鋼結構住宅的結構體系及設計原則

【摘 要】鋼結構住宅是一種更符合“綠色生態建筑”特征的結構形式。它具有自重輕、地基費用省、占用面積小、工業化程度高、外形美觀、施工周期短、抗震性能好、投資回收快、環境污染少等優勢，具有較好的綜合經濟效益。

【關鍵詞】鋼結構住宅;綠色建筑;結構體系;經濟效益

0.前言

住宅產業化是我國住宅業發展的必由之路，這將成為推動我國經濟發展新的增長點。鋼結構住宅體系易于實現工業化生產，標準化制作，而與之相配套的墻體材料可以采用節能、環保的新型材料，它屬綠色環保性建筑，可再生重復利用，符合可持續發展的戰略。若是在城市中采用鋼結構住宅，因為其工廠化程度高、施工周期短的優勢，將能很好地解決城市市區，尤其是中心市區人口稠密交通繁忙、施工生產不便的問題。因此鋼結構住宅應該是城市住宅設計的主要方案之一，同時鋼結構體系住宅成套技術的研究成果必將大大促進住宅產業化的快速發展，直接影響著我國住宅產業的發展水平和前途。

1.多高層鋼結構住宅的結構體系

多高層住宅建筑的鋼結構體系與傳統的磚混結構體系、混凝土結構體系有很大的不同，它主要由承重鋼結構體系、樓面結構體系和圍護結構體系等組成。

1.1承重鋼結構體系及體系的分類

(1)鋼框架結構體系。其特點是受力明確，平面布置靈活，為建筑提供較大的室內空間，且結構各部分剛度比較均勻，具有較大的延性，自振周期較長，因而對地震作用不敏感，抗震性能好，結構簡單，構件易于標準化、定型化，施工速度快．但框架結構屬典型的柔性結構體系，其側向剛度差，易引起非結構構件的破壞。

(2)鋼框架一支撐結構體系。為了提高鋼框架的側向剛度，有效地抵抗水平荷載，減少層間位移，通常在墻體平面內布置由角鋼或槽鋼構成的垂直支撐體系，當房屋較高時，較純框架經濟。支撐設置的位置要合適，為了與建筑設計相協調，一般布置在窗臺下至下層窗頂之間，既隱蔽又能滿足支撐體系的需求。

(3)交錯桁架結構體系。由房屋外側的柱子和跨度等于房屋寬度的桁架組成，桁架高度等于層高，在相鄰柱上為上下層交錯布置，樓板一端擱置在桁架的上弦，另一端擱置在相鄰桁架的下弦。由于兩開間布置一榀桁架，且中間無柱子，所以非常適合要求各單元靈活布置的住宅、旅館建筑。

1.2范圍

(1)3層及以下的低層住宅：①輕型鋼框架結構體系；②冷彎薄壁型鋼密排柱（輕鋼龍骨，00C形或Z形檁條）結構體系。

(2)4～6層多層住宅：①鋼框架結構體系；②鋼框架．支撐結構體系；③鋼框架一混凝土剪力墻結構體系。

(3)7~12層中高層住宅：①鋼框架-支撐結構體系；②鋼框架．混凝土核芯筒結構體系。

(4)13～30層高層住宅：①鋼框架．支撐結構體系；②鋼框架。抗剪桁架結構體系；③鋼框架一混凝土核芯筒結構體系；④鋼框架一帶豎縫預制混凝土剪力墻結構體系；⑤鋼框架一抗剪鋼板剪力墻結構體系。

1.3設計原則

承重鋼結構體系的結構設計宜遵循強柱弱梁、強節點弱構件的一般設計原則，在具體設計時，若較難滿足強柱弱梁的設計公式，則滿足軸壓比要求也可。框架主梁的材料一般可選用熱軋或高頻焊接H型鋼，次梁可以有多種作法。框|架柱子的材料一般可選用熱軋或焊接工字鋼、H型鋼、方（箱形）鋼管、圓鋼管或冷彎薄壁型鋼、輕型熱軋型鋼。為了節約鋼材，降低造價，框架柱也可采用在空鋼管內澆筑高強素混凝土而形成的鋼管混凝土框架柱。

1.4連接形式

框架橫梁與柱在強軸方向適于采用剛性連接；而在弱軸方向宜結合支撐布置采用鋼管柱設計方案。鋼框架梁柱節點連接的構造形式為：①螺栓連接；②焊接連接：③栓、焊混合連接。焊接節點的連接剛度大，混合節點次之，螺栓節點的連接剛度較小，但螺栓連接的安裝施工速度最快，且在現場拼接和安裝時，施工質量容易保證。主梁與次梁之間一般也采用鉸接，在連接構造上以焊接和高強度螺栓連接為主，也可采用栓、焊混合的連接方式：梁腹板用高強度螺栓連接，翼緣用焊接，可先用螺栓安裝定位，再對翼緣施焊。

1.5樓面結構體系

樓面結構由鋼梁和樓面板組合而成。樓蓋除了將豎向荷載直接分配給墻、柱外，更主要的作用是參與并保證和抗側結構的空間協同作用。因此，必須保證樓蓋有足夠的強度、剛度和整體穩定性，同時應盡量采用技術和構造措施減輕樓板自重，并提高施工速度。作為民用住宅的樓面結構，樓板還應具有較好的隔熱、隔聲、保溫、防水和防火性能。為了保證鋼梁的整體穩定性，樓面主、次梁應采取緊湊型構造措施。

1.6護結構體系

內外墻的造價約占鋼結構住宅總造價的30%，對鋼結構住宅的造價影響很大，同時，為減輕結構自重，滿足建筑節能要求，充分發揮鋼結構住宅的優勢，其圍護墻體要滿足自重輕、強度高、保溫隔熱性好、安裝可靠、經久耐用、經濟合理的要求，故應采用輕質材料。如外墻可采用蒸壓輕質加氣混凝土墻板（ALC板）、SRC復合保溫墻板、鋼絲網復合保溫板、植物纖維強化空心墻板、玻璃纖維加強水泥墻板等工廠預制的標準化輕質墻板和玻璃幕墻等。內墻可采用輕鋼龍骨石膏板、加氣混凝土輕質墻板、ALC輕質砌塊、輕質改性石膏砌塊、夾層復合板、稻草板等。ALC板自重輕，抗震性好，安裝方便，施工速度快，具有良好的保溫隔熱性、防水性和防火性，非常適合與鋼結構配套使用，使用250mm以上厚度的ALC板作為外墻，可達到節能50%的要求，是理想的節能型墻體材料。鋼絲網復合保溫板或夾層復合板具有質輕、墻薄、高效施工等特點和較好的抗震、隔音等性能，可分別用于各種結構的外墻或框架結構的非承重墻。稻草板除了具有質輕、墻薄、高效施工等特點外，還具有抗震、透氣性和人居親和性好等特點，適用于多層建筑非承重的內隔墻。

2.鋼結構住宅的特點和綜合效益

(1)結構輕質高強，抗震性好，工程造價低。鋼材的抗拉、抗剪強度相對較高。鋼結構住宅可以充分發揮鋼材自重輕、強度高、延性好、塑性變形能力強、抗震性能好的特點，不僅所受的重力和地震作用小，從而減小梁、柱截面尺寸，節約鋼材，而且還可以降低造價和運輸安裝費用。

(2)外部造型美觀，空間布局靈活，建筑功能增強。由于鋼材輕質高強的特點，便于形成大柱距、大開間的建筑空間，靈活地分隔和布置室內的分區，更好地滿足現代住宅建筑的使用功能要求，與磚混結構或混凝土結構相比，其有效使用面積可提高10～15%。建筑造型可豐富多彩，也可簡潔明快。

(3)易于改造，管線布置方便。鋼結構的內部分割、接高、加固等較為靈活。鋼梁的腹板允許穿越小于一定直徑的管線，加之結構空間的孔洞與空腔，使管線布置、更換、修理方便。

(4)符合節能環保要求。鋼結構住宅建筑所用材料主要是環保型綠色可回收或易降解的材料，在建筑物需拆除時，鋼材可全部回收利用，大大減少了建筑垃圾，對周圍環境污染小，利國利民。

3.結束語

綜上所述，鋼結構住宅建筑體系不僅具有輕質高強、抗震性好而降低基礎造價、抗震費用和運輸安裝費用的優點，而且還具有構件安裝便捷、施工周期縮短、加快資金周轉、提高投資效益，建筑布局靈活合理，增加有效使用面積，提高建筑使用功能，質量易保證、商品化程度高等技術和經濟綜合優勢，鋼結構住宅建筑必將具有更廣闊的發展前景。房地產開發商作為國家建設發展的重要力量應當全面、綜合地分析開發項目，無論對客戶或是自己選擇合適的鋼結構體系是非常有益的。