多层轻型钢结构房屋设计与应用

2019-05-25吴勇军

城市建筑空间 2019年12期

吴勇军，章因

（1.南京长江都市建筑设计股份有限公司，江苏南京210000；2.保利江苏房地产发展有限公司，江苏南京210000）

0 引言

钢结构在大跨度和超高层建筑等民用建筑工程中应用广泛。结合国家建筑产业政策和建筑工业化规划，以及先进系统的设计理念、配套产品的研发和改进，多层轻型钢结构房屋以其诸多优良的性能，成为建筑工业化发展的主力。本文针对多层轻型钢结构房屋的设计与应用进行分析阐述。

1 多层轻型钢结构房屋的优势分析

钢结构在居住建筑设计使用方面，相较于普通混凝土结构来说，具有很多优异的特点，主要表现在以下方面。

1）结构轻质化钢结构房屋所使用结构材料强度高、延性好、杆件薄，经合理优化设计后，通常低层房屋用钢量在30kg/m2以内，多层建筑用钢量在50kg/m2以内。结构自重的降低可减少运输和吊装费用，还可减轻基础负载，从而降低基础造价。同时，因运输、吊装及安装的简便及对基础承载的适应性，钢结构房屋特别适合山区、沙地、河滩、海岛等交通不便的地区快速建造。

2）安全性高、自重轻、刚度好、变形能力强多层轻型钢结构房屋一般采用轻型钢构件或冷弯薄壁构件所组成的结构体系，围护由轻质肋板结构的墙体、屋架与内外墙板组成。这种房屋自重轻（约为混凝土结构体系自重的1/5～1/3），结构刚度好、变形能力强，拥有优异的抗震和风载承受能力。

3）耐久性强轻型钢结构房屋主要由表面处理后的薄壁钢构件体组成，装配时采用合适的连接方式，可减少漆膜薄弱点并有效保护锌膜完好，能显著提高抗腐蚀能力。经表面处理后的薄壁杆件再外敷围护板材封闭后，不易腐蚀、霉变，能有效延长钢结构的使用寿命。事实证明，合理维护的钢结构建筑物使用寿命均可达100年以上。

4）保温隔热性能好由于金属的导热系数远大于保温材料的导热系数，主体及墙体中的轻钢龙骨易形成冷桥，会加快室内外热量的传递，从而增加房屋的使用能耗。而且冷桥的形成还容易在钢结构的表面结露，加快钢构件腐蚀。近些年来，国内外科研单位对轻钢围护墙体的保温性能、节点设计、组合方式等方面进行了大量研究，对钢结构建筑的保温、隔热、冷凝等问题已提出系统的解决方案。目前，钢结构房屋已具备良好的保温隔热性能。

5）隔声性能优异对于住宅建筑来说，是否隔声是住宅舒适性的一个重要指标。目前轻钢龙骨复合墙体的隔声性能已非常优异。这是因为声音撞击到复合墙体后，在不同材质和空腔间来回反射和折射，使墙板系统逐层消耗声音的能量，尤其在腔体中填入玻璃棉等吸声材料后，声音传播的能量在腔体中来回反射时被大大消减，隔声性能显著提高。国内外的测试与统计表明，钢结构房屋同时采用轻钢龙骨复合板和中空玻璃窗等材料，其隔声效果能够达到60dB以上。

6）舒适性较高轻型钢结构房屋建造所采用的基本是满足绿色标准要求的高效节能材料，这些材料具有呼吸功能，能对室内空气的干湿度进行调节。同时，设计时会在这种房屋的屋顶增加通风装置，能够在不开窗的情况下，让室内形成不断循环的气流，从而有效保证房屋内部的通风及散热。

7）节能、环保、易维护轻钢结构的主体构件可100%循环再利用，现场无湿法作业，建造过程低排放。轻钢结构性能优异的墙、屋面组合方案，能提供卓越的保温、隔声、防水性能，与传统混凝土结构相比耗能减少60%以上。

轻钢结构房屋的所有材料均可工厂化批量生产和预制，机械化程度高，真正实现住宅建筑工业化。轻钢构件通用性强、易于更换，轻钢结构房屋还具有施工周期短、施工过程简便、节约造价等优点。

2 多层轻型房屋钢结构建筑的设计与应用研究

2.1 结构体系选型

多层轻型钢结构房屋常采用框架结构体系，框架结构体系的最大优点是柱网尺寸灵活可变，方便建筑功能的布置和改造。钢框架结构体系的刚度均匀，自振周期较长，自重较轻，地震作用小。为提高房屋结构的侧向刚度，可结合梯井、实墙等位置设置支撑，形成支撑-框架抗侧力体系，提高房屋抗侧刚度，抵抗水平风荷载和地震作用。

2.2 楼盖体系设计

钢结构房屋一般采用钢梁+组合楼板的楼盖体系，即在钢梁上铺设压型钢板，压型钢板与钢梁之间用栓钉可靠连接，栓钉传递楼层剪力并确保楼板和钢梁协同工作。压型钢板上浇筑厚60～90mm的钢筋混凝土，形成压型钢板组合楼板。压型钢板在施工时作为模板，施工后与混凝土楼板形成整体并参与受力，可降低楼板用钢量。如果考虑钢梁和楼板的组合作用，即按组合梁进行设计，能提高钢梁稳定承载力的同时，还能显著降低钢梁的截面用钢量。

此外，钢结构楼盖体系设计时，通过调整主次钢梁连接、楼板与钢梁的连接等构造方法，能有效降低楼层结构高度，增加楼层净高或减少层高，可获得更大的经济效益。

2.3 支撑体系设计

框架结构自振周期较长、刚度较弱，侧向位移大。较高的多层钢结构房屋要增设支撑，以提高其抗侧刚度，减少水平位移。支撑布置的原则是“周边、均匀，对称”，通常在平面的纵、横2个方向上设置2道或多道支撑。支撑与框架的连接可为铰接，支撑杆件根据受力状态按拉杆或压杆设计。支撑体系可以采用X形、单斜撑、人字形、W形等形式，为保证强震作用下支撑体系具有良好的耗能性能，还可采用偏心支撑和屈曲约束支撑（见图1）。

图1 屈曲约束支撑工作方式

2.4 围护结构设计

围护结构的设计是提高住宅装配率的重要环节，该部分设计质量的优劣将直接关系到人们在使用过程的舒适程度，影响人们对钢结构房屋的接受意愿。

内隔墙可供选择的材料较多，一般采用空心砌块、加气混凝土等轻质填充墙或轻钢龙骨石膏板等。外墙墙体除有保温、隔声等性能要求外，还有防水和耐久性要求。

屋面建筑防水基本采用“排”和“堵”2种方式，屋面结构找坡就是“排”的防水措施，一般为建筑首选；油毡沥青或卷材防水等是“堵”的方式。当然，屋顶也可以采用保温层建筑找坡的保温防水方式，但建筑材料找坡会增加自重，而且坡度小时会积水。

2.5 基础形式设计

一般多层混凝土结构的基础成本占总建筑成本的15%～30%。得益于主体及围护结构材料轻质高强，钢结构的基础相比普通结构的基础成本会低很多。如对5层左右轻型钢结构房屋来说，地基承载力在100～110kPa时便可采用天然地基解决基础问题，而不需要采用桩基。如果土质稍差，也可只进行较低强度的改造处理即可。

多层钢结构房屋的基础形式通常可采用柱下独立基础、条形基础，有时也可采用筏板基础。地基土质条件很差时，也可采用桩基。条形基础、筏板基础的基础刚度较大且有一定调节不均匀沉降的能力，桩基础一般的沉降及沉降差都较小。采用柱下独立基础时，应注意复核基础的沉降差，确保小于GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》相关条文的限值，必要时还须考虑不均匀沉降对上部结构的影响。

2.6 节点构造设计

焊接和轧制构件的梁柱一般采用刚接的连接形式；主次梁连接一般采用铰接连接，以减少次梁梁端弯矩传给主梁成为对主梁截面不利的扭矩。冷弯薄壁截面构件的连接大多采用铰接的连接方式，通过加腋、加支撑的方式保证结构的稳定，提高结构刚度和抗侧移能力。

钢结构焊接连接构造简单，不削弱截面，结构刚度大。缺点是：在焊缝热影响区内材质变脆，焊接残余应力和残余变形使受压构件承载力降低。高强度螺栓连接的优点是施工方便，可拆换，耐疲劳、韧性与塑性好，能承受动荷载，缺点是截面有削弱、施工精度要求和连接成本较高。轻钢结构的紧固件连接主要指自攻螺栓、钢拉铆钉等机械式紧固的连接方式，主要用于压型钢板、冷弯型钢等构件的连接。

2.7 防火、防腐设计

钢结构建筑应由建筑和结构工程师按照建筑物的耐火等级及构件的耐火时限选用合适的涂料及构造方法。重要的构件如承重钢柱应采用厚型防火涂料、防火板或外包混凝土等方法进行防火处理。镀锌钢板本身具有一定的防腐能力，在用于楼盖时可借助于防火涂料解决防腐问题，但用于屋面和外墙面时还要涂有机涂料，增加其耐久年限。室外钢构件只需考虑防腐而不考虑防火保护。

防火涂料喷涂前应对钢材表面进行除锈，并进行1～2道底漆防腐涂装，防火涂料不应与底漆发生化学反应。当防火涂料有防锈功能时，可除锈后直接喷涂防火涂料。目前防腐涂料的有效期为10～20年，需定期维护。