钢结构住宅的结构体系及设计原则

【摘　要】钢结构住宅是一种更符合“绿色生态建筑”特征的结构形式。它具有自重轻、地基费用省、占用面积小、工业化程度高、外形美观、施工周期短、抗震性能好、投资回收快、环境污染少等优势，具有较好的综合经济效益。

【关键词】钢结构住宅;绿色建筑;结构体系;经济效益

0.前言

住宅产业化是我国住宅业发展的必由之路,这将成为推动我国经济发展新的增长点。钢结构住宅体系易于实现工业化生产,标准化制作,而与之相配套的墙体材料可以采用节能、环保的新型材料,它属绿色环保性建筑,可再生重复利用,符合可持续发展的战略。若是在城市中采用钢结构住宅,因为其工厂化程度高、施工周期短的优势,将能很好地解决城市市区,尤其是中心市区人口稠密交通繁忙、施工生产不便的问题。因此钢结构住宅应该是城市住宅设计的主要方案之一,同时钢结构体系住宅成套技术的研究成果必将大大促进住宅产业化的快速发展,直接影响着我国住宅产业的发展水平和前途。

1.多高层钢结构住宅的结构体系

多高层住宅建筑的钢结构体系与传统的砖混结构体系、混凝土结构体系有很大的不同，它主要由承重钢结构体系、楼面结构体系和围护结构体系等组成。

1.1承重钢结构体系及体系的分类

(1)钢框架结构体系。其特点是受力明确，平面布置灵活，为建筑提供较大的室内空间，且结构各部分刚度比较均匀，具有较大的延性，自振周期较长，因而对地震作用不敏感，抗震性能好，结构简单，构件易于标准化、定型化，施工速度快．但框架结构属典型的柔性结构体系，其侧向刚度差，易引起非结构构件的破坏。

(2)钢框架一支撑结构体系。为了提高钢框架的侧向刚度，有效地抵抗水平荷载，减少层间位移，通常在墙体平面内布置由角钢或槽钢构成的垂直支撑体系，当房屋较高时，较纯框架经济。支撑设置的位置要合适，为了与建筑设计相协调，一般布置在窗台下至下层窗顶之间，既隐蔽又能满足支撑体系的需求。

(3)交错桁架结构体系。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。由于两开间布置一榀桁架，且中间无柱子，所以非常适合要求各单元灵活布置的住宅、旅馆建筑。

1.2范围

(1)3层及以下的低层住宅：①轻型钢框架结构体系；②冷弯薄壁型钢密排柱（轻钢龙骨，00C形或Z形檩条）结构体系。

(2)4～6层多层住宅：①钢框架结构体系；②钢框架．支撑结构体系；③钢框架一混凝土剪力墙结构体系。

(3)7~12层中高层住宅：①钢框架-支撑结构体系；②钢框架．混凝土核芯筒结构体系。

(4)13～30层高层住宅：①钢框架．支撑结构体系；②钢框架。抗剪桁架结构体系；③钢框架一混凝土核芯筒结构体系；④钢框架一带竖缝预制混凝土剪力墙结构体系；⑤钢框架一抗剪钢板剪力墙结构体系。

1.3设计原则

承重钢结构体系的结构设计宜遵循强柱弱梁、强节点弱构件的一般设计原则，在具体设计时，若较难满足强柱弱梁的设计公式，则满足轴压比要求也可。框架主梁的材料一般可选用热轧或高频焊接H型钢，次梁可以有多种作法。框|架柱子的材料一般可选用热轧或焊接工字钢、H型钢、方（箱形）钢管、圆钢管或冷弯薄壁型钢、轻型热轧型钢。为了节约钢材，降低造价，框架柱也可采用在空钢管内浇筑高强素混凝土而形成的钢管混凝土框架柱。

1.4连接形式

框架横梁与柱在强轴方向适于采用刚性连接；而在弱轴方向宜结合支撑布置采用钢管柱设计方案。钢框架梁柱节点连接的构造形式为：①螺栓连接；②焊接连接：③栓、焊混合连接。焊接节点的连接刚度大，混合节点次之，螺栓节点的连接刚度较小，但螺栓连接的安装施工速度最快，且在现场拼接和安装时，施工质量容易保证。主梁与次梁之间一般也采用铰接，在连接构造上以焊接和高强度螺栓连接为主，也可采用栓、焊混合的连接方式：梁腹板用高强度螺栓连接，翼缘用焊接，可先用螺栓安装定位，再对翼缘施焊。

1.5楼面结构体系

楼面结构由钢梁和楼面板组合而成。楼盖除了将竖向荷载直接分配给墙、柱外，更主要的作用是参与并保证和抗侧结构的空间协同作用。因此，必须保证楼盖有足够的强度、刚度和整体稳定性，同时应尽量采用技术和构造措施减轻楼板自重，并提高施工速度。作为民用住宅的楼面结构，楼板还应具有较好的隔热、隔声、保温、防水和防火性能。为了保证钢梁的整体稳定性，楼面主、次梁应采取紧凑型构造措施。

1.6护结构体系

内外墙的造价约占钢结构住宅总造价的30%，对钢结构住宅的造价影响很大，同时，为减轻结构自重，满足建筑节能要求，充分发挥钢结构住宅的优势，其围护墙体要满足自重轻、强度高、保温隔热性好、安装可靠、经久耐用、经济合理的要求，故应采用轻质材料。如外墙可采用蒸压轻质加气混凝土墙板（ALC板）、SRC复合保温墙板、钢丝网复合保温板、植物纤维强化空心墙板、玻璃纤维加强水泥墙板等工厂预制的标准化轻质墙板和玻璃幕墙等。内墙可采用轻钢龙骨石膏板、加气混凝土轻质墙板、ALC轻质砌块、轻质改性石膏砌块、夹层复合板、稻草板等。ALC板自重轻，抗震性好，安装方便，施工速度快，具有良好的保温隔热性、防水性和防火性，非常适合与钢结构配套使用，使用250mm以上厚度的ALC板作为外墙，可达到节能50%的要求，是理想的节能型墙体材料。钢丝网复合保温板或夹层复合板具有质轻、墙薄、高效施工等特点和较好的抗震、隔音等性能，可分别用于各种结构的外墙或框架结构的非承重墙。稻草板除了具有质轻、墙薄、高效施工等特点外，还具有抗震、透气性和人居亲和性好等特点，适用于多层建筑非承重的内隔墙。

2.钢结构住宅的特点和综合效益

(1)结构轻质高强，抗震性好，工程造价低。钢材的抗拉、抗剪强度相对较高。钢结构住宅可以充分发挥钢材自重轻、强度高、延性好、塑性变形能力强、抗震性能好的特点，不仅所受的重力和地震作用小，从而减小梁、柱截面尺寸，节约钢材，而且还可以降低造价和运输安装费用。

(2)外部造型美观，空间布局灵活，建筑功能增强。由于钢材轻质高强的特点，便于形成大柱距、大开间的建筑空间，灵活地分隔和布置室内的分区，更好地满足现代住宅建筑的使用功能要求，与砖混结构或混凝土结构相比，其有效使用面积可提高10～15%。建筑造型可丰富多彩，也可简洁明快。

(3)易于改造，管线布置方便。钢结构的内部分割、接高、加固等较为灵活。钢梁的腹板允许穿越小于一定直径的管线，加之结构空间的孔洞与空腔，使管线布置、更换、修理方便。

(4)符合节能环保要求。钢结构住宅建筑所用材料主要是环保型绿色可回收或易降解的材料，在建筑物需拆除时，钢材可全部回收利用，大大减少了建筑垃圾，对周围环境污染小，利国利民。

3.结束语

综上所述，钢结构住宅建筑体系不仅具有轻质高强、抗震性好而降低基础造价、抗震费用和运输安装费用的优点，而且还具有构件安装便捷、施工周期缩短、加快资金周转、提高投资效益，建筑布局灵活合理，增加有效使用面积，提高建筑使用功能，质量易保证、商品化程度高等技术和经济综合优势，钢结构住宅建筑必将具有更广阔的发展前景。房地产开发商作为国家建设发展的重要力量应当全面、综合地分析开发项目，无论对客户或是自己选择合适的钢结构体系是非常有益的。