不但与侧向力相平行的两榀框架(常称为腹板框架)受力,而且与侧向力相垂直方向的两榀框架(常称为翼缘框架)也参加工作,形成一个空间受力体系。

8 膜结构

膜结构是用多种高强薄膜材料及辅助结构通过一定的方式使其内部产生一定的预张应力,形成应力控制下的某种空间形态,作为覆盖结构或建筑物主体,承受一定的外荷载作用的一种空间结构形式。膜结构按结构受力特性大致可分为充气式、张拉式、骨架式膜结构等几大类。膜结构不仅限于体育或展览建筑,现已向房屋及景观建筑等各个方面扩展。

9 结语

通过以上对我国主要新型结构体系的分析,可以发现其种类趋于多元化,不会有某一种结构占据主导地位,单一的结构形式无法满足目前人们对住宅体系越来越高的要求。鉴于此,同时也为了响应国家对于新型结构体系的相关政策,加快住宅产业化的需求,实现住宅业可持续发展,必须开发轻质高强、抗震性好、造价低、保温(隔热)隔音效果好且施工方法简单的住宅结构体系。我们要大量引进国外先进新型结构体系,但更重要的是加强自主创新能力,研发适合我国国情的新型结构体系,缩短与先进国家在建筑业上的差距。

[1] 刘志峰.促进住宅产业可持续化发展[J].城市开发,2005,(2):26-27.

[2] 王旭冉.我国砌体结构的发展与展望[J].天津建设科技,2007(sup):13-14.

[3] 佟京阳.钢管混凝土节点设计[J].山西建筑,2008,34(16):65-66.

[4] 胡 利.钢—混凝土组合结构的研究进展[J].华北水利水电学院学报,2009(2):131-132.

[5] 卢 敏.浅谈短肢剪力墙结构体系及其应用[J].工业技术,2007(22):47-48.

[6] 王振武,张 伟.混凝土结构[M].第 3版.北京:中国建筑工业出版社,2005:150-168.