多高层钢结构住宅设计探讨

　　改革开放30年，我国钢结构制造业取得飞速发展，目前，正处于钢结构制造大国走向制造强国的历史发展时期。一些钢结构企业把钢结构住宅体系设计一体化作为一项重要目标。钢结构住宅是以工厂化生产的H型钢梁、钢柱(包括H型钢柱、钢管柱、箱形柱、钢骨混凝土柱或圆、方或矩形钢管混凝土柱)为承重骨架，同时配以新型轻质的保温、隔热、高强的墙体材料作为围护结构，并与功能配套的水暖电卫设备和部品优化集成的节能和环保型住宅。同传统的砖混和混凝土结构住宅相比，钢结构住宅是一种更符合“绿色生态建筑”特征的结构形式。它具自重轻、地基费用省、占用面积小、工业化程度高、外形美观、施工周期短、抗震性能好、投资回收快、环境污染少等优势，具有较好的综合经济效益。我国正在加速发展钢结构住宅产业化进程，发展以标准化、系列化、通用化，以专业化、社会化生产和商品化供应为基本方向的住宅产业现代化体制。国家建设部和中国工程建设标准化协会正在组织研制和开发多层轻钢结构的住宅建筑体系的结构选型，新型围护结构与隔断体系以及钢结构构件及配件，结构体系设计与施工技术，编制相应的设计与施工技术规范和规程。可以预见，不远的将来钢结构住宅的发展和应用会有新的飞跃。

　　一、结构体系选型

　　对低、多层住宅，目前国内外常用的结构体系主要有：

　　1、冷弯薄壁型钢体系

　　构件用薄钢板冷弯成C形、Z形构件，可单独使用，也可组合使用，杆件间连接采用自攻螺钉。这种体系节点刚性不易保证，抗侧能力较差，一般只用于1～2层住宅或别墅。

　　2、框架

　　目前，这种体系在多层钢结构住宅中应用最广。纵横向都设成钢框架，门窗设置灵活，可提供较大的开间，便于用户二次设计，满足各种生活需求。钢框架考虑楼盖的组合作用，运用在低多层住宅中，一般都能满足抗侧要求。但是由于目前框架柱以H型钢为主，弱轴方向梁柱连接的刚性难以保证，因此设计施工时须慎重处理。

　　3、框架支撑体系

　　在风载或地震作用较大区域，为提高体系的抗侧刚度，增加轴交支撑或偏交支撑效果很好。这种体系为多重抗侧体系，而且梁柱节点，柱脚节点可设计成铰接、半刚接，施工构造简单，基础主要承受轴力，体形较小，因此成为人们青睐的对象。

　　4、框架剪力墙体系

　　在低多层住宅中，可以应用传统的剪力墙体系，如钢筋混凝土剪力墙或钢板剪力墙。目前正在研究的空腔结构板是一种理想的抗侧结构。空腔结构板是一种新型的轻质板材，采用黄纸制成具有众多等边空腔结构的板状基架，然后经浸渍而成。该板材与钢框架可靠连接，便可形成新型剪力墙。另外美国，澳大利亚等国还开发了交错桁架体系，比较新奇。

　　二、抗震计算的基本要求

　　1.对双重体系，框架部分独立承担的水平力不应少于结构底部剪力的25%。其目的是检验框架作为抗震二道防线是否满足要求。检验方法是忽略支撑或剪力墙进行，仅对框架部分进行验算。有的单元式住宅柱子很少，用隔墙支撑钢梁，往往不满足此项要求。

　　2.验算是否符合强柱弱梁，这关系到结构倒塌机制，很重要。

　　3.框架柱长细比应符合规定。

　　4.验算节点域的稳定性、强度和屈服条件。

　　三、节点和支撑构造要求

　　1.钢结构体系当中，节点的设计和构件的设计具有同等的重要性，因此必须给予充分的重视。钢结构的节点设计包括梁-柱节点、梁-梁节点、柱-柱节点、柱脚节点、柱帽节点等。设计时应确保节点的安全可靠，并尽量采用简捷、稳定、可靠的施工工艺，减少或避免现场的焊缝连接。钢节点的形式按传力特性大体可以分为三类：铰节点、半刚性节点、刚性节点。刚性、铰接节点的受力性能、施工工艺研究得比较成熟，因此在工程中取得了广泛的应用。采用的几种梁-柱节点连接形式。由结构布置分析，考虑工程实际情况，在设计时，多层房屋钢结构柱多采用焊接工字形或箱形截面，由于焊接工字形截面腹板比较薄，故在此弱轴方向与粱的连接多采用铰接，而强轴方向则采用刚接形式。铰节点形式简单，施工方便，但它使得梁跨中弯矩加大，增加用钢量，不经济;刚性节点构造复杂，但其有效的降低了跨中弯矩，节约了用钢，有较好的经济效应;而半刚性节点应用比较少，主要是其受力特性比较复杂，往往通过试验来取得较为准确的设计数据。三种形式，哪一种更加经济可靠，还有待于在实际工程中比较、检验。

　　2.支撑分轴交支撑和近年发展起来的偏交支撑两种，前者耐震能力较差，后者在强震作用下具有良好的吸能耗能性能，而且为门窗洞的布置提供了有利条件，目前国内用的还很少，建议在高烈度区首选偏交支撑。剪切型耗能梁段，加劲肋按以下公式设计：

　　a=29tw-d/5，(γp=±0.09rad)(1)

　　a=38tw-d/5，(γp=±0.06rad)(2)

　　a=56tw-d/5，(γp=±0.03rad)(3)

　　式中，a――加劲肋间距，d――梁高，tw――腹板厚度，γp――塑性转角;弯曲型耗能梁段还需在梁段端点外1.5bf处加设加劲肋。

　　四、楼盖体系

　　多层房屋钢结构的楼板必须有足够的承载力、刚度和整体性，当前较常采用的是在钢梁上铺设压型钢板，再浇注100mm左右的钢筋混凝土板，即形成压型钢板组合楼板。楼盖梁一般采用简支等高连接，有时也可做成不等高连接，如采用压型钢板组合楼板时，为了便于铺设压型钢板，主次梁顶面需相差压型钢板厚度，同时还可以增大建筑净层高。在设计过程中，要考虑钢梁和楼板的组合作用，这样会显著提高粱的承载力和整体稳定性，并有效降低梁高，节约用钢，降低工程造价。

　　压型钢板组合混凝土楼板，除了按计算(并满足构造要求)在钢梁上焊接栓钉外，为了保证混凝土和压型钢板共同工作，它们之间应有连接措施，根据规范规定，其连接措施可以依靠压型钢板的纵向波槽或依靠压型钢板的上的压痕、开的小洞或冲成的不闭合孔眼，也可以依靠压型钢板上焊接的横向钢筋。

　　五、墙体材料的选取

　　一般来说，为了突出钢结构自重轻、布置灵活、可改性好的特点，钢结构住宅不宜采用传统的黏土砖或其它自重较大的材料。通常采用轻质材料，比如：空心混凝土砌块、加气混凝土、压型钢板加轻质保温材料组成的复合墙体、OSB板等。在进行墙体的设计时，要求对连接件的强度、质料和尺寸有准确的规定。对连接方式充分考虑墙体和主体结构的特性，尽可能采用简捷、快速的连接方法，以便于施工，提高作业效率。

　　六、防腐和防火要求

　　钢结构住宅应综合考虑结构的重要性、环境侵蚀条件、维护条件和使用寿命，以及施工条件和工程造价等因素。还应按现行规范要求，合理选用钢材表面原始锈蚀等级、除锈方法和等级，以及涂装设计技术要求等。钢结构涂装采用的底漆和面漆除应相互配套外，还应与钢表面的除锈等级相匹配。住宅建筑中湿度较大的部位(如厨房、卫生间等)不应有外露钢结构当不可避免时，宜外包混凝土隔护。钢结构的防火措施主要有外包混凝土、外涂防火涂料和外包防火板三种。外包混凝土是解决钢梁及钢柱防火、防腐的最好措施，这种方法利于防火层的耐久性及今后的维护。但该方法会增加建筑物的总重量和施工工期;外涂防火涂料只需根据各种防火涂料的耐火性能及耐火极限要求，满足厚度相应的厚度，但防火涂料的耐久性远远低于建筑物本身，需要后期维护。防火板可以根据梁柱的不同形状，对钢梁进行包裹，使其达到所需的耐火极限。防火板的耐久性比防火涂料更长，后期维护也较为方便，但价格较高。设计时应根据具体情况合理选用防火措施。

　　七、结束语

　　从当前钢结构住宅发展情况来看，我国生产的钢材品种和规格越来越多地适合于钢结构住宅的使用;先进防锈、防火材料及新型的耐火耐候钢的不断开发，从某种程度上弥补了钢结构的不足;新型墙体材料及其它建材的不断开发，也促进了钢结构住宅的发展;越来越多的工程技术人员在从事钢结构工程的设计，设计水平在不断提高;通过最近几年钢结构住宅工程的施工，也积累了许多宝贵的实践经验;我国政府也十分重视钢结构住宅的发展。随着住宅产业现代化的不断推进，钢结构住宅发展前景非常广阔。

　　本文研究仅是一个起步，我国钢结构住宅体系在以下几方面还值得进一步研究开发。

　　1、对各种抗腐蚀性优的钢种的研究开发;

　　2、半刚性连接节点受力性能分析、研究;

　　3、隔墙板材的布置、排版的系统化、标准化研究，统一标准的制定以及相关设计软件的开发;

　　4、楼面结构整体受力性能的研究;

　　5、结构抗震的计算与分析;

　　6、结构体系优化设计方法、各种大型结构设计软件的开发与研究。

　　7、钢结构住宅施工方法研究。

　　参考文献：

　　陈禄如等.攻克关键技术推动钢结构住宅发展。建设科技，2003年12月

　　周学军，焦红，王松岩.钢结构与钢筋混凝土结构小高层住宅的经济性分析[J].山东建筑工程学院学报，2004，4(19)

　　李国强，韩林海，楼国彪，等.钢结构及钢.混凝土组合结构抗火设计[M].北京：中国建筑工业出版社.2006.