鋼結(jié)構(gòu)住宅體系比較分析

摘要：隨著中國鋼材企業(yè)的發(fā)展，目前大力推廣鋼結(jié)構(gòu)住宅的條件已經(jīng)基本成熟。這里將介紹目前鋼結(jié)構(gòu)住宅的常用結(jié)構(gòu)體系，探討我國鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展。最后總結(jié)各種結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)缺點以及適用情況。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；住宅；結(jié)構(gòu)形式。

鋼結(jié)構(gòu)住宅在歐美日本等經(jīng)濟發(fā)達國家的發(fā)展已經(jīng)有幾十年的歷史了，憑著良好的抗震性、靈活可變的空間劃分、環(huán)保等優(yōu)點，迅速發(fā)展壯大。與之相對應的是國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)住宅方面才剛剛起步。制約鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展的根本原因是生產(chǎn)力上的落后。1996年，我國鋼產(chǎn)量首次突破億噸，成為世界第一產(chǎn)鋼大國。對用鋼政策由限制用鋼到合理用鋼再到鼓勵用鋼，這為發(fā)展我國鋼鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展創(chuàng)造了極好的時機。同時政府及時提出在建筑業(yè)中提倡使用鋼結(jié)構(gòu)，在組織上采取了一些措施，并且調(diào)整了政策，出臺了一系列的積極發(fā)展的方針，也編制了一些相應的規(guī)范、規(guī)程及計算軟件。鋼結(jié)構(gòu)住宅作為住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展方向之一，也進入實質(zhì)性啟動階段。

鋼結(jié)構(gòu)住宅由于其自身的優(yōu)點，在實際當中得到人們的青睞。其結(jié)構(gòu)形式是有很多的，每種形式所適用的范圍和情況也是不盡相同的。

1.低層（1～3層）結(jié)構(gòu)體系

1.1框架結(jié)構(gòu)體系

這種體系在低層鋼結(jié)構(gòu)住宅中得到較早的應用，它構(gòu)造簡單，施工速度快，技術(shù)難度小，同時由于低層住宅對水平荷載的要求不高，避開了框架結(jié)構(gòu)彈性剛度差的缺點。梁與柱之間的連接采用剛接，各部分剛度分布均勻。框架體系是一種延性體系，在建筑設(shè)計和平面布置上還具有很大的靈活性。

1.2輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系

這種體系是隨著鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)不斷成熟而產(chǎn)生的，已經(jīng)成為低層鋼結(jié)構(gòu)住宅主要的結(jié)構(gòu)體系之一。從目前國外已經(jīng)應用的輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系來看，它主要可以分為：冷彎薄壁型鋼格構(gòu)式結(jié)構(gòu)體系和熱軋型鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系兩種。冷彎型鋼截面形狀合理，力學性能良好，與截面積相同的熱軋型鋼相比，其回轉(zhuǎn)半徑可增大50%～60%，截面慣性矩和截面抵抗矩可增大50%～180%。此外，冷彎型鋼因材料冷加工后出現(xiàn)的冷彎效應現(xiàn)象可使其強度有所提高。目前由于我國的發(fā)展情況，別墅類建筑不是我國住宅消費的主要對象。

但是隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，尤其是大量新型城鎮(zhèn)的建設(shè)以及建設(shè)現(xiàn)代化農(nóng)村的推進，冷彎型鋼具有廣闊的發(fā)展市場和潛力，值得我們注意。

2.多高層結(jié)構(gòu)體系

2.1 純框架結(jié)構(gòu)體系

鋼框架結(jié)構(gòu)體系出現(xiàn)的比較早，是一種成熟和基本的結(jié)構(gòu)體系。可分為半剛接框架和全剛接框架，半剛接框架的梁柱連接節(jié)點不承受荷載產(chǎn)生的端彎矩；全剛接框架的則需要考慮。由于鋼框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度較小，所以建造高度受到限制，一般不超過12層，如果過高的話，需要加大加強結(jié)構(gòu)截面和節(jié)點設(shè)計，導致不經(jīng)濟。

2.2 框架—支撐體系

該結(jié)構(gòu)體系以樓房的框架體系為基礎(chǔ)，沿房屋的縱、橫兩個方向均布置一定數(shù)量的豎向支撐所形成的結(jié)構(gòu)體系稱為框架—支撐體系，簡稱框—撐體系。由于支撐部位的不同框—撐體系又分為中心支撐和偏心支撐。中心支撐（軸交支撐）的特征是：支撐的每個節(jié)點處，各桿的軸心線交匯于一點。偏心支撐（偏交支撐）的特征是；支撐斜桿與梁、柱的軸線不是交匯于一點，而是偏離一段距離，形成一個先于支撐斜桿屈服的“消能梁段”，偏心支撐框架的每根桿件應至少有一段與框架梁連接，并在斜桿與梁交點至柱之間或至同一跨內(nèi)另一斜桿與梁交點之間形成消能梁段。

2.3 框架—剪力墻體系

在框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置部分剪力墻，使框架和剪力墻兩者結(jié)合起來，取長補短，共同抵抗水平荷載，就組成了框架一剪力墻結(jié)構(gòu)體系。鋼框架一剪力墻結(jié)構(gòu)中，由于剪力墻剛度大，剪力墻將承擔大部分水平力（有時甚至可達80%～90%），是抗側(cè)力的主體，整個結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度大大提高，鋼框架則承擔豎向荷載，提供了較大的使用空間，同時也承擔少部分水平力。該體系可細分為：

鋼框架-混凝土剪力墻體系、鋼框架-帶縫混凝土剪力墻體系、鋼框架-鋼板剪力墻體系是以及鋼框架-帶縫鋼板剪力墻體系。鋼框架-剪力墻結(jié)構(gòu)比鋼框架結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力都大大提高了，在地震作用下層間變形減小，因而也就減小了非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（隔墻及外墻）的損壞。這樣無論在非地震區(qū)還是地震區(qū)，這種結(jié)構(gòu)都可用來建造較高的高層住宅，在我國己有很多工程采用。此類結(jié)構(gòu)體系適用于抗震設(shè)防烈度為8度或9度、總層數(shù)超過12層的鋼結(jié)構(gòu)房屋。

2.4 框架—混凝土核心筒結(jié)構(gòu)

該體系是以衛(wèi)生間（或樓、電梯間）組成四周封閉的現(xiàn)澆鋼筋混凝土核心筒，與熱軋H型鋼框架結(jié)合成組合結(jié)構(gòu)。筒體角部可配置小鋼柱以增加延性并方便安裝。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)受力分工明確，核心筒抗側(cè)移剛度極強，主要承擔水平荷載（占結(jié)構(gòu)抗側(cè)移總剛度的90%以上）；由于是現(xiàn)澆核心筒，衛(wèi)生間的防水性能佳，可有效避免其他結(jié)構(gòu)形式因施工不當容易滲水造成的鋼構(gòu)件銹蝕；可采用滑模施工，施工速度介于純鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)之間，經(jīng)濟上比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)略高。國內(nèi)己有較多的應用經(jīng)驗，如果建筑結(jié)構(gòu)布置合理，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計設(shè)防妥當，是值得推廣的一種多高層住宅結(jié)構(gòu)形式。

①多層（6層）鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系優(yōu)選：

7度區(qū)：框架一支撐體系（型鋼柱）和框架一支撐體系（鋼管混凝土柱）的最終性能指標差不多，鋼框架一筒體體系不理想。

8度區(qū)：框架一支撐體系（鋼管混凝土柱）最優(yōu)，框架一支撐體系（型鋼柱）次之，鋼框架一筒體體系最差。

②高層（12層）鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系優(yōu)選：

7度區(qū)：框架一支撐體系（鋼管混凝土柱）最優(yōu)，框架一支撐體系（型鋼柱）次之，鋼框架一筒體體系在最后，但三種方案的差別并不大。

8度區(qū)：框架一支撐體系（鋼管混凝土柱）最優(yōu)，框架一支撐體系（型鋼柱）次之，鋼框架一筒體體系在最差。

③高層（18層）鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系優(yōu)選：

7度區(qū)：鋼框架一筒體體系最優(yōu)，框架一支撐體系（鋼管混凝土柱）次之，框架一支撐體系（型鋼柱）在最差，但三種方案的差別并不明顯。

8度區(qū)：框架一支撐體系（鋼管混凝土柱）最優(yōu)，框架一支撐體系（型鋼柱）次之，鋼框架一筒體體系最差，但三種方案的差別并不明顯。

3.結(jié)論及建議：

①框架結(jié)構(gòu)：開間大、使用靈活，受力明確，框架桿件類型少，其缺點：側(cè)向剛度較差，層間位移較大，根據(jù)其受力特點看出該體系一般更適用于6層以下的多層建筑，不適于強震區(qū)的高層建筑；而且用于高層建筑經(jīng)濟性相對較差。

②框架—支撐結(jié)構(gòu)：由鋼桁架組成的支撐，與剪力墻相比在達到同樣的剛度下其重量要小。用于高層住宅結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟性好。其缺點：構(gòu)件節(jié)間尺寸較小，導致支撐構(gòu)件及節(jié)點數(shù)量均較多。傳力路線較長，抗側(cè)效果較差。該體系比純框架體系側(cè)向剛度大，常用于多層及高層鋼結(jié)構(gòu)，應用較廣；而且當房屋層數(shù)較高時，該體系要比純框架體系經(jīng)濟。

③框架—剪力墻結(jié)構(gòu)：這種體系總體來說受力性能良好，支撐構(gòu)件相對較經(jīng)濟，且能與隔墻布置相結(jié)合。不足之處是現(xiàn)場安裝比較困難，制作比較復雜。該體系同框架-支撐體系一樣，常用于多層及高層結(jié)構(gòu)，應用較廣；而且從受力特點看出，帶縫剪力墻體抗震性能較好，較適用于地震區(qū)。

④框架—筒體結(jié)構(gòu)：側(cè)向剛度大于鋼框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)造價介于鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之間。在水平地震力作用下，混凝土核心筒開裂，將導致結(jié)構(gòu)剛度減小，而加大鋼框架的剪力，鋼框架需按雙重抗側(cè)力體系設(shè)防，另外混凝土核心筒的施工誤差遠大于鋼結(jié)構(gòu)。

參考文獻

[1].馮瑞 多高層鋼結(jié)構(gòu)體系概述[J] 工業(yè)建筑 2007年第37卷增刊

[2].朱俊民 鋼結(jié)構(gòu)住宅不同結(jié)構(gòu)體系的對比分析[J] 浙江建筑 2007年3月第24卷3期.