关于住宅中使用钢结构体系的研究

摘要:我国钢结构住宅起步很晚,只是改革开放后,从国外引进了一些低层和多层钢结构住宅,才使我们有了学习与借鉴的机会。大规模研究开发、设计制造、施工安装钢结构住宅还是近二三年才发展起来。由于具备其他结构无法比拟的优点,钢结构住宅已经给住宅产业和建筑行业带来了一场深层次的革命,从设计、施工、到一系列新材料的使用都出现了革命性的变化,因而在国际范围内代表了未来的住宅发展新模式。

关键词:钢结构住宅;结构体系

一、钢结构住宅体系

钢梁、钢柱通过节点的刚性连接形成钢框架结构体系。其主要优点在于受力明确,具有很好的抗震延性;建筑平面布置灵活,使用空间大;制作安装简便,施工速度较快。主要缺点在于侧向刚度较小。

钢框架―钢板剪力墙体系由钢框架和钢板剪力墙组合而成。其主要优点在于结构自重小,减轻了地震作用,同时降低基础费用;钢板剪力墙的设置可缓解对梁柱节点区的延性要求。主要缺点在于用钢量大。

在钢框架的某些跨间设置支撑形成钢框架―钢支撑结构体系。其主要优点在于减少了用钢量,梁、柱节点构造也相对简单;支撑增加了结构整体刚度,抗侧能力加强;框架和支撑形成了两道抗震防线,使得结构具有较好的抗震性能。主要缺点在于斜向支撑不利于门窗洞口的布置。

交错桁架结构体系是由房屋外侧的柱子和跨度等于房屋宽度的桁架组成,桁架高度等于层高,在相邻柱上为上下层交错布置,楼板一端搁置在桁架的上弦,另一端搁置在相邻桁架的下弦。由于两个开间布置一榀桁架,中间无柱,因此其主要优点在于开间大,建筑平面布置灵活;楼板直接支承在相邻柱列的上下弦上,不需要设置楼面梁格,降低层高,节约了造价。主要缺点在于桁架不利于门窗布置及人流安排而且抗震性能有待于进一步研究。

轻钢龙骨体系一般由柱、梁、大龙骨、地龙骨及中间腰支撑通过配套扣件和加劲件用自攻螺钉连接而成。其主要优点在于构件隐藏在墙体内部,有利于建筑布置;保温性能好,施工速度快。缺点在于不适合强震地区高层建筑,耐火性能差。

二、我国钢结构住宅设计现状

我国目前采用的钢结构设计方法还比较繁琐,软件优化功能还不完善,因此有必要深入开展对钢结构优化设计的研究,尤其是钢框架优化设计研究。只有不断完善钢框架结构优化设计理论和方法,并应用到钢结构住宅的工程实践中,减少工程用钢量,降低工程造价,才能为国家建设创造经济效益。

三、钢结构住宅体系目前存在的不足

1、耐火问题

的钢构件耐火极限仅为0.25h(即15min)。一般来说钢结构材料对温度的适应性比较好,钢材的强度在100℃以内基本上没变化。碳素钢在200℃时,其强度降低仅为18%,在250℃时,降低25%,其弹性模量在200℃时降低10%左右,在250℃时,降低13%左右。在此温度范围内,钢结构材料的刚度和强度降低不大。在正常温度下使用,钢结构材料是一种很好的建筑材料。但一旦钢结构材料温度超过250℃甚至达到400℃时,钢材的强度降低为40%左右,其刚度降低为78%。当温度大于550℃时,钢结构材料就会完全丧失承载力,钢结构材料的强度等于或接近于零,钢结构材料的刚度则完全丧失。

2、防腐问题

钢结构材料暴露在自然中就会被腐蚀生锈。钢结构材料不加防腐暴露在大气中50h,就会全面出现锈斑,500小时就会出现严重锈蚀,钢材在大气中放置5年,最大锈蚀量可达1mm。因此在钢结构住宅体系中,对钢材的防腐处理是应认真解决的。目前的做法主要是采用新型防腐和构造材料。

3、立面问题

钢结构住宅体系对于建筑形状、外立面装饰等会受到一定限制。如果平面设计的过分复杂而发挥不了钢结构材料高强度的优点,就会增加造价。也就是说,钢结构住宅的梁跨度可增大、开间布置可以更自由,为住户创造更大的空间,但确很难避免钢结构带来的建筑平、立面单调呆板的问题,住宅建筑立面的个性化会受到一定限制。如果房型和建筑造型随意发挥,使框架柱不能形成刚性平面,造价会大大提升。要解决好这个问题,就要对传统的设计思想和方法进行一定的突破。

4、相关产品、设备的配套开发、配合问题

钢结构住宅不是简单的钢材代替混凝土作为支承结构,而是解决与钢结构住宅相配套的抗侧力体系和材料问题,包括墙板、楼板等。选择和开发墙板,是钢结构住宅建筑推广中的关键问题之一。除满足外墙板的各项技术要求外,还要做到墙板原材料因地制宜、工厂化生产、运输、安装连接方便。墙体材料主要解决防渗漏、防火、防水、隔声、隔热、美化等功能。好的维护体系应该能很好的解决这些问题,还应该能够提高钢结构住宅的环保节能性能,提高钢结构住宅的综合经济效益。住宅产业化的前提是具备与产业化相配套的新技术、新材料和新体系。目前,国内市场上能够达到这些要求的维护墙板材料为数不多,比较好的豌墙板造价偏高,而价格低的预制墙板材料在保温隔热、热桥等方面又达不到要求,还有待进一步开发生产。

钢结构住宅体系要做到安全合理、节点构造方便可靠,并为构件制作、运输、吊装创造条件。建筑设备与钢结构住宅的配合,是住户首先遇到的问题,要选用和开发钢结构住宅的各项设备,把先进的技术和设备应用与钢结构住宅。

从理论上分析,钢结构住宅占有一定优势,但在实际工程中,由于经验不足、专业技术人才的缺乏,而且配套体系不完善,会使钢结构住宅的造价达到混凝土结构的1.5倍左右,使钢结构在住宅建筑方面的竞争力相对有所下降。

参考文献:

[1]阎兴华.浅析钢结构住宅体系[J].北京建筑工程学院学报,2007(2):6-10.

[2]周绪红.新型交错桁架结构的应用[J].钢结构,2009(2):49-51.