钢结构住宅结构体系选择

摘要: 论述了钢结构住宅结构体系的类别，并对钢结构住宅的结构体系、优缺点进行了分析，通过实例进行证实。

关键词: 钢结构住宅 结构体系 选择

Abstract: The category of the steel structure residential structure system is discussed, and the structure of steel structure residence system, the advantages and disadvantages are analyzed, confirmed by examples.Key words: steel structure; Structural system; selection

中图分类号：TU391 文献标识码：A

常用的钢结构住宅主体结构体系有：钢框架结构体系、钢框架-剪力墙结构体系、钢框架-核心筒结构体系、钢框架-支撑结构体系、交错桁架结构体系、轻钢结构住宅体系。

一 钢框架结构体系

1 结构体系分析

钢框架体系的主要受力构件是框架梁、框架柱，它们通过钢接共同抵抗竖向荷载和水平荷载。框架节点是结构整体性的关键部位，许多震害表明节点往往是导致结构破坏的薄弱环节，框架结构的侧向刚度小，属于柔性结构，在强震作用下，由于弹塑性变形所产生的水平位移较大，框架结构的自振周期长，自重小，地震荷载作用小，对抗震有利。但另一方面，高层框架由于侧向刚度小，在强震作用下的顶端水平位移和层间水平位移都过大，导致非结构构件如填充墙、建筑装修和设备管道等性破坏严重。在地震过程中，这些非结构性的破坏常常危及到生命财产的安全，而且震后的修复工作和投资往往也是很大的。

钢框架体系在水平荷载的作用下产生水平位移，要满足规范的要求必须增大框架的抗侧力能力，框架体系的抗侧力能力主要取决于梁、柱刚度，要提高框架体系中梁、柱刚度，只有增大梁、柱的截面面积，而梁、柱的截面过大会影响住宅的建筑布局和室内空间，因此受水平位移限制的影响钢框架体系的住宅一般都在10层以下。

2 优缺点评价

钢框架体系的优点：(1) 钢框架体系中钢材强度高，刚度大，承载同样的荷载梁柱的截面小，跨度大，增加房间的使用面积3%-8%，空间灵活性强，可以组成大开间，充分满足住户室内布局的要求；(2) 刚度均匀，整体性刚度好，抗震性能好；(3) 受力、传力体系明确，设计简单；(4) 构件规则，易与其它结构形式结合；(5) 制造安装简单，施工速度快。

钢框架体系的缺点：

(1) 纯框架结构侧向刚度差，在水平荷载作用下，层间位移较大，容易导致非结构构件破坏；(2) 节点采用刚接或者半刚接，在地震时可能会产生较大应力集中，导致结构破坏。

该结构体系一般应用于建造10层及10层以下的低层住宅，特别适用于别墅建筑。

3 应用举例

湖南长沙远大集团的轻钢框架住宅样板楼。该住宅楼共7层，采用钢框架结构体系，柱网尺寸3.6m×6.0m，楼面采用压型钢板混凝土组合楼面，厚120mm，耗钢量46kg/m2，造价约650元/m2(不含地价和装潢费用)。

二 钢框架-剪力墙结构体系

1 结构体系分析

钢框架-剪力墙结构体系应用于高层、多层的住宅中，该体系以框架为基础，沿其柱网的两个主轴方向布置一定数量的剪力墙，增强建筑的侧向刚度。常见的是把楼电梯间填充墙做成剪力墙，既满足规范要求，又满足结构抗力要求。

钢框架-剪力墙结构体系中竖向荷载由钢框架承担，水平荷载由钢框架和剪力墙共同承担，并按两类构件的层间抗侧刚度成比例分配。框架本身在水平荷载作用下呈剪切型变形，剪力墙则呈弯曲型变形，两者通过楼盖体系的协调共同抵抗水平荷载。钢框架-剪力墙结构体系的上下各层层间变形趋于均匀，减小了顶层的侧移，同时框架各层层剪力趋于均匀，各层梁柱截面尺寸也趋于均匀，便于构件的优选、设计、加工。

2 优缺点评价

钢框架-剪力墙结构体系的优点:(1) 该结构体系侧向刚度大，整体稳定性、延性好；(2) 传力路径明确，结构分析简单；(3) 耗钢量低，可向多高层发展，综合效益高；(4) 剪力墙对结构的防火、耐火性非常有利，可起到防火墙的作用。

钢框架-剪力墙结构体系缺点:

(1) 剪力墙属于刚性结构，而钢框架属于柔性结构，当遭遇罕见地震时，剪力墙与框架的连接处易产生应力集中，导致墙体破坏，结构功能丧失；(2) 现浇混凝土剪力墙施工速度慢，而且受天气的影响较大。

该结构体系一般用于建造多层、中高层钢结构住宅，7～18层较为经济。

3 应用举例

马钢光明新村H型高层住宅。该工程共18层，总高度55m，其中地面以上主体17层，层高3.0m，地下室层高4.8m。该工程采用框架—剪力墙结构体系，梁、柱采用马钢轧制的热轧H型钢，墙体材料除剪力墙外均采用轻质复合墙板—蒸压轻质加气混凝土ALC板，楼面采用现浇钢筋混凝土组合楼板。钢筋混凝土钢梁及其他承重钢构件采用30mm厚ALC板包裹。内隔墙采用50mm厚ALC板，分户墙采用双层75mm厚ALC板。该工程主体框架用钢量为38 kg/m2，造价与混凝土结构持平[35]。

三 钢框架-核心筒结构体系

1 结构体系分析

钢框架-核心筒结构体系是由框架和在靠近中心的部位由现浇的混凝土墙体或通过密排框架柱封闭围成的核心筒组成。筒体一般布置在卫生间或楼电梯间，该结构体系具有更大的抗侧强度和刚度。该结构体系中，筒体和框架铰接，核心筒则承担全部的水平荷载，结构体系的破坏属于弯剪型整体破坏，集中在混凝土核心筒，特别是混凝土筒体下部的四角和竖向刚度有突变的地方。此外，钢梁与混凝土的连接部位受力复杂，也是容易遭受破坏的地方。

2 优缺点评价

钢框架-核心筒结构体系的优点：

(1) 充分发挥了钢材的轻质高强、施工方便和混凝土的抗压高强、防火耐腐性能；(2) 受力明确，结构分析简单；(3) 框架柱一般布置在阳台或转角部位，便于住宅的布置，并且方便装修；(4) 节约钢材、降低造价、抗侧强度大；(5) 除筒体现浇外构件可以进行工厂化生产，工期可缩短 30％～40％。

钢框架-核心筒结构体系缺点：

(1) 核心筒与钢框架的刚度差别大，在强震作用下，作为第一道防线的核心筒很容易遭到破坏，而第二道防线的钢框架非常薄弱，很难抵御后面的余震；(2) 钢框架与筒体的连接复杂，施工精度要求高；(3) 核心筒一般为现浇混凝土，现场浇捣混凝土的工作量大，施工进度慢。

该结构体系一般用于建造高层、超高层钢结构住宅，12层以上较经济。

3 应用举例

光明新村1号住宅楼。该楼共18层，总高59m。该工程采用框架—混凝土筒体结构，框架柱截面形式有：H350×350×12×9mm，H300×300×10×15mm，H250×250×9×4mm，梁的截面形式有：H300×150×6×9mm，H248×124×5×8mm。组合楼板楼面厚100mm，钢筋混凝土厚250mm，内隔墙采用50mm厚ALC板，分户墙采用双层75mm厚ALC板。该工程主体框架用钢量为38 kg/m2，工期4个月，造价与混凝土结构持平。

四 钢框架-支撑结构体系

1 结构体系分析

钢框架-支撑结构体系是在部分框架柱之间设置横向或纵向的支撑，形成支撑框架，构成双重抗侧力的结构体系。该体系中的钢框架主要承受竖向荷载作用，钢支撑承担水平荷载作用，支撑框架是第一道防线，框架是第二道防线，支撑斜杆不承担竖向荷载，支撑框架中的竖向支撑产生屈曲或破坏后，不影响结构承担竖向荷载的能力，不危及结构的基本安全[36]。该结构体系适用于多高层住宅。

该体系中的钢支撑可采用角钢、槽钢、圆钢，主要目的是增加结构的抗侧刚度。支撑体系的形式有十字交叉、人字型等中心支撑，各种偏心支撑，具体支撑形式如图3-1所示：

图1 钢结构支撑示意图

支撑一般布置在分户墙、外墙、卫生间和楼梯间墙上，可以根据需要在一跨或者多跨上布置，一跨布置时，一般在中间跨布置，以保证刚度中心位置。支撑一般做成铰接，按压杆或者拉杆设计，在地震烈度较高地区的，或者风荷载较大情况下，为了保证稳定性，多按压杆设计。

支撑充分利用了杆件的轴心受力特性，使住宅全部构件实现了工厂化生产，是钢结构住宅产业化发展的重要方向。

2 优缺点评价

钢框架-支撑结构体系的优点：

(1) 支撑多为轴心受力，充分利用钢材质轻高强的性能，节约钢材；(2) 支撑可提高结构的承载能力，提高框架的整体稳定性，增大结构的侧向刚度；(3) 该结构体系采用全钢构件，便于工厂化生产；(4) 减少了现场的湿作业，降低了噪音和环境污染；(5) 全钢体系可循环利用，经济环保。

缺点：

(1) 钢支撑一般在住宅外面，影响住宅的立面美观；(2) 支撑的存在影响门窗洞口的位置布置，给住宅布局带来不便；(3) 住宅的层高低，构件节间尺寸小，导致支撑构件及节点数量较多，节点为框架梁、框架柱、钢支撑三种构件的连接，构造复杂；(4) 传力路线长，抗侧效果差；(5) 该结构体系由于支撑的不规则墙体只能采用砌筑。

该结构体系适用于建造多层、中高层、超高层钢结构住宅。

3 应用举例

樱花园4号楼。该楼共6层，建筑面积1200m2，1层为商店，层高3.9m，2～6层为住宅，层高2.8m，该工程采用钢框架一支撑结构，框架梁、柱均为Q345H型钢，楼板采用组合楼板，外墙为200mm厚的蒸压轻质加汽混凝土板，内墙采用75mm厚的蒸压轻质加气混凝土板，主体结构的用钢量为35 kg/m2，综合造价为1090元/m2，工期8个月，结构的支撑形式如图3-2、3-3所示：

图2结构的竖向支撑示意图 图3结构的支撑平面示意图

五 交错桁架结构体系

1 结构体系分析

交错桁架结构体系中的钢杆件全部受轴力作用，杆件材料的性能得到充分发挥，但交错桁架结构体系的腹杆较多，对住宅室内的布置不利。该结构体系由柱子、钢桁架和楼面板组成，柱子沿房屋周边布置，桁架在相邻柱子上下层交错布置，桁架高度等于层高，中间无柱，满足建筑上大开间的要求，便于住宅的自由布置。

该结构体系的受力特点是：竖向荷载主要由柱子承担，水平荷载通过楼面板传到相邻桁架的斜腹杆上，经斜腹杆或底层支撑传至基础。该结构体系采用小柱距和短跨楼板，楼板厚度小，结构自重轻，整体刚度大，用钢量可比框架结构减少30%～40% [24]。

2 优缺点评价

交错桁架结构体系的优点：(1) 该结构体系的桁架杆件以承受轴力为主，充分利用了钢材的轻质高强性能；(2) 桁架整体刚度大，侧向位移小；(3) 抗震性能好，结构采用小柱距和短跨楼板，楼板厚度小，自重轻，造价低；(4) 工业化程度高，全部构件在工厂加工制作，现场安装，施工周期短。

交错桁架结构体系的缺点：

(1) 该结构体系在大震作用下，结构的抗震性能差，腹杆构件提前屈曲或较早出现非弹性变形，造成承载力和刚度突然减小导致结构破坏；(2) 住宅的结构层高较低，交错桁架构件节间尺寸较小，导致构件及节点数量均较多，构造复杂，不稳定因素增加；(3) 国内外的技术和经验还不成熟。

该结构体系主要用于15～20层的高层住宅。

六 轻钢龙骨结构体系

1 结构体系分析

轻钢龙骨结构体系分为两类：一类由冷弯薄壁型钢组成的龙骨体系，它的梁柱由双C或四C槽钢组成，其他构件采用薄钢板冷弯成C型、Z型，C型、Z型构件可单独使用，也可组合使用。冷弯薄壁型钢组成的龙骨体系， 钢板厚度较薄，一般仅用1.0～2.2mm，自重约为普通钢结构的1/2～1/3，材料的屈服强度因其冷弯效应而提高，截面中受压板件的承载力高，截面积小，用钢量小。另一类由小型热轧型钢组成的龙骨结构体系，由柱、梁、地龙骨和天龙骨、腰支撑和斜支撑以及各种配套的扣件、加劲件组成，构件之间用自攻螺钉来连接，梁柱构件厚度在1～3mm之间，柱子的最大跨度可达到9m[25]。

轻钢龙骨结构体系的钢材的强度指标是30～50KSI（230～340N/mm2），应用最多的是33KSI，与我国Q235钢材的强度接近。轻钢龙骨的截面分为两类：C型槽钢以及C型立龙骨，截面宽度60～360mm。轻钢龙骨结构体系的外墙和楼板均采用防腐的高强冷轧或冷弯镀锌钢板制作，防腐性能好[22]。

该结构体系荷载的传递方式为：柱子与上下龙骨及支撑或隔板组成受力墙壁，竖向力由楼面梁传至墙壁的龙骨，再通过柱子传至基础，水平力由楼板传至承重墙再传至基础。

2 优缺点评价

轻钢龙骨结构体系的优点：(1) 自重轻，相当于砖混结构的1/4～1/6；(2) 基础设计简单；(3) 结构构件截面尺寸小，可隐藏到墙体内部，实用美观；(4) 楼板采用轻钢龙骨体系，上覆刨花板及楼面面层，下设石膏板吊顶，既方便管线的布置，又满足了隔声要求；(5) 工业化程度高，梁柱板构件均在工厂进行加工制作、现场组装，施工速度快、效率高、质量有保证；(6) 布局灵活，净实用面积大。

轻钢龙骨结构体系的缺点：(1) 构件尺寸小，结构体系的抗侧力刚度小，整体稳定性差；(2) 梁柱铰接，抗震性能差；(3) 国内冷弯型钢品种少；(4) 该结构体系成本较高。

该结构体系一般适应于2～3层的低层钢结构住宅，特别是别墅建筑。

3 应用举例

早在1986年，我国引进意大利的整体钢结构住宅就采用了冷弯C型钢。该工程主体结构为3层，建筑面积180m2，柱子采用H型钢H140×140× 7×11，主梁采用大断面冷弯型钢C280×80×30×5，次梁采用C180×80×25×5，支撑采用角钢L75×6。该工程由10人40天建成，钢骨架安装仅用3天。

七 钢结构住宅结构体系优选

对于钢结构住宅结构体系的选择, 不能限定于某一种特定的结构体系，要根据建筑级别、平面、立面、高度的要求，场地条件、抗震类别等灵活选择, 充分利用不同的抗侧力结构体系，最大限度的满足钢结构住宅在标准化的基础上实现多样化。

1 结构选择的影响因素：

场地类别，主要包括场地的地物地貌、周围环境、气象条件、水文条件、地质条件、自然灾害情况等特点；住宅建筑的级别及抗震设防等级；住宅建筑的方案特征，包括建筑的高度、高宽比、长宽比以及体型；住宅的施工质量、工期要求等；居民的经济支付能力。

2 结构体系优选

低层住宅包括别墅：一般采用轻钢龙骨结构体系或钢框架结构体系，该结构体系的构件为全钢构件，易于实现工厂化生产，现场组装速度快，钢材用量低，是我国住宅产业化的发展方向之一。

多、高层钢结构住宅：优选钢框架—支撑结构体系，该结构体系属于全钢构件体系，所有构件都可以实现工厂化生产，现场组装，避免了现场浇捣混凝土、混凝土与钢框架的公差不一致、混凝土在施工中误差大、不易达到较高精度等问题。

按住宅的层数划分，设计者在设计时根据工程的实际情况采用下列相应的结构体系，以达到技术可行、经济合理的目的：

3层及3层以下的低层住宅及别墅采用轻钢龙骨结构体系；4～6层多层住宅：钢框架体系、钢框架—支撑体系、板柱—支撑体系；7～12层中高层住宅：钢框架—支撑体系、钢框架体系、钢框架—混凝土剪力墙体系；13～30层高层住宅建筑：钢框架—支撑体系、钢框架—钢骨混凝土核心筒体系、钢框架—钢板剪力墙体系、钢框架—内藏钢板支撑混凝土剪力墙体系、预制混凝土剪力墙体系。

参考文献：

[1] 王珑，陈良．钢结构住宅结构体系概述[J].青岛理工大学学报.2007年第1期.7～9

[2] 刘晓，王兵，阎东．国外低层钢结构住宅结构体系分析[J].沈阳大学学报.2005年第2期.11～14

作者简介

韩俊强，男，1982年11月出生，2008年12月毕业于武汉理工大学结构工程专业，获全日制工学硕士学位。现为成都理工大学工程技术学院 土木工程系教师，讲师职称。从事结构计算、工程管理方面的研究。