鋼結構應用的重要分支——鋼結構住宅綜述

溫耀中  于江

(新疆大學建筑工程學院830008烏魯木齊

    根據我國建筑業的的發展目標，到2010年城鎮新建住宅將達到40億m2，成為一個量大面廣的產業。鋼結構以其強度高、自重輕等一系列優點，逐漸在建筑結構中得到應用。《中國建筑技術政策》(1996~201O)制定了合理利用鋼材和積極采用鋼結構的技術政策，開創了鋼結構在建筑結構中應用的新局面，在這種大背景和形勢下，鋼結構住宅的開發推廣就勢在必行。

1、概述

    鋼結構是以鋼材為材料制成的工程結構。鋼結構住宅具有自重輕，抗震性能好，基礎造價低，施工快捷，污染少，材料可回收再利用等特點。當前，歐、美、日等國正積極推動預制裝配化鋼結構中低層住宅。美國是最早采用鋼框架結構建住宅的國家，而日本的鋼結構建筑數量最多。在澳大利亞，2000年其鋼結構住宅占到了該國住宅總量的50％。聯排式住宅是歐洲較普遍的住宅形式，由于鋼結構的可隨意拼接性，因此荷蘭、英國、法國、盧森堡等國的一些地區，在住宅設計時采用了鋼結構骨架的聯排式房屋。

    改革開放之后，尤其是近十年，我國的鋼產量迅猛發展。l996年我國鋼產量首次突破億噸，截至2003年，我國已連續七年鋼產量世界第一。在此背景下，我國的用鋼方針從“節約用鋼”到“合理用鋼”。國務院[1999]第72號文件明確指出：“發展鋼結構住宅，擴大鋼結構住宅的市場占有率，將會加快住宅產業化過程，對我國建筑、冶金及相關產業的發展具有重大意義。”在2001年全國鋼結構大會上又明確提出：“要把住宅鋼結構的推廣和研究作為行業工作的重點來抓。”因此，鋼結構住宅將成為“十五”期間建筑業的發展重點。目前，我國的建筑用鋼量占全國鋼產量的20％～25％，而發達國家占30％以上，美國、日本更是超過了50％。差距更大的是我國鋼結構用鋼量只占建筑用鋼量的l0％左右。

2、鋼結構住宅的優勢

    全國l70多個大中城市已經在2003年6月禁止使用實心粘土磚，實現“環保、節能、工廠化、產業化、現代化”的“綠色建筑”目標已成為現代建筑業的時代潮流，將傳統住宅設計方法與現代技術結合起來的鋼結構住宅已責無旁貸地擔當起了重任。我國最早的鋼結構住宅是由上海現代房地產公司在1994年11月建于上海北蔡的8層鋼結構住宅，采用冷彎成型矩形鋼管混凝土和U形冷彎薄壁組合梁組成框架，外墻采用稻草板。1999年長沙遠大公司建成8層H型鋼框架，壓型鋼板組合結構，配合中央空調、整體浴室的集成住宅。全部工期僅為結構3個月，裝修2個月。充分體現了鋼結構住宅的施工簡便、快捷，集成化高的特點。

    與磚混結構、混凝土結構相比，在住宅中應用鋼結構主要具有以下幾方面優點：

    2.1輕質高強，簡單實現大跨與復雜幾何結構，創造開放式住宅。傳統結構(磚混、混凝土)由于受材料限制，其開間一般在3.Om、3.3m、3.6m、4.2m。如果需要更大開間，則會造成“肥梁胖柱”，房高也會受到影響。而在梁高相同的情況下，鋼結構開間可比混凝土大50％。在梁柱等強度條件下，可增加建筑有效使用面積5％一7％。

    活質量的提高，可隨意拼構所需的造型和空間。此外，工業化的高精度、高質量、高速度又保證了建筑物的經濟、安全性。

3、鋼結構住宅結構體系

    鋼結構住宅結構體系大致可分為以下幾種形式：1)鋼框架結構體系，2)鋼框架支撐體系，3)框架一核心結構體系，4)框架一剪力墻體系，5)錯列桁架結構體系，6)輕鋼龍骨結構體系。

    3.1鋼框架結構體系

    框架體系是指沿房屋的縱向和橫向，均采用框架作為承重和抵抗側力的主要構件所構成的結構體系。框架縱橫向大梁與柱的連接，一般均采取剛性連接。可提供較大內部使用空間，建筑布置靈活。框架桿件類型少，構造簡單，施工周期短，一般用于6層以下多層建筑。

    3.2鋼框架支撐體系

    對于多層及小高層建筑，可設置雙向交叉支撐。支撐采用角鋼、圓鋼或槽鋼，可按拉桿設計。在輕鋼結構住宅中，為了增加結構剛度，也可設置支撐，此時可設計成跳格布置。對于高層住宅，支撐多半沿樓面中心部位服務面積的周圍布置。沿縱向布置的支撐和沿橫向布置的支撐相連接，形成一個支撐芯筒。常用支撐形式有軸交支撐，跨層支撐，偏交支撐。

    該體系特點是：整幢樓房的水平荷載是作用于結構之上。框架和支撐作為體系中的分離體所受到水平荷載大小是按兩者抗推剛度的大小比例分配的。由于支撐的抗推剛度遠大于框架，所以框架的抗推剛度小，因此其所受的水平荷載也小。框架分離體在其自身水平作用下的自由側移，頂點側移的數值是較小的。相反，支撐的頂點側移是較大的。一般在均衡的底層的支撐結構中，剪切變形最為重要，底層層間變形較大；在中高層結構中，柱子較大的軸向力和變形以及二者沿高度的大量積累使彎曲變形占主導地位，因此該結構的頂端或接近頂端的層間位移最大。此外，由于各層樓蓋的作用，將框架與支撐二者的側移曲線協調一致，合成一條共同的曲線，使得支撐頂點與框架底部最大層間側移角減小，對于抗震是非常有利的。

    3.3框架一核心結構體系

    在框架一抗剪結構體系中，如將抗剪結構設置于內筒(電梯井、設備管道井等)的四周形成封閉的核心筒體，則稱為框架一核心結構體系。

    核心筒可設計為鋼筋混凝土的或鋼的，核心筒承受全部或大部水平側力及扭轉荷載。外圍結構可設計鉸接的框架梁、柱，也可設計成型鋼混凝土結構。這種結構體系將鋼材的強度高、重量輕、施工速度快和混凝土的抗壓強度高、防火性能好、抗側剛度大的特點有機地結合起來。由于鋼框架僅承受垂直荷載，框架用鋼量很低，一般僅為50～70kg／m2。樓蓋系統多是由鋼梁壓型板與現澆混凝土層構成的組合結構，水平荷載將通過剛性樓蓋傳給核心筒。結構的破壞主要集中于核心筒，特別是結構下部簡體四角，此外鋼梁與混凝土墻交界處也易遭受破壞。由于內筒平面尺寸相對較小，側向剛度有限，對抗震不利，故不宜用于強震地區。

    3.4框架一剪力墻體系

    剪力墻可分為鋼筋混凝土剪力墻、鋼筋混凝土帶縫剪力墻及鋼板剪力墻等。鋼筋混凝土剪力墻剛度較大，地震時易產生應力集中現象，以至產生斜向大裂縫而產生破壞。為避免這種現象，可采用帶縫剪力墻，及在鋼筋混凝土墻板中按一定間距設置豎縫，在豎縫中放人兩塊重疊的石棉纖維板做隔板，既不妨礙豎縫處的剪切變形，還可以起防火隔音作用。該墻體平時處于彈性狀態，在強震時進入塑性階段，能吸收大量地震能量。鋼板剪力墻由鋼框架和鋼板墻組合而成。起到剛性構件的作用，鋼板厚度一般為8～lOmm。研究表明，當水平剛度相同時，其耗鋼量要比純鋼方案少。

    3.5錯列桁架結構體系

    該體系產生于20世紀60年代，由美國麻省理工學院首先提出。錯列桁架結構體系由房屋外側柱子與跨度等于房屋寬度的桁架組成。桁架與樓屋等高，在相鄰柱上為上下層交錯布置。樓板一端擱置在桁架的上弦，另一端擱置在相鄰桁架下弦。因為兩開間布置一榀桁架，且中間無柱子，所以建筑單元的布置非常靈活。

    該體系的水平力由桁架斜腹桿傳給基礎，樓層間的柱子主要承受軸力，其所受剪力，彎矩很小。由于桁架有整層樓高，所以整個體系剛度很大，一般不需要增加柱子剛度以控制其側移。由于結構體系中柱子主要承受軸力，其柱截面強軸可布置在縱向，所以縱向側移剛度較大。在這種體系中可獲得較大空間，用鋼量較框架結構減少30％～40％。

    3.6輕鋼龍骨結構體系

    輕鋼龍骨結構體系主要用于中低層住宅和別墅。輕鋼龍骨截面主要分兩大類，即C型槽鋼及C型主龍骨。槽鋼及主龍骨寬度可分為60mm一360mm不等。作為承重龍骨，鍍鋅鋼板厚度一般采用1.0—1.2mm。該體系中板材起著重要維護和分隔作用，外墻及屋面采用定刨花板，內墻板材采用防火石膏板，保溫隔熱材料以玻纖綿為主。梁，柱截面組合靈活，最大跨度梁可做到9m。鋼龍骨之間的連接采用自攻自鉆螺釘。

    該體系承重墻的龍骨間距一般400mm左右。墻體龍骨厚度lOOmm～150mm，樓面龍骨高一般采用300mm高。這樣墻體和樓面空間可為管網的布置提供便利條件。間距基本上為400mm間距密度的龍骨在封完結構性板材及石膏板之后，形成了非常堅固的“板肋結構體系”，即產生應力蒙皮效應，可把建筑物自重中的集中荷載分解到最小程度，具有更強的抗震能力和抵抗水平荷載的能力。

    該體系優點為保溫隔音性能好，室內水電管線可全部布置在墻內，住宅實用面積占92％以上，基礎處理簡單，工業化程度高，施工速度快，施工工序管理先進。

4、目前制約我國鋼結構住宅發展的因素

    4.1鋼結構住宅的設計人員缺少。由于我國多年以來住宅一直以鋼筋混凝土與砌體結構為主，在鋼結構住宅設計方面缺乏相應的人才，而施工技術人員更缺，因此應著手培訓相關人員。

    4.2有關鋼結構住宅的規范不完善。雖然現已發行網架結構，壓型鋼板，高層民用建筑鋼結構，門式剛架輕型房屋鋼結構，鋼結構焊接等方面的設計、施工、驗收、評定、加固規程20多種；鋼結構在設計、施工、材料等方面手冊l0余本，但目前尚無專門涉及各種不同鋼結構住宅體系的標準。

    4.3住宅配套材料及配套技術不完善。作為一個住宅建筑體系，涉及到的配套材料上百種，各種配套材料的使用功能及與主體鋼結構的連接都需一個優化和探索的階段。就外墻結構而言，現有傳統的墻體做法很難滿足鋼結構住宅的整體裝配要求。

    4.4鋼結構住宅需尋求合理的方案解決防火問題。鋼結構最主要的缺點就是耐高溫不耐火，與傳統結構相比，防火設計更重要。防火涂料的施工費用幾乎占鋼結構費用的1／4，是住宅鋼結構造價偏高的主要原因，也是制約其發展的重要因素。

    4.5合理提高鋼結構房屋性價比。鋼結構房屋比傳統住宅具有更多優越性，但目前造價偏高。隨著建筑用鋼的大批量生產和使用，設計和施工方法的完善，企業管理的加強，零配件和成品的改進，勞動生產力提高，鋼結構住宅造價將會進一步降低，最終趨于合理。

5、結束語

    現在，我國鋼結構研究已進入一個新的階段，有關規范和標準已經出臺，國內鋼材產量充足，鋼結構住宅的發展已具備了較好的物質和技術基礎。當然，在鋼結構住宅發展方面，還有一些技術問題有待解決。鋼結構住宅的推廣還需要做大量的工作，要廣泛宣傳開發輕鋼住宅的益處，完善不同類型結構設計規范和施工技術標準，研制新型的輕質保溫墻體材料以及與之配套的輔助材料，做好示范工程，尋求國際間的廣泛合作，激發開發商在做決策時采用鋼結構等。唯有如此才能使我國鋼結構住宅產業真正成為綜合經濟效益高，具有國際競爭力的新興產業。

參考文獻：

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5.尹志明，李筱華．《輕鋼結構住宅體系淺析[J]》．建筑結構2002(2)

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)