鋼結構住宅的發展及結構設計概述

文 枚 李洪昌

1 鋼結構住宅的發展概述

鋼結構住宅在歐美已經有百年歷史。日本、澳大利亞、英國、意大利等國也早已把鋼結構用于住宅,并研究開發出完整的節能環保型的輕鋼住宅結構體系。目前,國外60%以上的高檔住宅都采用鋼結構,并正積極推動預制裝配化鋼結構向多層住宅發展,美國最早采用鋼框架結構住宅,1996年,已有20萬幢鋼框架小型住宅,約占住宅建筑總數的20%;日本的鋼結構建筑數量最多,新建1層～4層建筑大多采用了鋼結構;在澳大利亞,鋼結構住宅占全部住宅的50%。我國鋼結構住宅起步很晚。20世紀80年代中期,隨著改革開放的不斷深入,工業化的輕鋼別墅也進入我國,對鋼結構住宅的研究和應用始于20世紀90年代末。進入21世紀,鋼鐵工業的飛速發展為鋼結構住宅提供了各類板材,有力促進了鋼結構住宅的發展。建設部編制了《2010年建設事業技術政策綱要》,并于2001年年底發布了《鋼結構住宅建筑產業化技術導則》。建設部科技司組織36項鋼結構住宅建筑體系及關鍵技術研究課題,開展試點工程,并組織編制《鋼結構住宅設計規程》和《低層輕鋼裝配式住宅技術要點》等。

2 鋼結構住宅的結構體系

2.1 低層住宅

別墅式低層鋼結構住宅多采用輕鋼龍骨結構體系。輕鋼龍骨結構體系又可以分為兩類：1)冷彎薄壁型鋼龍骨結構體系。冷彎薄壁型鋼主要由0.5 mm～3.5 mm厚普通鋼板或鍍鋅鋼板冷壓或冷彎而成,形狀為C形、Z形、L形和方形,并可形成各種形狀和卷邊,拼成I形和T形,以提高截面剛度和承載力。下面以C型鋼龍骨結構為例介紹一下這種結構體系的構件組成。冷彎C型鋼龍骨結構體系由以下構件組成：柱、梁、地龍骨和天龍骨、腰支撐和斜支撐以及各種配套的扣件和加勁件,構件與構件之間用自攻螺釘來連接,梁柱構件的厚度在1.0 mm～3.0 mm之間,高度在75 mm～200 mm范圍內,鍍鋅的標準應根據地區外部環境的腐蝕程度而定。2)小型熱軋型鋼龍骨結構體系。熱軋型鋼龍骨結構體系是由間距在1.2 m～2.0 m的軋制矩形鋼管或H型鋼柱與柱鉸接的H型鋼梁構成的框架,輔以一定數量的支撐所組成。這種結構體系類似冷彎C型組成的龍骨結構體系,不同的是前者的豎向結構為墻元,而后者為單根柱,且柱從下到上是連續的。

2.2 小高層、多層鋼結構住宅

小高層、多層鋼結構住宅的承重結構體系多為純框架結構體系。這種體系的主要特點在于在垂直平面上不設斜桿傳力路徑,明確建筑平面布置,靈活制作,安裝簡單,其結構各部分的剛度較均勻,構造也較簡單,框架結構的梁柱構件易于標準化、定型化、裝配化,但抗側移剛度較小。基于抗震驗算要求其建造樓層一般不應超過12層。

2.3 高層、超高層鋼結構住宅

高層、超高層鋼結構住宅可選擇的承重結構體系較多,主要有以下幾類：1)鋼框架支撐結構體系。這種體系是在鋼框架中沿房屋進深方向布置鋼支撐或沿房屋進深和縱向布置。有時還可以連接成支撐芯筒以獲得較大的抗側移剛度。這種體系適用于抵抗小震或中震抗側移剛度,足以承受側向水平力。2)鋼框架剪力墻結構體系。這種體系中一般在鋼框架內采用帶豎縫的鋼筋混凝土抗震墻板或內埋鋼支撐的預制鋼筋混凝土墻板。它可與室內橫隔墻結合布置形成房屋的主要抗側力構件,抗側移剛度大。3)空間錯列桁架結構體系。這種體系是由高度等于樓層高,跨度等于房屋總寬度的桁架支撐于房屋外側的縱列柱上,相鄰上下層錯列布置,中間無柱樓板分別擱置在左右桁架的上弦和下弦上。故其縱向抗側移剛度亦很大。這種體系通常為15層～20層,但也曾用到35層～40層的建筑物中。4)鋼混凝土組合結構體系。這種體系采用鋼管、方鋼管或圓鋼管。

3 鋼結構住宅的選型

3.1 結構的經濟有效性

從建筑物的整個壽命周期來考慮,包括初期的土建造價部分、中期的日常維護費用、預期災害損失部分,以及建筑物壽命終結時的材料回收所得利益來考量。

3.2 結構的受力性能

1)結構的整體剛度。地震時,建筑物主要是承受水平地震荷載。2)結構的整體承載力。與低層建筑不同,水平荷載、地震作用和風荷載已成為結構設計中的控制因素。3)結構整體穩定性。其影響因素主要是地震作用和風荷載。主要通過高寬比限值來保證。高寬比值越大,地震作用下的傾覆力矩作用越嚴重。4)結構的延性指標。它是保證結構在罕遇地震作用下,結構進入塑性變形階段后仍具有較好的變形能力,避免倒塌的重要因素。5)結構的整體性。它是協調結構各構件在地震作用下共同工作的必要條件。在設計初期,通過長寬比的限值來保證結構的整體性。

3.3 功能適應性

建筑物的功能要求是建筑設計時應考慮的首要因素。任何建筑都具有對客觀空間環境的要求,根據這些要求可大體確定建筑物的尺度、規模及相互關系。在結構選型時應使所選擇的結構形式的剖面與建筑物的使用空間要求相適應,盡可能地降低結構構件的高度,提高使用空間的利用率。同時,也應考慮建筑的平面功能的適應性和平面布置的靈活性來進行結構選型。

4 鋼結構住宅的設計要點

4.1 節點設計

鋼結構的節點設計包括梁柱節點、梁梁節點、柱柱節點、柱腳節點、柱帽節點等。設計時應確保節點的安全可靠,并盡量采用簡捷、穩定、可靠的施工工藝,減少或避免現場的焊縫連接。鋼結構節點的形式按傳力特性大體可以分為三類：鉸節點、半剛性節點、剛性節點。剛接、鉸接節點的受力性能、施工工藝研究得比較成熟,因此在工程中取得了廣泛的應用。而半剛性節點應用比較少,主要是其受力特性比較復雜,往往通過試驗來取得較為準確的設計數據。三種形式,哪一種更加經濟可靠,還有待于在實際工程中比較檢驗。

4.2 墻體材料的選取

一般來說,為了突出鋼結構自重輕、布置靈活、可改性好的特點,鋼結構住宅不宜采用傳統的黏土磚或其他自重較大的材料,通常采用輕質材料。目前使用比較多的是蒸壓輕質加氣混凝土板,簡稱ALC板。這種材料質地較輕,具有較好的防水、防滲透能力,保溫性能好,隔聲效果與一般混凝土空心砌塊相當,自身的強度高,施工方便快捷。無論做外墻還是內隔墻效果都比較理想。

4.3 衛生間和廚房的設計

衛生間和廚房的設計是鋼結構設計過程中比較重要的環節。因為鋼結構材料的防腐能力相對較弱,而衛生間和廚房是住宅中用水最多的地方,所以這兩處的防水處理十分重要。在其他建筑體系中,防水方法：結構防水和材料防水。在鋼結構中,結構防水的效果比較好,正如前文指出,框架—核心筒結構體系把衛生間和廚房放在核心筒內,具有良好的防水性能。對于其他結構體系根據實際情況而定,比如對于框架—支撐體系采用壓型鋼板混凝土組合樓板時,通常在墻角處將混凝土上翻100 mm～150 mm。

4.4 樓蓋體系

多層房屋鋼結構的樓板必須有足夠的承載力剛度和整體性,當前較常采用的是在鋼梁上鋪設壓型鋼板,再澆筑100 mm左右的鋼筋混凝土板,即形成壓型鋼板組合樓板。在設計過程中,要考慮鋼梁和樓板的組合作用,這樣會顯著提高梁的承載力和整體穩定性,并有效降低梁高,節約用鋼。壓型鋼板組合混凝土樓板,除了按計算在鋼梁上焊接栓釘外,為了保證混凝土和壓型鋼板共同工作,它們之間應有連接措施,根據規范規定,其連接措施可以依靠壓型鋼板的縱向波槽或依靠壓型鋼板上的壓痕開的小洞或沖成的不閉合孔眼,也可以依靠壓型鋼板上焊接的橫向鋼筋。

5 結語

1)我國鋼結構住宅產業已進入一個新的發展階段,有關規范和標準已經出臺,國內鋼材產量充足,有了一批鋼結構住宅的試點和示范的建設經驗與科技成果,鋼結構住宅的發展已具備了較好的物質和技術基礎。2)結構選型是一項非常復雜的決策問題,具有強烈的綜合性和科學性,包括大量的不確定性。結構選型是高層鋼結構住宅初步設計階段的重要部分。3)鋼結構住宅的設計要注意的問題：不同節點形式的比較和選取,墻體材料AL板的特點,衛生間、廚房的防水設計和在平面中位置的選擇,壓型鋼板混凝土組合樓蓋體系的構造要求等。

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