多層輕鋼住宅的結(jié)構(gòu)體系與設計

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　　1. 輕鋼住宅在我國的發(fā)展

　　我國輕型鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)過20多年的發(fā)展歷史，雖然起步并不晚，主要由于經(jīng)濟與技術(shù)的原因使得多層輕鋼住宅的發(fā)展受到制約。國內(nèi)最早出現(xiàn)的輕鋼結(jié)構(gòu)住宅是94年11月建于上海浦東北蔡的8層鋼結(jié)構(gòu)住宅，采用冷彎成型的矩形鋼管混凝土柱和U型冷彎型鋼組合梁組成框架。其特點是采用稻草板作外墻和樓板的組件，單位面積用鋼量34kg/m².

　　天津經(jīng)濟開發(fā)區(qū)太平村是我國住宅產(chǎn)業(yè)化的探索基地之一，來自中國，日本，美國，加拿大等15個國家和地區(qū)的95名參展商展示了各自的產(chǎn)品，其中鋼結(jié)構(gòu)住宅均采用框架結(jié)構(gòu)。樓板及墻體、屋頂均采用復合結(jié)構(gòu)，工廠預制，現(xiàn)場安裝，縮短了施工工期。

　　長沙遠大集團建造的8層鋼結(jié)構(gòu)公寓，稱之為集成化建筑。該建筑裝有中央空調(diào)一體化機組，整體浴室，“五表”遠傳系統(tǒng)等現(xiàn)代化設備。室內(nèi)設計考究，體現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)住宅的風格和質(zhì)量，表明了鋼結(jié)構(gòu)住宅的良好發(fā)展前景。表1為若干輕鋼住宅經(jīng)濟技術(shù)指標。

　　當前，國家將住宅產(chǎn)業(yè)作為國民經(jīng)濟新的經(jīng)濟增長點。為居民提供高質(zhì)量的符合市場需求的商品化住宅成為必然趨勢。國家鼓勵發(fā)展

　　“新型建筑體系”，已將其列入優(yōu)先發(fā)展的高新技術(shù)領(lǐng)域中。國務院1999年頒發(fā)的72號文件

　　提出要發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)，在沿海大城市限期停止使用粘土磚。建設部標準定額研究司正在編制與修改與多層鋼結(jié)構(gòu)房屋密切相關(guān)的技術(shù)規(guī)程。建設部科技司在今年上半年分別召開了“鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化技術(shù)導則編制研討會”和“鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑體系及關(guān)鍵技術(shù)研究課題立項評審會”。通過了18個包括鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑體系及其關(guān)鍵和試點工程的立項。國家政策為鋼結(jié)構(gòu)住宅開發(fā)創(chuàng)造了條件，鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化住宅有望在最近取得突破性進展。

　　2. 多層輕鋼住宅的優(yōu)勢

　　過去我國大量開發(fā)的是以小開間磚混結(jié)構(gòu)為主的住宅。這種住宅體系由于使用實心粘土磚，浪費土地資源，建筑物自重大，對抗震不利。另一方面，由于結(jié)構(gòu)體系自身的限制，住宅平面布局多為封閉式的小開間，不能適應不斷變化的居住模式的要求。與傳統(tǒng)住宅相比，多層輕鋼住宅具有明顯的特點與優(yōu)勢，日益受到重視。

　?。?）自重輕，抗震性能好。采用高效輕型薄壁型材，構(gòu)件截面特性優(yōu)良，相對承載力高，受力性能良好，整體剛度大，抗震性能好，可以大量節(jié)約材料，減輕結(jié)構(gòu)重量，降低基礎(chǔ)，運輸和安裝費用。因此，對地震區(qū)，地質(zhì)條件差和運輸不便的地區(qū)，其優(yōu)越性更為明顯。

　?。?）外形美觀，建筑造型簡潔，豐富，構(gòu)件截面尺寸小，凈使用面積增加。鋼材強度高，可以提供較大的柱網(wǎng)布置；當考慮樓板的組合作用，使用組合梁或扁梁時，可以增加凈高。這種開放式住宅既為建筑師提供設計的回旋余地，又為住戶提供了靈活分隔室內(nèi)空間的可能。

　?。?）供貨迅速，安裝方便，可以比混凝土結(jié)構(gòu)至少縮短一半工期。在當前貸款利率高的金融形式下，早投產(chǎn)，早回收投資，這對于降低工程總造價，增加投資效益幅度是十分重要的。

　?。?）干法施工，裝備化程度高，建設快速，高效，質(zhì)量有保證。

　?。?）輕鋼結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)和使用的過程中能源與原材料消耗低，建筑垃圾少，粉塵少，噪音低，具有很高的可重復使用性和可循環(huán)性，因此是一種綠色環(huán)保結(jié)構(gòu)。

　　3.多層輕鋼住宅的體系與結(jié)構(gòu)特點

　　3.1抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系

　　主要應用于多層輕鋼住宅的體系可分為：純鋼框架體系，框架－支撐體系，鋼框架－混凝土剪力墻體系，周圍抗側(cè)力體系等。

　?。?）純框架體系常用于4～8層住宅。它主要由寬翼緣的H型或箱形柱和工字型梁組成，亦可采用熱軋H型鋼。這種體系具有較為靈活的空間布局，但側(cè)向剛度較弱。相對于框架－支撐體系，用鋼量較大。純框架體系多采用雙向剛接，這樣可以加大結(jié)構(gòu)自身的側(cè)移剛度，減少抗側(cè)移構(gòu)件內(nèi)力，加強耗能機制，提高建筑物的延性。但節(jié)點形式較為復雜。由于建筑美觀的要求，端板連接不宜于多層輕鋼住宅。

　　（2）框架－支撐體系主要由焊接工字型梁柱組成。多數(shù)情況下，這種體系為橫向承重。梁柱節(jié)點在橫向上，為剛接；縱向為鉸接。因此，結(jié)構(gòu)在縱向相當于排架，抗側(cè)移剛度很低，需設置側(cè)向支撐抵抗水平荷載，限制結(jié)構(gòu)的水平變形。支撐可用槽鋼，角鋼或圓鋼桿，具體形式可結(jié)合建筑立面或門窗洞口需要采用單斜桿、X型、K型或偏心支撐。單斜桿簡單明快，但必須設置兩組不同傾斜支撐，以保證結(jié)構(gòu)在兩個方向具有同樣抗側(cè)力能力。X型支撐具有很好的側(cè)向剛度，但是交叉點處的細部構(gòu)造比較復雜。偏心支撐具有非常好的抗震耗能效果。它的工作原理是：在中、小地震作用下，支撐提供主要的抗側(cè)力剛度，與中心支撐相似；在大地震作用下，保證支撐不發(fā)生受壓屈曲，而讓耗能梁段屈服消耗能量。它是專為抗震設計提供的支撐形式。

　?。?）框架－鋼筋混凝土剪力墻（筒）體系。用鋼筋混凝土剪力墻部分或全部代替鋼支撐，就形成了框架－鋼筋混凝土剪力墻（筒）體系。它適用于小高層住宅。一般將樓梯或電梯間設計成鋼筋混凝土墻（筒）。這樣即有效的加強了建筑物的側(cè)向剛度，又解決了樓梯間的防火問題。如果結(jié)構(gòu)剛心偏移過大，出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的問題，可在適當部位設置鋼支撐。

　?。?）周圍抗側(cè)力體系。這種體系在歐美國家的商業(yè)和民用建筑中十分流行。它的特點是剛架柱強軸與其相交的建筑軸線垂直，形成外筒，抵抗水平荷載，將之傳遞到基礎(chǔ)。它適用于建筑外型接近于正方型的結(jié)構(gòu)?？梢詫⑦@種思路應用到框架－支撐體系中。把縱向的支撐去掉，將原有位置的剛架柱扭轉(zhuǎn)90度，梁柱由鉸接變?yōu)閯偨?。這樣，剛架柱同時起到抗風柱與豎向支撐的作用。

　　對于多層輕鋼民用住宅體系的選擇，不必拘泥于某一種特定的體系?？梢愿鶕?jù)建筑平面設計的要求，靈活處理，綜合使用不同的抗側(cè)力體系。

　　3.2 樓面屋蓋結(jié)構(gòu)

　　樓面和屋蓋必須有足夠的強度，剛度和穩(wěn)定性，同時應當盡量減少樓板厚度，增加室內(nèi)凈高。壓型鋼板－混凝土組合樓蓋是目前應用較為廣泛的形式。它具有施工速度快，平面剛度大，增加房屋凈高的優(yōu)點。具體做法是在鋼梁上鋪設壓型鋼板，再現(xiàn)澆100～150mm混凝土。在鋼梁上焊接足夠的剪力連接件，使鋼梁與混凝土協(xié)同工作構(gòu)成組合樓蓋。這種做法耗鋼量較大，且需防火處理?？梢杂妙A應力鋼筋混凝土薄板取代壓型鋼板。此外，預應力圓孔板、迭合板、組合扁梁也是常用形式。

　　3.3 墻體結(jié)構(gòu)

　　各種輕質(zhì)墻體材料以其良好的保溫、隔熱、隔聲性能受到開發(fā)商的青睞。目前，墻體主要分為自承重式和非自承重式。自承重墻體主要包括用于外圍護結(jié)構(gòu)的加氣混凝土塊、太空板、輕鋼龍骨加強板等，以及用于內(nèi)墻的輕混凝土板、石膏板、水泥刨花板、稻草板等。外掛的非自承重式墻體材料主要有彩色壓型鋼板、彩色壓型鋼夾芯板、玻璃纖維增強外墻板等。采用非自承重式墻體材料，需設置墻梁用以懸掛外圍護結(jié)構(gòu)。門窗洞口上下要布置。墻梁多采用C或Z型冷彎薄壁型鋼，尺寸取決于跨度（剛架間距）和墻距（板跨）。

　　3.4 多層輕鋼住宅的防火

　　鋼材屬于不耐火材料，溫度為400 °C時，鋼材的屈服強度將降為常溫的一半，溫度達到600 °C時，鋼材基本喪失全部強度和剛度。所以，鋼結(jié)構(gòu)不僅要進行結(jié)構(gòu)的抗火設計，還要采用防火措施保護。目前常用的防火措施有以下四種方法（1）防火涂料法。將具有一定厚度的防火涂料直接噴在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件上。防火涂料主要兩類：涂層8～50mm，粒狀表面，密度較小，耐火極限1～3h的為厚涂型防火隔熱材料；涂層3～7mm，遇火膨脹增厚，耐火極限0.15～2h的為薄涂型防火隔熱材料。噴涂法造價較低，操作簡便，施工速度快，但是構(gòu)件表面不平整，影響美觀。（2）隔離法。將防火材料或防火磚沿構(gòu)件的外圍，將構(gòu)件包裹，與外界隔離。這種方法美觀，無污染，但施工速度較慢，適用于外露的構(gòu)件。（3）實心包裹法。將鋼構(gòu)件澆注到混凝土中。（4）膨脹漆覆蓋法。將具有一定厚度的膨脹漆噴涂、抹、刷在經(jīng)過處理的構(gòu)件表面?？够饦O限最高達2h.覆蓋法施工容易，但不適用于潮濕的環(huán)境，僅適用于干燥的室內(nèi)。

　　4. 工程實例

　　4.1 工程背景介紹

　　某示范樓建筑面積4665m²，5層純鋼框架結(jié)構(gòu)，長67m，寬13.5m，層高3m.焊接工字形梁，縱橫雙向剛接H形柱。樓面活荷載為2.0kN/m²，屋面活荷載0.3kN/m²，輕型屋面恒荷載0.3kN/m²；基本風壓0.25 kN/m²；設計地震烈度為7度，Ⅱ類場地。屋面為冷彎薄壁C型檁條鋪雙層鍍鋅壓型鋼板夾100mm厚保溫棉屋面系統(tǒng)，外墻采用200mm厚陶?；炷量招钠鲶w墻，分戶墻為180mm厚菱鎂土板，戶內(nèi)隔墻為90mm厚菱鎂土板。條型基礎(chǔ)，柱與基礎(chǔ)為剛接。

　　示范樓共有四個居住單元，兩種建筑平面布置形式，建筑面積分別為143 m²，102 m².一單元為大兩室兩廳，二、三、四單元為小兩室兩廳。一單元的大客廳使用了組合扁梁，從而實現(xiàn)了梁與樓蓋的一體化，減少了結(jié)構(gòu)層高。對于正常極限狀態(tài)下的組合扁梁，將鋼和混凝土兩種材料組成的組合梁截面換算成同一種材料的截面，再按照彈性理論計算。為了樓板的放置，扁梁的下翼緣一般較寬，需驗算施工時產(chǎn)生的偏心荷載。為了減少設計工作量，通常把扭矩簡化為已對大小相等、方向相反的力分別作用于扁梁的上下翼緣。詳細分析方法見文獻。

　　4.2 計算方法與基本要求

　　對于多層輕鋼住宅，盡管采用單向板，但由于縱橫向均有墻體荷載分布，宜采用三維空間計算模型。本工程采用的是普通樓板，不考慮樓蓋對鋼架梁剛度增大的作用，忽略樓板的空間聯(lián)系作用，空間模型為純框架結(jié)構(gòu)。計算分析是采用有限元分析軟件ANSYS完成。在結(jié)構(gòu)計算中采用三維梁單元，質(zhì)量單元計算結(jié)構(gòu)自振周期以及靜力分析。

　　相對于工業(yè)建筑而言，多層民用建筑的荷載工況簡單明了。主要考慮以下三種工況：

　　工況一：1.2×恒載標準值＋1.4×活荷載標準值

　　工況二： 1.2×恒載標準值＋0.85×1.4×（風荷載＋活荷載）標準值

　　工況三：1.2×重力代表值＋1.3×水平地震作用標準值

　　對于多層輕鋼住宅地震荷載計算，由于樓層較低，結(jié)構(gòu)布置對稱，采用底部剪力法就可滿足要求。

　　多層輕鋼住宅側(cè)向位移具體要求如下：

　?。?）在風荷載作用下的頂點水平位移與總高度之比不宜大于1/500.

　?。?）層間相對位移與層高之比不宜大于1/400.

　　（3）在常遇地震作用下，層間側(cè)移不超過樓層高度1/250.

　　對于多層輕鋼住宅，還要滿足剛架柱構(gòu)件穩(wěn)定性與鋼框架的整體穩(wěn)定性要求。

　　4.3 計算分析

　　由于活荷載與基本風壓較小，所以工況三為控制工況。計算設計時將兩種方案進行了比較，不改變剛架梁的截面形式，只對剛架柱進行改動。方案一，剛架柱為工字形；方案二，剛架柱為箱形。

　?。?）兩種方案的剛架柱在強軸方向慣性矩相同，即在橫向結(jié)構(gòu)的剛度相同，因此橫向主自振周期以及地震作用下橫向最大層間位移基本一致。

　?。?）本工程長寬比5，縱橫雙向剛接，因此對于方案一，當橫向側(cè)向剛度滿足要求時，縱向剛度也能達到要求。

　?。?）在滿足規(guī)范要求的前提下，方案一節(jié)約鋼材用量，單位面積用鋼量減少約10％，經(jīng)濟性好。因此，在設計中選擇了工字形剛架柱。但是由于輕鋼體系剛架柱的腹板很薄，為了防止局部失穩(wěn)引起的結(jié)構(gòu)失效，剛架柱宜在縱向梁柱剛接處做成局部箱形柱。

　　5. 結(jié)論

　　從示范樓的實例可以看出，相對于傳統(tǒng)住宅，這種新體系傳力明了，計算簡單，具有很好的延性。并且由于組合扁梁的應用，可以實現(xiàn)樓蓋與鋼梁的一體化，從而降低樓層高度。綜合經(jīng)濟效益優(yōu)良的多層輕鋼住宅，將會有廣闊的應用前景。