钢结构在民用住宅中的应用

摘要：民用住宅建筑的钢结构体系是一种绿色环保的新型结构体系，在我国已进入重点推广时期。本文作者结合自己的工作实践，对钢结构住宅设计作了简单的探讨，介绍了钢结构住宅的建筑设计特点及设计原则、设计中需要注意的问题等，最后具体分析了钢结构设计在卫生间、厨房及楼梯设计中的应用。

关键词：轻钢结构；纯钢结构；民用住宅

Abstract: civil residence architectural steel structure system is a kind of green environmental protection type of new structure system, in our country has entered the key popularized period. The author, based on his work practice, the steel structure housing design were simply, this paper introduces the design of the building of the steel structure housing design principle, design features and the problems to be pay attention to, the specific analysis the steel structure design in the toilet, kitchen and stair design of application.

Keywords: light steel structure; Pure steel structure; Civil residence

中图分类号：TU241.5文献标识码：A 文章编号：

1 引言

钢结构住宅建筑是住宅建筑的一个分支，是住宅建筑的重要组成部分；由于钢结构建筑具有强度高、自重轻、抗震性能好（延性好）、施工速度快、工业化程度高、质量易保证、建筑布局灵活合理等优点，使其作为一种最具备“环保、节能、工厂化”的新型结构体系，在21世纪继续得到迅速发展。

2 钢结构承重体系的分类及其类型选择

钢结构体系的种类有多种，但应用于住宅的主要形式有以下几种：（1）纯框架结构体系。纯框架结构体系是指沿纵横方向均由框架作为承重和抵抗水平抗侧力的主要构件组成的结构体系。其特点为：可以形成较大使用空间，平面布置灵活，适应多种类型的使用功能，结构各部分刚度比较均匀，构件易于标准化、定型化、装配化，构造简单，易于施工；但是抗侧移刚度小。常用于层数不超过12层的建筑。

（2）钢框架-支撑结构体系。框架-支撑体系是在框架体系中的部分框架柱之间设置竖向支撑，形成若干榀带竖向支撑的支撑框架，或在框架体系中内部设置若干榀仅承担竖向荷载的带竖向支撑的排架结构，周边则为刚接框架。这种体系具有良好的抗震性能和较大的侧向刚度，支撑结构起着剪力墙的作用，承担大部分的水平力。适用于30-40层的高层住宅结构。

（3）钢框架-剪力墙（筒体）体系。钢框架-剪力墙结构体系是指一般在钢框架内采用带竖缝的钢筋混凝土抗震墙板或内埋钢支撑的预制钢筋混凝土墙板，它可与室内横隔墙结合布置，形成房屋的主要抗侧力构件；对于中间部位房间布置为电梯间、楼梯间、卫生间等时，可以在合适房间的四周布置钢筋混凝土剪力墙而形成的钢框架-筒体结构体系；当外部的钢框架采用3-4米左右的密柱、深梁组成钢框筒时，为钢框筒-筒体结构体系。最大适用高度较高。

（4）空间错列桁架结构体系。空间错列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。是一种经济、实用、高效的新型结构体系。通常用于15-20层的住宅建筑。

3 钢结构住宅的建筑设计特点

钢结构住宅建筑是工业化的集成产品，在《钢结构住宅建筑产业化技术导则》 中明确指出：钢结构住宅建筑除应满足居住生活行为需求，在设计、制作、运输、 安装、维修和管理等环节中还应遵从协调、配合及互动的原则。钢结构住宅建筑设计应充分体现标准化、定型化、多样化及通用化的原则。钢结构住宅建筑及部品、零配件的设计应执行模数协调的原则。

4高层轻型住宅设计内容

4.1结构体系设计

钢结构体系的类型有很多种，根据组合形式不同可以分为钢框架体系、钢框架-支撑体系、钢框架-混凝土剪力墙体系、错列桁架体系、框架-核心筒体系、轻钢龙骨体系等。

本工程采用轻型钢框架-混凝土剪力墙结构体系，其中楼梯间和电梯井采用现浇混凝土剪力墙作为结构的主要抗侧力体系，框架柱采用钢管混凝土柱，根据混凝土设计规范，钢管混凝土柱的设计承载力

（1）

其中，――钢管的设计承载力；

――混凝土的设计承载力。

所以，钢管混凝土结合了钢与混凝土的优点，与钢筋混凝土相比，耗钢量基本相同或略高，但是可以节约混凝土50%以上，减轻自重50%以上，同时减小了构件的横截面面积，增加了建筑的有效面积和降低了基础造价。

钢管混凝土结构可以适用于承受轴力，也可用于小偏向受压构件，一般高层建筑都是这种受力形式，因此在高层住宅建筑中使用这种结构体系能够提高建筑的性能，但是在钢管混凝土受压过程中的受力和变形是非常复杂的，因为承受的荷载不一样，所处的受力状态不一样都会影响到钢管混凝土的极限承载力：

（2）

其中，――钢管混凝土构件的轴心压力设计值；

――钢管混凝土轴心受压构件的承载力设计值；

――钢管混凝土轴心受压短柱的承载力设计值；

――钢管混凝土的套箍指标；

、――钢管的横截面积和抗拉（抗压）强度设计值；

、――核心混凝土的横截面面积和抗压强度设计值；

――考虑受压构件长细比影响的承载力折减系数；

――考虑偏心率影响的承载力折减系数。

4.2截面设计

当结构体系选好以后，就可进行梁截面选择，根据工程中广泛使用的工字钢梁的实际情况，本工程采用双轴对称焊接工字钢梁作为梁截面，只考虑梁截面边缘纤维的屈服作为极限状态，即为弹性设计，假设荷载作用在梁上端，且在梁的纵向对称面内，不考虑荷载的偏心问题，考虑到梁对空间的限制，可以选取。

2.3.1 工字形梁截面稳定性验算

梁受到横向力作用时，发生侧向失稳的临界公式：

（3）

式中：，称为梁的计算长度，其中、为长度系数；称为临界弯矩的修正系数，称为荷载作用点位置影响系数；惯性矩，；、分别为钢材的抗拉和剪切弹性模量。

2.3.2 工字形截面刚度校核

（4）

式中：为规范规定的受弯构件的容许挠度，根据梁的不同要求，可有不同的取值，根据本工程梁的情况，选择。

通过对工字形钢的稳定性和刚度校核计算，能够对工字形梁截面进行合理的设计，确保梁的截面尺寸和有效弯矩满足设计要求。

4.3稳定性设计

4.3.1 钢结构失稳的分类

（1）平衡分支失稳：当构件受力变形后，其受力就会受到变化，当时，杆件将不发生变形；当时，构件将达到临界状态，杆件出现微小变形；当时，杆件将产生大变形，并且这种变形具有逐渐增大的趋势。完善直杆轴心受压时的弯曲和完善平板中面受压时的屈曲就属于这种情况。

（2）极值点失稳：当结构丧失稳定性后，其变形不会受到变化，但是由于结构原来的弯曲变形增大将会使结构不能正常工作，下降段必须卸载才能保证构件的正常工作，否则变形有进一步发展的趋势。上升段和下降段的分界点为临界力。对于偏心受压构件，当塑性发展到一定程度时，就会丧失稳定性，就属于这一类。

4.3.2 无缺陷轴心压杆的失稳验算

（1）弯曲屈曲常常发生在轴对称截面中：

（9）

式中：构件的有效长细比为

（2）弯扭屈曲常常在截面为单轴对称轴心受压失稳时出现，因为此时截面中心与截面剪切中心不重合，在发生弯曲变形时，就会出现扭转变形，这两种变形是同时出现的，对于两端铰支且翘曲无约束情况下，弯扭屈曲临界力满足：

（10）

式中：为截面关于剪心的回转半径；为剪心的坐标；为扭转屈曲临界力。

（3）扭转屈曲为某些抗扭刚度较差的轴心受压构件在弹性范围内时的临界力：

（11）

式中：为杆件的自由旋转刚度；为杆件截面的抗扭惯性矩；为杆件的约束扭转刚度。

结束语

目前国内的建筑业生产效率较低，尚属劳动密集型产业，而钢结构住宅属于高技术高效率的产业，加快对钢结构住宅的研究，将促进建筑业向技术密集型产业转化，并将带动建材、冶金、信息机械尤其是钢铁企业的发展。

应该看到，我国钢结构住宅正得到大力地发展，但从建筑、结构设计到制作安装，各个环节我们都与国外先进水平有很大的差距。作为设计人员，应在工作中应该脚踏实地的积极创新；专业研究人员则应对钢结构设计理论和设计方法进行深入系统的研究；技术主管要加强对从业人员的技术培训及市场的管理力度。只有这样才能使我国钢结构住宅产业化得到更加健康的发展，成为真正具有国际竞争力的产业。

参考文献

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