鋼結構的優點及在住宅上的應用

李文波

摘 要:2001年經國家經貿委批準,將“輕型鋼結構住宅建筑通用體系的開發和應用”作為我國建筑業用鋼的突破點,正式列入國家級重點技術創新項目,鋼結構住宅引起社會各界廣泛關注。本文簡單介紹了鋼結構的優點及其在住宅上的應用,期望對工程設計人員有一定的幫助。

關鍵詞:鋼結構;優點;住宅應用

1 鋼結構的優點

一般來說,材料的特性是推出新型建筑形式的出發點。鋼結構是用鋼板、熱軋型鋼或冷加工成型的薄壁型鋼制造而成的。和其它材料的結構相比,鋼結構有如下一些特點。

材料的強度高,塑性和韌性好鋼材和其它建筑材料諸如混凝土、磚石和木材相比,強度要高得多。因此,特別適用于跨度大或荷載很大的構件和結構。鋼材還具有塑性和韌性好的特點。塑性好,結構在一般條件下不會因超載而突然斷裂;韌性好,結構對動力荷載的適應性強。良好的吸能能力和延性還使鋼結構具有優越的抗震性能。另一方面,由于鋼材的強度高,做成的構件截面小而壁薄,受壓時需要滿足穩定的要求,強度有時不能充分發揮。

材質均勻,與力學計算的假定比較符合鋼材內部組織比較接近于勻質和各向同性,而且在一定的應力幅度內幾乎是完全彈性的。因此,鋼結構的實際受力情況和工程力學計算結果比較符合。鋼材在冶煉和軋制過程中質量可以得到嚴格控制,材質波動的范圍小。

鋼結構制造簡便,施工周期短鋼結構所用的材料單純而且是成材,加工比較簡便,并能使用機械操作,因此,大量的鋼結構一般在專業化的金屬結構廠做成構件,精確度較高。構件在工地拼裝,可以采用安設簡便的普通螺栓和高強度螺栓,有時還可以在地面拼裝和焊接成較大的單元再行吊裝,以縮短施工周期。此外,對已建成的鋼結構也比較容易進行改建和加固,用螺栓連接的結構還可以根據需要進行拆遷。

鋼結構的重量輕鋼材的密度雖比混凝土等建筑材料大,但鋼結構卻比鋼筋混凝土結構輕,原因是鋼材的強度與密度之比要比混凝土大得多。以同樣的跨度承受同樣荷載,鋼屋架的重量最多不超過鋼筋混凝土屋架的1/3至1/4,冷彎薄壁型鋼屋架甚至接近1/10,為吊裝提供了方便條件。對于需要遠距離運輸的結構,如建造在交通不便的山區和邊遠地區的工程,重量輕也是一個重要的有利條件。

當然任何一種材料都不是十全十美的,鋼材的耐腐蝕性和耐火性就較為欠缺,在對結構進行防護時費用比鋼筋混凝土結構高。不過在沒有侵蝕性介質的一般廠房中,構件經過徹底除銹并涂上合格的油漆,銹蝕問題也并不嚴重。近年來出現的耐大氣腐蝕的鋼材具有較好的抗銹性能,已經逐步推廣應用,并取得了良好的效果。鋼材長期經受100℃輻射熱時,強度沒有多大變化,具有一定的耐熱性能,但溫度達150℃以上時,就須用隔熱層加以保護。鋼材不耐火,重要的結構必須注意采取防火措施。例如,利用蛭石板、蛭石噴涂層或石膏板等加以防護。

2 鋼結構在住宅上的應用以及推廣價值與磚混結構、混凝土結構相比,在住宅中應用鋼結構主要具有以下幾方面優點:

2.1 結構自重輕。

根據比較,相同的建筑造型,六層鋼結構住宅重量僅相當于四層磚混結構住宅的重量。建筑總質量小,地震力效應小,且延性好,相應抗震性能優良。歷次大地震災害資料對比都說明了這一點。

2.2 材料各向同性,符合力學假定,提高了設計精度。

2.3 由于工廠化加工制造,精度高,易于保證質量,與混凝土相比,更符合結構設計要求。同時施工速度快,工期縮短40%以上,可使建筑物更早的投入使用,提早產生效益。

2.4 在設計中由于業主的要求,經常要進行變更,采用鋼結構較易配合變更。施工時干式作業減少了對環境的污染,且構件運輸方便,費用低。

2.5 可在梁腹板處開孔走管道,不像混凝土結構在梁底通過。因此在樓層高度一樣的情況下,采用鋼結構可提高層間凈高。

2.6 對新疆而言,鋼結構住宅的優勢更為明顯。鋼材的耐腐蝕性較差,而新疆氣候干燥,降水少,蒸發量大,對于鋼材的“濕腐蝕”具有天然的防護作用。此外,新疆冬季較長,不利于施工。鋼結構施工速度快的優勢就明顯地體現了出來,既保證了建筑結構的工期質量,又減少了因冬季施工所帶來的溫度等方面的問題。

2.7 輕質高強,簡單實現大跨與復雜幾何結構,創造開放式住宅。傳統結構(磚混、混凝土)由于受材料限制,其開間一般在3.0m、3.3m、3.6m、4.2m。如果需要更大開間,則會造成“肥梁胖柱”,房高也會受到影響。而在梁高相同的情況下,鋼結構開間可比混凝土大50%。在梁柱等強度條件下,可增加建筑有效使用面積5%～7%。新疆冬季時間長,室外溫度低,因此室內都通過暖氣來取暖,采暖期長達半年。這就要求外墻要有良好的保溫措施,否則對能源是一種很大的浪費。鋼結構住宅的墻體一般選用與之配套的板材,與傳統的磚墻相比具有較好的保溫性能,在建筑節能方面有明顯的優勢。由此可見,鋼結構住宅不僅加快了國家和城市的發展速度,帶動了與之相關的其它行業的發展,還提高了住宅質量和人們的居住水準,而且它作為一種商品綜合經濟效益高,可使買賣雙方都獲得利益。鋼結構住宅還促進了住宅產業化的發展進程,尤其是使用材料的環保性,給社會帶來良好的綜合效益,而與之相比的鋼混和磚混等傳統結構住宅越來越暴露出它們的缺點,和對發展的阻礙,取而帶之的鋼結構已經到了勢在必行的階段,這也正是現階段發展鋼結構住宅的原因。

3 鋼結構布置鋼結構設計的基本原則是:

結構必須有足夠的強度、剛度和穩定性,整個結構安全可靠;結構應符合建筑物的使用要求,有良好的耐久性;結構方案盡可能節約鋼材,減輕鋼結構重量;盡可能縮短制造、安裝時間,節約勞動工日;結構構件應便于運輸、便于維護;在可能條件下,盡量注意美觀,特別是外露結構,有一定建筑美學要求。按照上述原則,根據實際案例原建筑設計的布置和功能要求,綜合考慮了結構的經濟性、建筑設計的特點和施工合理性等因素,采用鋼框架-支撐和鋼框架——剪力墻結構體系,并分別進行了布置。

梁柱體系平面采用普通梁格體系。梁采用熱軋焊接H形截面鋼梁,柱為焊接箱型鋼柱。整個結構設計成剛性框架結構,豎向荷載由梁、板、柱承擔。框架的梁與梁、梁與柱、柱與基礎均按剛性連接設計,現場連接采用高強螺栓與焊接共同作用。次梁為H形截面單跨簡支梁,設計主次梁時均不考慮樓蓋與鋼梁的組合作用。

抗剪體系分析計算表明,在全部水平風荷載和地震力作用下,上述結構體系局部剛度較弱,因此鋼框架——支撐結構體系通過布置中心支撐來抵抗水平荷載。鋼框架-剪力墻結構體系的中間部分電梯井與樓梯間布置鋼筋混凝土剪力墻,來抵抗水平外力的沖擊。

樓蓋體系一般各層樓(屋)蓋均采用鋼筋混凝土樓(屋)蓋,樓板厚度依結構計算定為110mm,140mm。在結構計算中,認為樓蓋剛度足夠大,符合平面內無限剛性的假定。

基礎形式鋼框架——支撐采用柱下獨基,鋼框架-剪力墻采用柱下獨基與筏板基礎。

內外墻體系框——剪采用蒸壓輕質加氣混凝土板材(簡稱ALC板材),外墻板厚為 200mm,內墻板厚100mm。框-支采用陶粒砼砌塊。

總之,鋼結構住宅符合國家住宅產業化的目標,符合可持續性發展的戰略,并對保護耕地、提高城市建設水平有較大作用。有了國家政策的支持、技術的保證,鋼結構住宅具有光明的前景。

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