浅析多层建筑钢结构的设计与施工

张君 刘广清 牛学霞

摘要：钢结构住宅体系区别于传统体系住宅的内容主要是指主体钢结构体系、外围护墙和内隔墙体体系以及楼板体系。多层钢结构住宅一般采用装配式结构，其优势是施工速度快，建筑布局限制小。其结构都是由多层水平的楼盖和竖向的柱、墙等组成。开发、生产新型钢结构住宅体系替代现有砖混结构的新型建筑结构体系有着重要意义。本文针对建筑钢结构的施工技术进行了论述，以供参考。

关键词：钢结构多层建筑设计施工

钢结构与其它结构相比，在使用功能、设计、施工以及综合造价方面具有大跨、轻型、重载、高耸、结构性能好、整体性强、抗震性佳、造价低、施工速度快，环保等诸多优点的钢结构工程，逐渐取代了传统的砖混结构及混凝土框架结构，已被广泛运用于桥梁、民用建筑，高层建筑，工业厂房等。

1．钢结构建筑的特点

1.1 强度高、自重轻、抗震性能好。钢材的强度比混凝土、砌体和木材要高出很多倍，荷载相同时，所需构件截面小。钢结构住宅以工厂生产的钢梁、钢柱为骨架．并采用轻质墙板．所以自重较轻，一般是普通钢筋混凝土住宅的70％左右。钢结构具有良好的延展性，抗震性能好且震后受损轻，而且由于钢材便于加工，灾后容易修复。我国是一个地震多发国家，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。

1.2工业化程度高、施工周期短。钢结构除基础以外，所有构件及其配套部件均由专业工厂标准化生产，然后运至工地安装。产品质量稳定可靠，施工机械化，施工速度快，因此施工周期比传统建筑可缩短一半。施工作业受天气及季节影响较少，并且可以工厂制作与现场安装平行进行，大大缩短建造周期。

1.3布局灵活、净使用面积大。钢材强度高，可以采用大开间柱网布置。利用非承重墙体灵活分隔室内空间，形成丰富多样的户型，能更好地满足不同用户的需求。由于钢材强度高，梁、柱等构件截面小，结构在建筑面积中所占的部分少，使用面积较钢筋混凝土住宅提高4％～8％。而且，钢结构住宅空间中有许多孔洞和空腔，方便管线布置、更换，也可增加建筑的净高。

2.钢结构建筑用钢类型

普通型钢结构住宅钢结构通常采用冶炼容易、成本低廉的碳素结构钢或低合金钢梁柱构件截面有很多种类，包括箱型、工字型、H型、L型及各种设计要求的异型截面。焊接型钢是选用不同厚度的钢板，根据设计要求在工厂焊接加工成型钢，这种成型方式可以根据工程项目不同结构部位的受力计算，在不同部位采取不同厚度的钢板，比热轧一次成型产品受力更加合理，可以节约钢材。

轻型钢结构主要是指圆钢、小角钢和薄壁型钢组成的结构。薄壁型钢是轻型钢结构，适宜于钢结构住宅的建造。薄壁型钢的支撑构件，一般采用壁厚1.5-5mm的薄钢板，经冷弯或冷轧后制成各种不同截面形式及尺寸的薄壁型钢及制品。与热轧型钢相比，在相同截面面积的情况下，薄壁型钢的回转半径可增50%-60％，截面暾性矩和抵抗矩可增大0.5—3倍，因而能较合理的利用材料的强度。薄壁型钢用作支撑构件时，能充分利用钢材的强度，用作受弯和受压构件时，可提高构件的承载力和刚度。薄壁型钢制品还包括厚度在1.2rnm以下的各种截面形式的压型钢板。

3.钢结构多层建筑体系

3.1主体结构形式

3.1.1冷弯薄壁型钢格构式结构体系。冷弯薄壁型钢格构式结构体系住宅是一种工厂化制造、能快速组装、完全作业的装配式轻钢结构住宅体系，具有用钢量少、抗震、节能和建造省时、省工等特点。冷弯薄壁型钢格构式结构体系住宅主承重结构是将工厂预制的冷弯薄壁型钢在施工现场用螺栓连接形成结构骨架，再封上墙体、楼板、屋面板形成整体住宅。

3.1.2工厂预制板式结构体系。工厂预制带钢骨架的承重墙板、楼板、屋面板，甚至整间的房屋可在工厂预制好，在施工现场只需将承重板现场拼装即形成整体住宅，施工速度快，适用于低层或多层住宅。

3.1.3梁柱框架式结构体系。多层住宅适宜采用梁柱框架式结构体系。框架体系的钢结构住宅自重轻，自震周期长，对地震作用不敏感。由于其侧向刚度小，当结构高度或层高较大时，需设置侧向支撑以形成支撑框架结构。高层住宅设计上，常用钢结构与钢管混凝土及混凝土现浇剪力筒组成混合结构，增强整体结构抗侧移能力，减低用钢量而减低总造价。

3.2内外墙形式

3.2.1轻型砌筑类墙体种类。砌筑墙体是由多种材料的块体砌筑而成的墙体结构。由于钢结构体系的框架承重特性，这里所指的砌体为不承重的新型轻质砌块墙体，通常包括蒸压加气混凝土砌块墙体、混凝土小型空心砌块墙体。这几类轻质砌体均具有较好的保温、防火、抗震性能，原材料资源丰富，不破坏环境，生产加工工艺简单，造价低廉的特点，并在住宅建筑中广泛应用。

3.2.2轻质墙体类。板材型墙体可以定型化设计、工厂化生产，适合于装配式配工建造，更加符合工业化住宅发展的要求。根据材料的组成类型可分为单一材质墙板和复合材质墙板，根据生产加工及施工建造工艺不同可分为工厂预制墙板和现场复合拼装墙板。

3.2.3楼板形式。常用混凝土预制薄板代替模板作用，后浇混凝土上层楼板成为一整体性较好的混凝土楼板，这使得造价低廉，施工整体性较好。

4. 钢结构多层建筑的构件连接

4.1柱子与基础连接。多层轻钢住宅自重较轻，一般以柱下独立基础为主，必要时加钢筋混凝土连系梁。对于地质条件较差的地方，可采用条形基础或十字交叉基础，尽量不采用筏板基础和桩基。所有的柱脚采用刚接形式，也可采用插入式柱脚，钢柱地下部分外包防水混凝土，这种柱脚形式简单，施工方便，刚接性能好，亦可采用整体式的刚接柱脚。钢柱基础之间通常要添加垫板，以保证荷载的均匀分布，防止基础损坏。

4.2梁柱连接。梁柱节点连接有三种形式：刚接、铰接和半刚接。铰接构造简单，制造安装方便，但需要设置支撑或剪力墙承受水平荷载和提供侧刚度。不设置支撑时梁与柱的连接节点都做成刚接。半刚性连接比刚连接施工简单，比铰接性能好，因其受力难以控制，需要结合经验才能实际采用，目前多层轻型钢结构多采用剐接的铰接形式，梁、柱的连接一般为钢接，钢梁与混凝土筒体的连接一般铰接。常用刚接节点是梁翼缘与柱翼缘采用对接焊缝连接，梁腹板与柱翼缘通过连接角钢用摩擦型高强度螺栓连接。为简化安装，梁柱构件应尽量大，单根长度控制在12-15m。梁柱连接处，垂直荷载由梁传给柱，这种连接必须是：安装时连接要确实可靠，可以调整，能以简便的方式来完成。通常梁翼缘采用焊接，腹板与柱之间加节点板栓接。

5钢结构建筑存在的问题

5.1管线问题。住宅的水、电、煤气等配套管线较多，大多需要在墙内暗敷，这些在施工中可结合墙体的安装同步进行。但是，人们习惯于按照自己的意愿重新进行房间的布置，管线的排放、地板和墙面的装修等。由于使用的一些轻质墙体材料需要专门的切割工具进行开槽等操作，如果操作不当，将损坏墙体并影响使用，因而，选择使用的墙体材料，应方便居民的装修，并保证结构在遭受破坏后便于修复。

5.2隔热、隔声、防渗水问题。目前，在住宅质量中居民投诉较多的是门窗的渗水、漏水问题。在钢结构住宅中，一般墙体和门窗形成整体后同时安装，如何在前期制作时采取构造措施，保证墙体与门窗间不渗水是应引起关注的课题。在钢结构住宅中，将大量采用轻质隔离材料，在隔热、隔声、墙体防渗漏等方式与传统的建筑材料不同，在选择材料和构造处理上应解决上述问题，并开发新型轻质围护隔离体系。

5.3防火、防锈蚀问题。钢结构的防火防锈链是比较薄弱的环节。现在比较成熟的防锈方法：是燕浸锌和热喷铝等复合喷涂技术，防锈期限一般是20～30年。一般型钢的外面需要被覆防火材料，而钢管自身具有较好的防灾性能，可不进行耐火被覆，住宅的钢结构构件需采取一定的防火和防锈措施。

6.结语

总之，钢结构住宅是21世纪的绿色建筑，是我国减少碳排放、促进循环可持续发展的有效途径。因此今后在我国建筑住宅建设中，钢结构住宅将会有着广阔的发展前景。