高层钢结构住宅技术特点浅析

张晓阳

（东华工程科技股份有限公司，安徽，合肥 230024）

1 概 述

我国的高层钢结构住宅处在推广发展阶段，与其相关的技术标准有《建筑抗震设计规范》［1］、《混凝土结构设计规范》［2］、《高层建筑混凝土结构技术规程》［3］、《建筑结构荷载规范》［4］、《钢结构设计规范》［5］、《高层民用建筑钢结构技术规程》［6］等，行业和地方标准有《钢结构住宅设计规范》CECS261、《多高层钢结构住宅技术规程》DG／TJ08－2009等，安徽省《高层钢结构住宅技术规程》也在编制当中，与此相关的墙、板、柱、支撑等结构构件和子系统相关的行业标准也很多。这些标准有其各自编制的适用范围，目前还涵盖不了“高层”、“钢结构”、“住宅”的全部内容，不同的地理条件适应性也不同。有些内容缺少标准之间的协调性，有些条款针对性不强，设计时则要参照各个标准规范，有些规定和要求需要做判断和选择。对高层钢结构住宅的技术特点进行分析研究，对现行标准的相关内容做针对性的探讨和细化，提高针对性和适应性，结合相关技术产品的发展和应用情况，在依据规范标准要求的基础上进行设计和建设，可以更充分地发挥高层钢结构住宅的优越性，充分体现安全性、经济性、舒适性，促进高层钢结构住宅的推广和住宅产业化发展。

2 结合高层钢结构的特点住宅户型的设计，合理选择结构形式和抗侧力体系

住宅建筑各个房间的开间和进深因其使用功能各异而不同，布置不规则，使得结构梁、柱和剪力墙很难在整个楼层平面内对齐贯通。因此在高层钢结构住宅设计中，需要充分考虑建筑的户型平面设计与结构的选型布置之间的互相关系及影响。

与高层钢筋混凝土建筑不同，在高层钢结构住宅中，除楼梯间和电梯井（简称“交通核”）采用钢筋混凝土筒体外，结构大部分主要构件采用的是钢结构（包括梁、柱、支撑等）或者钢－混凝土组合构件（如钢管混凝土柱、延性墙板等）。交通核以外的抗侧力构件主要采用钢支撑或者延性剪力墙。

由于住宅内外纵墙多开门窗洞的特点，内外纵墙抗侧力构件的布置受到的限制较大。钢支撑的受力性能较好，制作施工方便，但是会影响到门窗的布置，墙面处理面对的困难也较多；钢板剪力墙等延性墙板可以更好地满足墙面的处理要求，可以半跨布置减少对门窗开洞的影响，但是技术要求和造价都较高。此外，不同的抗侧力构件对建筑热工性能的影响、对结构的使用维护要求也不同，在建筑方案阶段就需要根据这些结构特点进行设计。建筑平面外墙的进退错落在钢筋混凝土结构中可以布置“Z”字形剪力墙，而在钢结构中就会使剪力墙的布置受到限制，所以高层钢结构住宅的建筑平面布置就需要考虑这些特点，一般要比现浇钢筋混凝土结构更规整和规则。

3 高层钢结构住宅的适用高度

适度超前的标准可以更好适应实际应用的发展需要，为高层钢结构住宅推广提供技术支持。高层钢结构住宅设计的高度受到户型平面、墙体材料、钢结构的耐久性和使用维护、厨卫技术等因素的影响，目前我国的实行的几个钢结构住宅标准规范基本都以100m为建筑高度的限值。随着高层钢结构建造技术的快速发展和日趋成熟，住宅产业化的积极推进，钢结构住宅配套技术产品的研发不断取得新成果，许多技术难题不断得到解决，正在逐渐被市场所接受，超高层钢结构建筑也逐步出现在一线城市以外的更多地方，建造高度超过100m的高层钢结构住宅和公寓在技术上成为可行。安徽省地方标准《高层钢结构住宅技术规程》对适用建筑高度不再作100m的限制，而采用与“高钢规”等国家标准一致的适用建筑高度，以适应快速发展的需要。但是在具体的工程设计中，要结合建筑功能、抗震、消防等技术要求和经济性，合理确定建筑高度，配合户型研究确定建筑、结构和设备各方面都合适的平面方案，采取相应的解决方案和技术措施。

住宅建筑需要考虑日照、采光、通风等使用功能需求，常用户型的住宅建筑平面南北宽度一般在12－18m左右，最大建筑高度也受到结构高宽比要求的制约。在7度抗震设防区，规范规定框架剪力墙结构和框架核心筒结构的适用高宽比不宜大于6－7，相应的最大建筑高度为130m左右。如果要建更高的住宅建筑，就需要对建筑平面和户型设计进行更多的深入研究和探讨，增加建筑平面的宽度；也需要结构工程师对结构体系和结构布置做更多的研究和计算，以保证结构的稳定性。

4 结构阻尼比

影响高层钢结构阻尼比大小的因素很多，不同的结构体系、建筑高度、结构的钢与混凝土材料比例、墙体材料、墙体与结构主体连接方式（外墙与框架嵌砌或外挂），其阻尼比不同。荷载作用（风荷载或地震作用）和设计阶段（弹性或塑性分析）的不同，其阻尼比也不同。“钢规”、“抗规”、“高规”、“高钢规”、《多高层钢结构住宅技术规程》等标准对高层钢结构阻尼比的取值作了规定，在结构设计计算时，还需要根据高层钢结构住宅的特点和工程的具体情况，综合各种影响因素进行分析，才能比较准确确定结构的阻尼比。结构阻尼比随构件中混凝土和钢的变形能所占比例大小而不同，剪力墙和框架柱中的钢－混凝土组合截面越多，即混凝土用量越多，阻尼比就越大，需要进行相应的调整。外墙采用外挂整体墙板，结构阻尼比要大于采用嵌砌砌体。

5 钢材选用

高层钢结构住宅的结构应综合建筑高度、结构和连接形式、制作方法、工作环境等因素合理选择钢材品种，材料的要求可以根据“钢规”、“高钢规”等标准执行。

高层钢结构承重构件的钢材可以选用Q235钢、Q345钢和Q390钢，以及Q345GJ、Q390GJ建筑钢结构专用的高性能钢板。Q345钢、Q390钢是常用的钢号，如要采用更高强度级别的钢材，钢使用时要有依据，则需要有相应的延性与韧性性能保证。GJ钢板是高层民用建筑钢结构生产的专用高性能钢板，比同级别低合金结构钢具有更好的延性、塑性与焊接性能，但是价格较高，可以根据工程的具体情况使用。

当钢板厚度≥40mm钢材时，厚度方向（Z向）抗撕裂性能应符合相关标准的规定。

由于住宅建筑的特殊性，及使用后较难维修的特点，其钢构件的耐久性和防护措施就成为非常重要的内容。对外露承重构件和易腐蚀构件，除应采取喷射除锈、长效油漆涂料、加大涂层厚度等防护措施外，必要时可以考虑采用耐候钢。

6 风荷载计算

“高层钢结构住宅”属于对风荷载比较敏感的建筑，风荷载计算对其安全性、经济性、舒适性有很大的影响。“高规”规定，风荷载比较敏感的、高度超过60m的高层建筑，承载力设计时的风荷载计算按基本风压的1．1倍采用；“高钢规”规定风荷载计算按基本风压的1．1倍采用，有特殊要求的高层建筑按1．2倍采用；“荷载规范”规定，高层建筑、高耸结构以及对风荷载比较敏感的其它结构，基本风压的取值应适当提高，并符合有关结构设计规范的规定，还说明了可由各设计规范根据结构的自身特点作出规定，没有规定的可以考虑适当提高其重现期来确定基本风压。

对于高层钢结构住宅，当建筑高度超过60m时，可以按照“高规”规定，承载力设计时的风荷载计算按基本风压的1．1倍采用，特殊情况按规范另行确定；当建筑高度不超过60m时，则可以按照“荷载规范”规定附录E的计算方法，适当提高其重现期来确定基本风压。在安徽地区，按70年重现期的基本风压约为50年重现期的1．05－1．1倍。

住宅小区的高层建筑集中布置时，楼房相互之间距离较近，计算主体结构的风荷载效应时，应该按“荷载规范”规定考虑风力的相互干扰群体效应。可以将单栋建筑的体型系数乘以1．0－1．2的相互干扰系数，复杂情况宜通过风洞试验或参考类似条件的风洞试验资料确定。规范给出了单个和两个施扰建筑作用的风荷载相互干扰系数图，但是对于住宅小区建筑数量更多的情况，风荷载相互干扰群体效应会更复杂，其相互干扰系数需要根据建筑的具体分布情况确定。

7 钢板剪力墙、带缝钢板剪力墙、无粘结钢板支撑等延性墙板的应用

在高层钢结构住宅适用的钢框架、钢框架－支撑、框架－剪力墙（核心筒）结构体系中，抗侧力构件除各种支撑和钢筋混凝土剪力墙（核心筒）外，根据其特点更多地采用钢板剪力墙、带缝钢板剪力墙、无粘结钢板支撑等延性墙板。

住宅的户型平面布置形式受到气候条件的影响，在冬冷夏热地区，典型的框架－核心筒结构体系通常满足不了住宅的通风、日照等使用要求。当钢结构住宅的交通核偏置或建筑高度较高时，需要在交通核以外的其它位置布置抗侧力构件。可以选用中心支撑、偏心支撑、屈曲约束支撑等，或者是钢筋混凝土剪力墙、钢板剪力墙、带缝钢板剪力墙、无粘结钢板支撑等延性墙板。

采用支撑做抗侧力构件，技术成熟、设计和施工简单方便，但是支撑的布置受到内外墙上门窗洞口的制约很大，支撑两侧的覆盖墙体材料和构造问题也较多；钢筋混凝土剪力墙因钢结构特点和施工等因素的影响，主要用于核心筒位置。

钢板剪力墙、带缝钢板剪力墙、无粘结钢板支撑等延性墙板不承受或较少承受竖向荷载，施工安装可以在钢框架形成之后进行，不影响框架的施工进度；可以半跨布置，受门窗洞的影响较小；延性墙板两面覆以配筋混凝土板，厚度和构造容易满足住宅的墙体和设备管线的布置要求。因此延性墙板在高层钢结构住宅中具有独特的优点，但是造价和技术要求较高，设计中需要综合考虑实际情况，选择合适的结构体系和抗侧力构件。

8 梁与剪力墙的半刚性连接

在“高规”、“抗规”等标准中，规定混合结构中楼面钢梁与钢筋混凝土剪力墙（核心筒）的连接形式可采用刚接或铰接。为减小混凝土核心筒和钢框架柱之间的沉降差异所引起的附加内力、考虑混凝土收缩和徐变因素的影响，楼面梁与与混凝土核心筒的连接宜采用铰接；如需要增加结构整体刚度时，则可以采用刚接。铰接的受力计算和构造比较明确、简单；刚接则需要在混凝土剪力墙内设置型钢，以便于受力和构造。

在高层住宅建筑中，由于高层住宅的平面通常都在中间部位布置有厨房、卫生间和内厅等房间，形成较大的凹槽，外围框架是分段的、不连续的，对结构外围框架的平面内刚度削弱较大，如果将楼面梁与混凝土核心筒的连接设为铰接，就会影响结构的整体刚度。因此，高层钢结构住宅楼面梁与混凝土核心筒之间连接方式的选择，应该根据结构的整体情况确定，不宜简单地采用铰接或刚接，并需要采取必要的措施加强结构整体刚度。实际上混凝土剪力墙承受平面外弯距，在计算和构造方面也还存在一定的问题，从结构受力情况和构造来看，楼面梁与与混凝土核心筒的连接处于铰接和刚接之间的半刚性状态，更符合高层住宅钢结构的特点和需要。虽然半刚性连接目前的理论研究还不够、计算方法还不够成熟，但如果进行专门的试验研究或有可靠的依据，在实际工程中可以尝试采用半刚性连接。

9 组合楼盖

高层钢结构住宅组合楼盖由楼面梁和楼板构成，应根据建筑的结构性能、使用和施工条件、防火、隔声要求及工程造价等因素合理选用组合楼盖和楼板形式，组合楼盖的楼板可选择普通混凝土现浇板、压型钢板组合楼板、钢筋桁架组合楼板、预应力叠合板等。

组合楼板与楼面钢梁有可靠连接时，结构整体弹性计算可以考虑钢梁和楼板的共同作用，对楼面梁刚度乘以放大系数。“高钢规”规定刚度放大系数为1．2－1．5倍；“高规”规定混合结构的刚度放大系数为1．5－2．0倍。钢梁的承载力设计时考虑到组合楼板与梁连接的可靠程度，一般不按组合梁设计，组合楼板的翼缘作用作为钢梁的安全储备。组合楼板与楼面钢梁之间连接的可靠程度，是钢梁和楼板共同作用的保证，决定了钢梁的刚度放大系数，不同类型的组合楼板和连接方式对钢梁的刚度提高也有所不同，设计时可以根据实际情况依据规范或者可靠的研究成果确定楼面梁的刚度放大系数。

放大系数取值偏大或偏小都会影响结构计算的准确性和安全性，合理确定反映组合楼盖实际工作状况的钢梁刚度放大系数有很大的意义。保证组合楼板与楼面钢梁之间的连接足够可靠，充分发挥组合梁翼缘的作用，也能够在钢梁的承载力设计和挠度验算时提高梁截面惯性矩，减小钢梁截面尺寸，减少用钢量。

10 楼盖的舒适度和振动频率

楼盖的竖向振动频率是高层建筑舒适度的重要指标。“高规”规定楼盖的竖向振动频率不宜小于3HZ；“高钢规”规定其值不宜小于15HZ；《钢结构住宅设计规范》（CECS261:2009）规定其值不宜小于8Hz。合肥工业大学的钢筋桁架组合楼盖刚度、承载力和舒适度系列试验研究显示其自振频率达到15Hz以上。国内外的研究结果建议的楼盖最小自振频率在5Hz～15Hz范围。数据的离散性反映这项研究尚未成熟，综合现行规范、研究成果和经济性，根据目前我国高层钢结构住宅实际应用情况，综合楼板采用不小于5Hz的自振频率是比较适合的。楼板自振频率的限值所受影响因素很多，包括人的活动频率、建筑结构对自振频率的影响、梁板连接方式、楼板振动试验的条件、试验与实际工程的差异等等，组合楼板的跨度都会对自振频率产生影响。钢筋小桁架混凝土组合楼板等新型楼板的研究、计算方法也不同。因此在楼盖设计时，需要考虑各种影响因素，控制楼盖的竖向振动频率，满足舒适度要求。

11 墙体材料

高层钢结构住宅的外墙是重要的建筑围护结构，对其有着多方面较严格的功能要求，如节能、隔声、防火、防水、保温、抗裂等。外墙可选用轻型块材砌筑，有条件时宜采用性能良好、装配化程度高、连接可靠的新型复合保温外墙板。目前研发和应用的新型复合保温外墙板的种类繁多，有加气混凝土墙板、薄板钢骨复合轻质外墙、钢筋混凝土幕墙板现场复合外保温外墙、钢丝网混凝土预制保温夹芯板外墙、轻质芯材混凝土大板、钢丝网水泥夹心板、钢丝网水泥多孔墙板与纤维水泥板等，但在技术成熟度、性能保证和经济性等方面都还有待完善。

不同的墙体材料和连接方式，对结构的刚度、阻尼比也有着不同的影响。结构设计要在满足建筑设计要求的基础上，根据墙体的材料、刚度、连接方式，合理确定结构计算的刚度折减系数、结构阻尼比等参数，并进行承载力验算，采取可靠的连接构造措施。

墙体抗裂是住宅质量的一项重要指标，“高钢规”规定高层建筑钢结构在风荷载下的最大层间位移不宜超过楼层高度的1／400，在地震作用下的最大层间位移不宜超过楼层高度的1／250，其控制值低于钢筋混凝土结构的要求。在高层住宅建筑中，不太可能采用对结构侧移有较强适性的幕墙等体系做外墙，最大层间位移的控制值采用适当提高的1／400，是目前保证高层钢结构住宅墙体质量的措施之一。

12 高层钢结构住宅的建造是技术标准和相关技术产品研究的集成

高层钢结构住宅受使用性质和功能要求等诸多因素的限制和影响，在各个专业方面都体现出特殊的技术特点和要求，相关的理论研究、技术产品研发非常广泛，涉及的规范和标准也很多。在结构方面，除了本文浅述以外，也还有许多需要不断深入研究的课题。高层钢结构住宅技术的发展是一个不断推陈出新的完善过程，还有大量的研究工作可以去做，有许多的技术问题需要研究、分析、验证。要搞好高层钢结构住宅的设计和建造，不仅需要按照标准规范执行，还要了解掌握相关的新技术、新产品的研发和应用。

1 GB50011－2010，建筑抗震设计规范［S］．中国建筑工业出版社，2010．

2 GB50010－2010，混凝土结构设计规范［S］．中国建筑工业出版社，2010．

3 JGJ3－2010，高层建筑混凝土结构技术规程［S］．中国建筑工业出版社，2010．

4 GB5009－2012，建筑结构荷载规范［S］．中国建筑工业出版社，2012．

5 GB50017－2003，钢结构设计规范［S］．中国建筑工业出版社，2003．

6 JGJ99－98，高层民用建筑钢结构技术规程［S］．中国建筑工业出版社，1998．