钢结构住宅体系比较分析

摘要：随着中国钢材企业的发展，目前大力推广钢结构住宅的条件已经基本成熟。这里将介绍目前钢结构住宅的常用结构体系，探讨我国钢结构住宅的发展。最后总结各种结构体系的优缺点以及适用情况。

关键词：钢结构；住宅；结构形式。

钢结构住宅在欧美日本等经济发达国家的发展已经有几十年的历史了，凭着良好的抗震性、灵活可变的空间划分、环保等优点，迅速发展壮大。与之相对应的是国内钢结构住宅方面才刚刚起步。制约钢结构住宅发展的根本原因是生产力上的落后。1996年，我国钢产量首次突破亿吨，成为世界第一产钢大国。对用钢政策由限制用钢到合理用钢再到鼓励用钢，这为发展我国钢钢结构住宅发展创造了极好的时机。同时政府及时提出在建筑业中提倡使用钢结构，在组织上采取了一些措施，并且调整了政策，出台了一系列的积极发展的方针，也编制了一些相应的规范、规程及计算软件。钢结构住宅作为住宅产业化的发展方向之一，也进入实质性启动阶段。

钢结构住宅由于其自身的优点，在实际当中得到人们的青睐。其结构形式是有很多的，每种形式所适用的范围和情况也是不尽相同的。

1.低层（1～3层）结构体系

1.1框架结构体系

这种体系在低层钢结构住宅中得到较早的应用，它构造简单，施工速度快，技术难度小，同时由于低层住宅对水平荷载的要求不高，避开了框架结构弹性刚度差的缺点。梁与柱之间的连接采用刚接，各部分刚度分布均匀。框架体系是一种延性体系，在建筑设计和平面布置上还具有很大的灵活性。

1.2轻钢龙骨结构体系

这种体系是随着钢结构技术不断成熟而产生的，已经成为低层钢结构住宅主要的结构体系之一。从目前国外已经应用的轻钢龙骨结构体系来看，它主要可以分为：冷弯薄壁型钢格构式结构体系和热轧型钢龙骨结构体系两种。冷弯型钢截面形状合理，力学性能良好，与截面积相同的热轧型钢相比，其回转半径可增大50%～60%，截面惯性矩和截面抵抗矩可增大50%～180%。此外，冷弯型钢因材料冷加工后出现的冷弯效应现象可使其强度有所提高。目前由于我国的发展情况，别墅类建筑不是我国住宅消费的主要对象。

但是随着我国经济的高速发展，人民生活水平的不断提高，尤其是大量新型城镇的建设以及建设现代化农村的推进，冷弯型钢具有广阔的发展市场和潜力，值得我们注意。

2.多高层结构体系

2.1 纯框架结构体系

钢框架结构体系出现的比较早，是一种成熟和基本的结构体系。可分为半刚接框架和全刚接框架，半刚接框架的梁柱连接节点不承受荷载产生的端弯矩；全刚接框架的则需要考虑。由于钢框架结构的抗侧力刚度较小，所以建造高度受到限制，一般不超过12层，如果过高的话，需要加大加强结构截面和节点设计，导致不经济。

2.2 框架—支撑体系

该结构体系以楼房的框架体系为基础，沿房屋的纵、横两个方向均布置一定数量的竖向支撑所形成的结构体系称为框架—支撑体系，简称框—撑体系。由于支撑部位的不同框—撑体系又分为中心支撑和偏心支撑。中心支撑（轴交支撑）的特征是：支撑的每个节点处，各杆的轴心线交汇于一点。偏心支撑（偏交支撑）的特征是；支撑斜杆与梁、柱的轴线不是交汇于一点，而是偏离一段距离，形成一个先于支撑斜杆屈服的“消能梁段”，偏心支撑框架的每根杆件应至少有一段与框架梁连接，并在斜杆与梁交点至柱之间或至同一跨内另一斜杆与梁交点之间形成消能梁段。

2.3 框架—剪力墙体系

在框架结构中设置部分剪力墙，使框架和剪力墙两者结合起来，取长补短，共同抵抗水平荷载，就组成了框架一剪力墙结构体系。钢框架一剪力墙结构中，由于剪力墙刚度大，剪力墙将承担大部分水平力（有时甚至可达80%～90%），是抗侧力的主体，整个结构的侧向刚度大大提高，钢框架则承担竖向荷载，提供了较大的使用空间，同时也承担少部分水平力。该体系可细分为：

钢框架-混凝土剪力墙体系、钢框架-带缝混凝土剪力墙体系、钢框架-钢板剪力墙体系是以及钢框架-带缝钢板剪力墙体系。钢框架-剪力墙结构比钢框架结构的刚度和承载能力都大大提高了，在地震作用下层间变形减小，因而也就减小了非结构构件（隔墙及外墙）的损坏。这样无论在非地震区还是地震区，这种结构都可用来建造较高的高层住宅，在我国己有很多工程采用。此类结构体系适用于抗震设防烈度为8度或9度、总层数超过12层的钢结构房屋。

2.4 框架—混凝土核心筒结构

该体系是以卫生间（或楼、电梯间）组成四周封闭的现浇钢筋混凝土核心筒，与热轧H型钢框架结合成组合结构。筒体角部可配置小钢柱以增加延性并方便安装。其优点是结构受力分工明确，核心筒抗侧移刚度极强，主要承担水平荷载（占结构抗侧移总刚度的90%以上）；由于是现浇核心筒，卫生间的防水性能佳，可有效避免其他结构形式因施工不当容易渗水造成的钢构件锈蚀；可采用滑模施工，施工速度介于纯钢结构和混凝土结构之间，经济上比钢筋混凝土结构略高。国内己有较多的应用经验，如果建筑结构布置合理，结构抗震设计设防妥当，是值得推广的一种多高层住宅结构形式。

①多层（6层）钢结构住宅结构体系优选：

7度区：框架一支撑体系（型钢柱）和框架一支撑体系（钢管混凝土柱）的最终性能指标差不多，钢框架一筒体体系不理想。

8度区：框架一支撑体系（钢管混凝土柱）最优，框架一支撑体系（型钢柱）次之，钢框架一筒体体系最差。

②高层（12层）钢结构住宅结构体系优选：

7度区：框架一支撑体系（钢管混凝土柱）最优，框架一支撑体系（型钢柱）次之，钢框架一筒体体系在最后，但三种方案的差别并不大。

8度区：框架一支撑体系（钢管混凝土柱）最优，框架一支撑体系（型钢柱）次之，钢框架一筒体体系在最差。

③高层（18层）钢结构住宅结构体系优选：

7度区：钢框架一筒体体系最优，框架一支撑体系（钢管混凝土柱）次之，框架一支撑体系（型钢柱）在最差，但三种方案的差别并不明显。

8度区：框架一支撑体系（钢管混凝土柱）最优，框架一支撑体系（型钢柱）次之，钢框架一筒体体系最差，但三种方案的差别并不明显。

3.结论及建议：

①框架结构：开间大、使用灵活，受力明确，框架杆件类型少，其缺点：侧向刚度较差，层间位移较大，根据其受力特点看出该体系一般更适用于6层以下的多层建筑，不适于强震区的高层建筑；而且用于高层建筑经济性相对较差。

②框架—支撑结构：由钢桁架组成的支撑，与剪力墙相比在达到同样的刚度下其重量要小。用于高层住宅结构，经济性好。其缺点：构件节间尺寸较小，导致支撑构件及节点数量均较多。传力路线较长，抗侧效果较差。该体系比纯框架体系侧向刚度大，常用于多层及高层钢结构，应用较广；而且当房屋层数较高时，该体系要比纯框架体系经济。

③框架—剪力墙结构：这种体系总体来说受力性能良好，支撑构件相对较经济，且能与隔墙布置相结合。不足之处是现场安装比较困难，制作比较复杂。该体系同框架-支撑体系一样，常用于多层及高层结构，应用较广；而且从受力特点看出，带缝剪力墙体抗震性能较好，较适用于地震区。

④框架—筒体结构：侧向刚度大于钢框架结构，结构造价介于钢结构和钢筋混凝土结构之间。在水平地震力作用下，混凝土核心筒开裂，将导致结构刚度减小，而加大钢框架的剪力，钢框架需按双重抗侧力体系设防，另外混凝土核心筒的施工误差远大于钢结构。

参考文献

[1].冯瑞 多高层钢结构体系概述[J] 工业建筑 2007年第37卷增刊

[2].朱俊民 钢结构住宅不同结构体系的对比分析[J] 浙江建筑 2007年3月第24卷3期.