高層鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)方案研究

甘 昱

（佳兆業(yè)集團(tuán)控股有限公司惠州分公司，廣東 惠州 516000）

0 引言

2019年3月29日，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部建筑市場(chǎng)監(jiān)管司2019年工作要點(diǎn)》明確提出：要開(kāi)展鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建設(shè)試點(diǎn)，積極推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)在住宅市場(chǎng)的重點(diǎn)應(yīng)用，充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)在住宅上的優(yōu)點(diǎn)，加快住宅產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級(jí)、技術(shù)革新、技術(shù)迭代；消耗國(guó)內(nèi)鋼鐵產(chǎn)能，拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，促進(jìn)內(nèi)循環(huán)。

1 高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑中已具有成熟且完善的設(shè)計(jì)施工技術(shù)。但混凝土結(jié)構(gòu)通常存在現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)較多、節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度難以保證等問(wèn)題，并且在施工過(guò)程中產(chǎn)生較多建筑垃圾，給環(huán)境造成污染，導(dǎo)致施工質(zhì)量難以得到根本保證。混凝土裝配式建筑發(fā)展較慢，受客觀因素限制過(guò)多。為減少混凝土結(jié)構(gòu)的不利影響，發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)在住宅建筑中的應(yīng)用非常必要。

1）鋼結(jié)構(gòu)建筑的優(yōu)點(diǎn) ①建筑功能性較好，抗震性能強(qiáng)；②自重較輕，可以減少基礎(chǔ)的成本；③產(chǎn)業(yè)化程度較高，施工速度較快，生產(chǎn)周期較短；④鋼結(jié)構(gòu)綠色環(huán)保，污染較少。

2）鋼結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn) ①鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)在我國(guó)缺乏完善的理論研究以及實(shí)際應(yīng)用的能力，發(fā)展較慢；②鋼結(jié)構(gòu)住宅的套型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件選取及配套的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇尚未形成完整的共識(shí)；③關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)高層住宅的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能認(rèn)知不夠深入，未能形成較為廣泛認(rèn)同且行之有效的設(shè)計(jì)及施工體系；④原材料價(jià)格較高，造價(jià)明顯高于混凝土結(jié)構(gòu)。以上問(wèn)題限制了鋼結(jié)構(gòu)在高層住宅的大范圍使用和推廣。

2 我國(guó)常用高層鋼結(jié)構(gòu)住宅體系

2.1 主體鋼結(jié)構(gòu)體系

傳統(tǒng)高層建筑結(jié)構(gòu)中常用的結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，具有較好的剛度，空間內(nèi)部梁柱不外露，通常采用砌體進(jìn)行分割圍護(hù)，可更好地實(shí)現(xiàn)建筑物使用功能。

傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件較細(xì)長(zhǎng)，一般用于鋼框架（支撐或延性板）結(jié)構(gòu)體系，框架柱明顯突出，因此對(duì)建筑裝修工藝要求較高。比較常用的高層住宅鋼結(jié)構(gòu)體系有鋼板組合剪力墻結(jié)構(gòu)、鋼框架結(jié)構(gòu)、模塊化、空間網(wǎng)格、交錯(cuò)桁架等。

2.1.1 鋼板組合剪力墻結(jié)構(gòu)體系

鋼板組合剪力墻是通過(guò)將混凝土墻體外部包鋼板，并在的構(gòu)造準(zhǔn)則進(jìn)行初步預(yù)估。在對(duì)柱截面進(jìn)行預(yù)估時(shí)，一般按照長(zhǎng)細(xì)比展開(kāi)，基本在50<<150，通常取約100的數(shù)值。

3）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析 關(guān)鍵在于確定計(jì)算模型，計(jì)算要考慮手算與電算的有機(jī)融合。目前，在設(shè)計(jì)分析鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，一般通過(guò)線彈性分析的方式。但對(duì)于部分有限元軟件，可以考慮其彈塑功效，這為更精準(zhǔn)地分析打下了良好的基礎(chǔ)。需要注意的是，并非任何結(jié)構(gòu)都能利用軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。如典型結(jié)構(gòu)需利用查閱相關(guān)工具書(shū)獲取內(nèi)力與變形；對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)鋼板內(nèi)部填充混凝土的新型連接構(gòu)造。該組合剪力墻利用混凝土與外包的鋼板，形成與混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)比較相似的結(jié)構(gòu)體系。

常用的鋼板組合剪力墻體系主要有以下3種。

1）束管鋼板組合墻體系 鋼板剪力墻構(gòu)件替換混凝土剪力墻作為抗側(cè)構(gòu)件，鋼板墻墻厚一般為130～250mm，板厚大于4mm的鋼板采用高頻焊接工藝加工成剪力墻，可通過(guò)裁剪焊接生產(chǎn)任意尺寸的產(chǎn)品。

2）波形鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)體系 為增加板件的面外剛度，一般將鋼板彎折成波形板，板件之間對(duì)扣形成組合式剪力墻。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是焊接量較少，成本較低。

3）PSC組合剪力墻結(jié)構(gòu)體系 把鋼板焊接成一定形狀，混凝土外包在鋼板外側(cè)，形成組合式剪力墻。這種結(jié)構(gòu)的剪力墻防火、防腐、耐久性能優(yōu)越，但箍筋的用量較大，需同時(shí)采用鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的施工工藝，技術(shù)要求較高。

2.1.2 鋼框架結(jié)構(gòu)體系

為降低鋼材用量，鋼框架體系中構(gòu)件設(shè)計(jì)更加細(xì)長(zhǎng)，為增強(qiáng)豎向構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定，鋼結(jié)構(gòu)柱多為矩形鋼管，內(nèi)填混凝土，鋼梁多采用熱軋或者焊接的H型鋼。

鋼框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)一般遵循以下4個(gè)步驟。

1）確定結(jié)構(gòu)布置方案 鋼框架結(jié)構(gòu)層數(shù)越多、高度越高，承受的豎向荷載越大，抗側(cè)力是鋼框架結(jié)構(gòu)重點(diǎn)考慮因素。同時(shí)需充分考慮建筑性質(zhì)、荷載分布等多種因素。結(jié)構(gòu)布置需遵循剛度均勻、受力清晰的原則。

2）對(duì)截面進(jìn)行預(yù)估 預(yù)估的范圍主要是梁、柱和支撐的形狀及尺寸等。鋼梁的選擇范圍較廣，槽鋼、H型鋼截面等均可。根據(jù)荷載以及支座尺寸，截面高度的范圍一般是跨度的0.02～0.05倍。而翼緣寬度則依照梁間側(cè)向支撐的間距按1/b限制進(jìn)行確定。以上數(shù)據(jù)確定后，板件厚度可依照局部穩(wěn)定則需通過(guò)建模進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4）對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì) 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)需考慮兩方面內(nèi)容：焊接和栓接。焊接時(shí)要嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行施工。在選擇焊條時(shí)，要注意與被連接的金屬材質(zhì)彼此對(duì)應(yīng)。E43與Q235彼此對(duì)應(yīng)，E50與Q345彼此對(duì)應(yīng)。Q235與Q345連接時(shí)，應(yīng)使用強(qiáng)度較低的E43，在焊接設(shè)計(jì)時(shí)，焊縫不能隨意更改，應(yīng)保證焊縫的重心與被連接構(gòu)件的重心無(wú)限接近。栓接是建筑工程中應(yīng)用最廣泛的連接形式。但普通螺栓在抗剪性方面并不強(qiáng)，可應(yīng)用在次要部位。高強(qiáng)度螺栓最常利用的強(qiáng)度等級(jí)是8.8S與10.9S。

2.1.3 模塊化結(jié)構(gòu)體系

1）盒子結(jié)構(gòu)體系 依據(jù)功能需求將建筑切分成若干簡(jiǎn)單的模塊，通過(guò)單元分塊制作后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組裝，其施工速度較快、工業(yè)化程度較高。

2）裝配式斜支撐框架結(jié)構(gòu)體系 梁與柱的節(jié)點(diǎn)采用螺栓連接并通過(guò)增加隅撐加強(qiáng)連接的強(qiáng)度，管線設(shè)備一體化可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的全裝配化。

2.2 樓板結(jié)構(gòu)體系

樓層板結(jié)構(gòu)調(diào)整整層樓的抗側(cè)力構(gòu)件，與框架梁均是重要的水平受力構(gòu)件。在鋼結(jié)構(gòu)住宅計(jì)算的模型中一般假定樓板為剛性板，故樓板應(yīng)具有一定的面外剛度。

鋼結(jié)構(gòu)住宅常用的樓板結(jié)構(gòu)為疊合板和PK疊合板。疊合板總厚度大于140mm，底面板厚為60mm。PK疊合板厚度一般小于120mm，明顯小于混凝土疊合板，對(duì)建筑凈空要求有著較明顯的優(yōu)勢(shì)。

混凝土疊合板中常用的還有SP疊合板，可實(shí)現(xiàn)較大跨度的應(yīng)用，但缺點(diǎn)是板較厚。

普通的桁架類的混凝土疊合板是最常用的板，因采用鋼筋制作的桁架可以有效地固定受力筋，使前后澆筑的混凝土能夠更好地協(xié)調(diào)工作。缺點(diǎn)在于施工后的脫模較困難，造價(jià)較高。

樓承板在鋼結(jié)構(gòu)建筑中使用較早，因其質(zhì)量輕、連接簡(jiǎn)單，廣泛用于鋼結(jié)構(gòu)的板及圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，但由于板局部穩(wěn)定的問(wèn)題，板件經(jīng)常需要彎折，因此建筑的觀感較差，需要后期裝修吊頂。

2.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系

圍護(hù)墻主要的維護(hù)結(jié)構(gòu)種類有幕墻、板材、整體式墻板及輕鋼龍骨、PC類等多種形式。隨著技術(shù)進(jìn)步，維護(hù)結(jié)構(gòu)在性能、生產(chǎn)速度及工藝、耐久性等方面具有很大進(jìn)步。

1）幕墻類 幕墻是傳統(tǒng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，常用于裝配式建筑，適應(yīng)性較好，易于加工生產(chǎn)，保溫、采光性能優(yōu)越，應(yīng)用廣泛。

2）板材類 蒸壓加氣混凝土墻板（AAC板）是目前鋼結(jié)構(gòu)建筑中常用的條板類幕墻板材。

3）輕鋼龍骨類 輕鋼龍骨是將保溫與建筑裝飾統(tǒng)一的承重體系，自重較輕，利于抗震。

3 高層鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

3.1 建筑設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題

在建筑設(shè)計(jì)方面，高層鋼結(jié)構(gòu)住宅主要有以下問(wèn)題。

1）鋼材強(qiáng)度較高，建筑套型設(shè)計(jì)無(wú)法體現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)；戶型尺寸設(shè)計(jì)不符合裝配式生產(chǎn)的模數(shù)；套型設(shè)計(jì)未考慮未來(lái)房地產(chǎn)市場(chǎng)的實(shí)際需求。

2）建筑外立面復(fù)雜，不利于模數(shù)化設(shè)計(jì)制作和安裝。

3）與裝配式建筑相配套的專業(yè)設(shè)備發(fā)展滯后。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問(wèn)題

在結(jié)構(gòu)方面，高層鋼結(jié)構(gòu)住宅應(yīng)注意以下4個(gè)問(wèn)題。

1）結(jié)構(gòu)體系的選擇 應(yīng)當(dāng)選擇與建筑相匹配的主體結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化。

2）圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇 應(yīng)當(dāng)選擇與主體結(jié)構(gòu)及建筑相匹配的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。滿足建筑和結(jié)構(gòu)的相關(guān)需求，力求安全、簡(jiǎn)單、便宜。

3）節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)具有舉足輕重的地位，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，確保節(jié)點(diǎn)擁有足夠的強(qiáng)度。

4）防腐防火設(shè)計(jì) 鋼結(jié)構(gòu)具有易腐蝕及對(duì)溫度較敏感的特點(diǎn)，因此防腐防火設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)由于自身的優(yōu)點(diǎn)，已在國(guó)外的高層住宅中廣泛應(yīng)用，我國(guó)相關(guān)部門(mén)也在大力推廣應(yīng)用。因此，在未來(lái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。對(duì)設(shè)計(jì)與施工人員均提出更高的要求。對(duì)此，相關(guān)單位必須提高技術(shù)水平和現(xiàn)場(chǎng)管理能力，積極推動(dòng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)化、綠色化、信息化發(fā)展。發(fā)揮群聚效應(yīng)，從而形成規(guī)模平攤成本、降低造價(jià)。