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何保康等：多層薄板輕鋼房屋體系可行性報告(結構部分)

作者：建筑鋼結構網    
時間：2009-12-22 20:26:10 [收藏]

    （西安建筑科技大學鋼結構所長/博導　教授 何保康、長安大學建筑工程學院 院長/教授 周天華）

    一、國內、外薄板輕鋼房屋體系應用狀況
    　　1. 三層以下的低層薄板輕鋼房屋住宅體系
    　　近二十余年，薄板輕鋼房屋體系（也稱為冷彎薄壁型鋼結構CFSF體系）在歐美、澳洲、日本等國家得到較廣泛應用，主要用作三層以下的別墅住宅、公寓及其他民用房屋。

    薄板輕鋼房屋體系源于傳統的木結構房屋，從住宅產業化、環保、抗震防災、加速房屋建造周期等因素考慮，國外薄板輕鋼房屋體系用于替代傳統的木結構房屋(圖1)。由于國外人少地廣，民用住宅主要為1~2層別墅房屋。因此，三層以下的薄板輕鋼房屋體系別墅住宅公寓替代木結構房屋在國外有著廣闊市場和發展前景。
    　　在美國，薄板輕鋼房屋于1993年建造了15000幢，1996年為75000幢，預計2002年房屋數量將增加5倍[1]，為加快這種房屋體系在美國的應用，由全國住宅房屋研究中心（NAHBRC）、美國鋼鐵學會（AISI）和美國城鎮住房開發部（DHUD）等機構，組織并編制了這類薄板輕鋼房屋體系（1~3層）設計、建造標準并實現了設計標準化、圖表化，在北美稱之為“慣用法”（Prescriptive Method）[2,3,4,5,6]。為加速推廣這類產業化程度較高的薄板輕鋼房屋體系住宅，1998年還成立了北美鋼構聯盟（NASFA），他們計劃將這類薄板輕鋼房屋體系爭取到2002年后占美國住宅建筑25%左右的份額[1]。
    　　在澳洲，薄板輕鋼房屋體系也有較快發展，由博思格鋼鐵（Blue Scope Steel）、悉尼大學研究和開發，澳大利亞鋼鐵協會（AISC）及澳大利亞標準委員會（ASC）分別于1991年、1993年先后二次頒布了這類薄板輕鋼房屋體系（1~2層）的設計標準AS 2623-1993[7,8,9]。此外，澳洲新西蘭海獅（Hayes）公司研制了一種專門用于軋制薄板輕鋼房屋體系構件的萬能軋機，配合這套軋機，海獅（Hayes）公司還研發了一套海獅CAD、CAM軟件。在澳大利亞有不少專門生產這類薄板輕鋼房屋體系的房屋工廠。
    　　在日本，自1996年板神大地震后，由新日鐵等幾家鋼鐵、鋼構公司研究、開發研制了薄板輕鋼房屋體系，日本鋼鐵協會薄板輕鋼委員會于2002年頒布了這類薄板輕鋼房屋體系（3層以下）的設計手冊[10]。目前日本每年建造薄板輕鋼房屋別墅、公寓等約一萬余幢。
    　　薄板輕鋼房屋體系經過十余年應用與發展，作為3層以下低層建筑，無論從結構的安全可靠性，還是制造、安裝各種工法已基本完善，各國設計建造的房屋體系也基本類同。為此，國際規范委員會（ICC）于2000年出版了這類薄板輕鋼房屋體系國際規范標準[11]。
    　　近幾年，我國在建設部大力推行鋼結構住宅政策推動下，不少房屋公司開發或引進這類1~3層薄板輕鋼房屋體系，其中上海現代房地產實業有限公司還自主開發了利用稻草板作保溫材料的稱之MB-1輕鋼龍骨體系低層裝配式房屋（見圖2）并頒布了上海市地方標準[13]；北新房屋有限公司在北京、山東等地建造了一批以新日鐵工法的薄板輕鋼房屋（見圖3）并制定了公司標準 [14]；上海美建公司、阿姆斯特公司、上海綠筑住宅系統科技有限公司等建造了一批代表北美體系的薄板輕鋼房屋住宅別墅（見圖4），上海綠住公司也制定了公司的企業驗收標準[15]。
    　　據不完全統計，我國近年已建成的這類薄板輕鋼房屋體系約有一千余幢。中國工程建設標準化協會（CECS）正組織人力編制這類薄板輕鋼房屋體系的設計標準“低層冷彎薄壁型鋼建筑技術規程”[16]。總之，我國薄板輕鋼房屋體系尚屬起步、發展階段。
    　　2006年11月26日至12月2日，由建設部住宅產業化促進中心組團去日本考察薄板輕鋼房屋體系應用狀況，此次考察所見，日本在三層以下薄板輕鋼房屋體系在結構某些部件上有些改進，如新日鐵近期開發的一種新型套管式抗拔錨栓已用于工程實踐。此外，開發研制的水泥木纖維板替代OSB板。日本除薄板輕鋼別墅外，還興建一批三層公寓和小戶型分戶住宅，結構外型平整、有利抗震（如圖5、6所示）。
    　　但是，代表團在日本未見有超過三層的多層薄板輕鋼房屋體系工程實例。因此，就目前日本三層以下的薄板輕鋼房屋體系，可否用于三層以上的多層薄板輕鋼房屋尚難下結論。




    2. 三層以上的多層薄板輕鋼房屋住宅體系
    　　多層薄板輕鋼房屋體系在各國應用的實例不多，但從一些不完整資料或介紹中見到，在北美地區已將薄板輕鋼房屋體系用于三層以上的多層房屋住宅中。
    　　2001年，美藉華人鐘志明、毛昭寧組建的千禧國際科技顧問公司、毛昭寧建筑師事務所有一份“輕鋼在中國”的介紹資料[12]，其中有一張在美國用薄板輕鋼房屋體系建成六層公寓照片（見圖7）。但末見有詳細的結構體系介紹。
    　　2004年，加拿大滑鐵盧大學徐磊教授在西安講學中介紹了加拿大、美國等地建造的一些多層輕鋼建筑實例(見圖8~11所示)。大部分為六層以下，但其中最高一幢高達9層(圖11)。在所見到的多層輕鋼建筑介紹資料中，其中不少都是由美國的一家Worthington/Dietrich公司建造的。
    　　美國土木工程學會結構雜志發表二篇報告[18,19]，介紹了北美多層薄板輕鋼房屋體系結構組成的一些概況。文獻都表述了在北美將冷彎型鋼骨架體系CFSF(Cold-Formed Steel Framing)用于3~7層多層建筑，從文獻資料介紹，北美CFSF多層房屋結構體系是多種多樣的，如樓面結構有：
    　　（1） 如三層以下輕鋼樓面類同，在C型鋼梁上鋪OSB木板(圖12)，當梁垮度較大時,還用格構式桁架梁代替C型實復式鋼梁(圖13)；
    　　（2） 采用予制空心混凝土樓板(Precast hollow-core concrete slabs)樓面(圖14)；
    　　（3） 壓型鋼板現澆混凝土樓面(圖15)等。



    CFSF多層房屋結構體系的墻體有：
    　　(1) 類同三層以下鍺體，由C型鋼立柱和結構墻面板組成，由于多層立柱承受外荷載增大，立柱截面改用彎折腹板及復雜卷邊的C型鋼(Sigma Stud)，如圖16所示。為提高立柱穩定性，在立柱二側翼緣上設置柔性扁鋼水平支撐(圖17)，有時在二立柱之間設置剛性水平型鋼支撐(圖18)。為承受較大水平風載和地震荷載，承重剪力墻體上、下二角端處設置交叉扁鋼支撐（如圖19所示），這也符合強震區對多高層房屋抗側的規范要求，經試驗證實，這種柔性扁鋼支撐具有相當的抗側能力。
    　　(2) 帶隔熱保溫層的混凝土組合墻板結構(圖20)。由此類墻體支承薄板輕鋼樓面和屋面。



    CFSF多層房屋結構體系屋面結構，基本與三層以下薄板輕鋼房屋屋面類同，只是在屋架與墻體支承處的防風吸力構造連接上有加強。
    　　在我國國內，美國Worthington/Dietrich公司于2006年在常熟也建造了一棟六層的薄板輕鋼房屋住宅試點樓（圖21），其冷彎型鋼構架采用的是北美體系，詳細情況有待進一步考察。
    　　北美建造的冷彎型鋼構架CFSF多層房屋結構體系，目前尚未查到有專門的設計標準，但有的營造公司自行編制有專有的設計程序、結構選用圖表及連接節點構造詳圖等。從總體上看，北美的冷彎型鋼構架CFSF多層房屋結構體系，其理論和實踐均不如三層以下薄板輕鋼房屋那樣成熟、完整。
    　　二．開發多層薄板輕鋼房屋體系特點及存在的問題
    　　從上節的介紹可知，北美多層薄板輕鋼房屋有多種不同的構造體系，在我國若要開發這類多層住宅房屋，首先要確定采用何種結構體系。
    　　所謂房屋的結構體系是指房屋承受外荷載的結構類型和其傳力途徑。一般房屋所承受的外荷載有二類，即垂直于地面的豎向荷載和平行于地面的水平荷載（如風載、地震作用等）。房屋結構體系根據房屋層數不同，即外載大小尤其是水平荷載大小不同，采用不同的結構體系。如常用的有剛架結構、框架支撐結構、框架?剪力墻結構及框架?筒體結構體系等等。這些不同的結構體系，最主要差別是抗側力結構不同，房屋層數越多，其作用的水平荷載越大，房屋的抗側力結構要求越高。
    　　對于多層(6層以下)薄板輕鋼房屋體系結構形式，有以下二條途徑可供選擇：
    　　(1) 采用輕型H型鋼剛架或框架支撐結構作為主結構，上述三層以下薄板輕鋼房屋中采用的冷彎薄壁型鋼構架體系僅作為填充墻體、樓面及屋面等次結構的混合輕鋼結構體系。這種結構體系可滿足房屋承受和傳遞外荷載的要求。
    　　(2) 基本采用上述三層以下薄板輕鋼房屋中采用的冷彎薄壁型鋼構架體系，在抗側體系上，借鑒北美CFSF多層房屋結構體系一些有效措施，以滿足薄板輕鋼多層房屋承受和傳遞外荷載的要求。
    　　經綜合分析比較，本報告建議采用上述第二種方案，即以冷彎薄壁型鋼構架體系的板塊多層房屋體系（簡稱：多層CFSF體系），這種體系有以下優點及問題：
    　　1、多層CFSF體系優點
    　　1） 冷彎薄壁型鋼為主要承重骨架承載力高、節約鋼材。
    　　冷彎薄壁型鋼與同樣截面積的熱軋型鋼相比，其截面力學特性指標如慣性矩、面積矩可提高50~180%，回轉半徑提高50%以上。這些力學指標表明：用冷彎薄壁型鋼作承重骨架，用較少鋼材可取得較大的承載力。圖22所示為不同結構用鋼量的近似比
    　　較，圖中輕鋼體系即為本報告所述多層CFSF體系，其用鋼最省為30~42kg/m2。


    2）.構件強度高、自重輕，截面尺寸小，有利抗震和增加房屋使用面積。
    　　冷彎薄壁型鋼結構重量是熱軋普鋼結構的1/3-1/5，是混凝土結構的1/6-1/10；輕鋼墻體重量僅是磚混墻體的1/9-1/10左右。構件自重輕便于整體運輸、安裝。構件截面尺寸小、墻體薄，有利提高房屋使用率，與一般混凝土房屋相比，增加房屋使用面積5~10%
    　　3）.構件采用鍍鋅或鍍鋁鋅薄鋼板，防銹性能好，減少結構維修護理費用。
    　　根據建筑物建造地點、環境不同，型鋼鍍鋅量要求也不同，鋅層厚度決定房屋構件使用壽命。目前，各國標準基本分三擋。
    　　(1) 構件地處潮濕環境且裸露狀態時，鍍鋅量要求275克/m2 (相當鍍鋅厚度為20微米)；
    　　(2) 承重及外墻構件，鍍鋅量要求180克/m2 (相當鍍鋅厚度為13微米)；
    　　(3) 非承重構件, 鍍鋅量要求120克/m2 (相當鍍鋅厚度為8微米)。
    　　根據英國鋼鐵公司對不同地區、環境的15棟輕鋼住宅跟蹤取樣的測試結果：輕鋼鍍鋅構件銹蝕率為三年平均不到0.1微米，也就是說，8微米厚鍍鋅冷彎薄壁型鋼構件，正常使用條件下，使用壽命可達240年。而一般住宅的設計壽命僅50年。
    　　美國國家住宅研究中心（NAHBRC）對4棟地處環境較差寒冷或炎熱近海地域輕鋼住宅跟蹤取樣測試結果表明：目前采用的輕鋼鍍鋅構件住宅，使用壽命可達100年以上。因此，采用鍍鋅或鍍鋁鋅冷彎薄壁型鋼構件作成的薄板輕鋼房屋結構體系，就防腐而言，其耐久性遠大于設計使用年限，可以認為其耐久性是可靠的。
    　　次外、薄壁型鋼構為不燃材料，也無木結構存在的蟲蛀問題。
    　　4）.工廠制造、工地拼裝，施工速度快，基本可以實現住宅房屋產業化的目標。
    　　由于構件輕，房屋的墻體、樓面(包括面板，乃至門窗，外裝飾面材、保溫材料等)基本上均可在工廠制造完成，板塊運送至工地，沒有焊接等工序，采用自攻螺釘或螺栓連接拼裝，基本上可以實現住宅房屋產業化的目標（見圖23）。房屋建造施工速度之快，是其它任何結構體系相可比擬的。


    為說明這類房屋施工速度之快，在此僅舉一例。2006年11月26日至12月2日由建設部住宅產業化促進中心組團去日本考察薄板輕鋼房屋體系應用狀況，代表團于11月28日上午到知葉縣東海市參觀正在興建二幢別墅工地(每幢約200平米)，當天約10余位工人剛從基礎上開始做一層地面和墻面(見圖24照片)，第二天29日上午再到工地時，二層別墅結構已經封頂(見圖25照片)。


    5）.鋼材回收率為100%，施工干作業，符合國家持續發展和環保、節能要求。
    　　用回收廢鋼煉鋼，耗能僅為礦石冶煉的40%；鋼結構房屋基本為干作業，節約大量施工用水，改善混凝土結構施工環境臟亂、燥音大的局面；次外，墻體構造有空腔，室內外空氣在墻體內可流動，建筑的熱工性能、房屋居住舒適度好，符合國家可持續發展和環保、節能的要求。

    　2、多層CFSF體系問題
    　　這類房屋體系的屋面、樓面結構，由低層改為用于多層使用功能并不發生改變，因此，這二部分結構在多層房屋結構體系中，基本上仍可沿用低層薄板輕鋼房屋體系的構造和作法。
    　　多層薄板輕鋼房屋CFSF體系最主要的問題是墻體結構。由圖26可見，屋面、樓面均支承在墻體結構上，它們所承受的各外荷載均要傳遞給墻體結構。因此，墻體結構除承受墻體本身的荷載外，還要承受屋面、樓面傳來的豎向荷載和平行于墻面的水平荷載。并由上至下，逐層傳遞，最終由底層墻體傳至混凝土基礎。因此，隨著房屋層數增加，墻體尤其是下部幾層墻體受力將隨之增加。以下簡要分析一下，墻體的受力和傳遞過程一。
    　　垂直荷載：主要由冷彎薄壁型鋼屋架、樓面型鋼梁傳給墻體型鋼立柱(Stud)承受并傳至 基礎。由于屋架、樓面梁和墻體型鋼立柱基本在同一軸線平面內，故墻對垂直荷載的承受和傳遞是明確的(見圖27)。且這些構件間距僅400~600mm，

    各構件所受外荷載不大，由此可見：薄板輕鋼房屋體系墻體對承受和傳遞垂直荷載而言，由3層改作5~6層是可行的。但底部三層墻體立柱應適當加大截面尺寸。
    　　水平荷載：薄板輕鋼房屋體系承受水平荷載包括：風載和地震作用荷載等。水平荷載主要由平行于荷載方向的墻體承受并傳至基礎。承受水平荷載的墻體稱之為剪力墻體(Shear Wall)。當一個水平力作用在墻體頂端時，則在墻體底部將產
    　　生一對力矩和剪力，水平力作用產生的力矩將使墻體發生傳動(如圖27所示)。為防止和承受力矩對墻體傳動作用，因此，在墻體底部二端設置抗拔錨栓(Hold Down 如圖29所示), 水平力作用產生的墻體底部剪力將使墻體發生水平移動，為此，在墻體底部設置了抗剪螺栓(如圖30所示)。

    這里要強調的是：這類薄板輕鋼房屋體系的墻體上、下是不連續的，各層樓板將墻體分成各層自身的墻體段；為了傳遞屋面、各層樓面傳來的水平荷載，并由墻體一層層傳至基礎，在各層不連續墻體之間設置了專門的附加連接件如抗拔錨栓(Hold Down )、抗剪螺栓等等，通過這些連接件使上、下不連續的墻體連接成整體，并如同傳統剪力墻的作用一樣，承受并傳遞作用于房屋的水平風荷載和地震作用，起到整體建筑抗側力體系的作用。這是這類房屋結構體系由低層改為多層后，安全可靠與否的關鍵部位。
    　　目前，薄板輕鋼房屋體系采用的墻體構造，對承受和傳遞3層以下的住宅或公寓等房屋的水平荷載而言是可行的。但對3層改作5~6層后是否可行，顯然是不足的。因此，由低層改為多層薄板輕鋼房屋體系，墻體抗側力構造必須作適當的改進和增強，以承受和傳遞由于層數增加而增大水平荷載。
    　　三、多層薄板輕鋼房屋結構體系存在問題處理設想、建議
    　　綜上所述，就目前三層以下的墻體構造、尺寸等不能滿足5~6層薄板輕鋼房屋體系主要存在以下問題：
    　　(1) 單根C型鋼墻體立柱尺寸不能滿足5~6層豎向荷載下的強度和穩定性要求；
    　　(2) 抗側力結構體系不能滿足5~6層水平荷載下墻體抗剪和抗傾覆要求。墻體設置的抗拔錨栓及抗剪螺栓尺寸、數量及構造等均有待改進。
    　　上述問題1是不難解決的，只需加大在房屋底部幾層的墻體立柱截面，例立柱可用二根或多根C型截面組成（見圖31）或設計一種新型立柱截面，如北美多層輕鋼房屋建議采用Sigma型截面立柱等（見圖16）。

    上述問題2是取決于能否用于多層薄板輕鋼房屋體系關鍵問題。首先，需改進并增強墻體抗剪、抗傾覆承載能力，如底層抗拔錨栓可改為雙錨栓構造或連接錨栓的懸壁連接件直接落地等措施(圖32所示)，以減輕立柱局部受力過大而被拉斷或壓屈破壞現象。在二層以上層間立柱設置的抗拔錨栓亦可采用新日鐵研制的帶套管的抗拔錨栓，必要時也可采用雙錨栓構造等。

    其次，可借鑒北美多層輕鋼房屋采用的在剪力墻體中設置水平及交義支撐等措施(圖17~19所示)，以增強墻體抗側能力，這種作法也相當于在多層薄板輕鋼房屋體系中作了二道抗側力“防線”，這也符合抗震規范對強震區多、高層房屋抗側要求的
    　　以上對多層薄板輕鋼房屋體系加強抗側結構建議作法，很不成熟，尚待深入研討，僅作參考。目的是想要說明：將低層薄板輕鋼房屋體系用于多層房屋體系時，加強墻體抗水平荷載的構造，還是有措施可循的。因此，研發多層薄板輕鋼房屋CFSF結構體系，從結構安全可靠角度論證是有可能的，也是可行的。
    　　為研發多層薄板輕鋼房屋結構CFSF體系，在具體作法上有如下建議：
    　　（1）在國內、外對薄板輕鋼房屋結構體系充分調研論證基礎上，建議由一家設計單位（如請北新房屋）作一幢6層住宅房屋薄板輕鋼房屋CFSF體系的試設計，抗震設防裂度可取為上海（7度）及北京（8度）二地,。通過設計，作初步經濟分析比較；
    　　（2）重點對多層薄板輕鋼房屋CFSF體系墻體抗側能力作必要的試驗研究。如墻體1:1模型抗剪承載能力試驗(見圖33所示)；若有可能，作一個單元1:1模型的多層薄板輕鋼房屋體系住宅抗震模擬試驗(見圖34所示)；
    　　（3）興建試點工程并總結推廣。

    四、結 語
    　　綜上所述，對在我國研發多層薄板輕鋼房屋CFSF體系，從房屋結構受力角度，總結如下：
    　　1. 薄板輕鋼房屋體系經過國內、外二十余年應用與發展，作為3層以下低層建筑，無論從結構的安全可靠性，還是制造、安裝的各種工法、設計標準等已基本完善并是可行的。
    　　2. 在國外，多層薄板輕鋼房屋體系，近幾年在北美己經用于工程實踐，其結構體系多種多樣，主要用于住宅、公寓、辦公樓及旅館等商用房屋，但目前尚未見到專用的設計標準或指南；因此，這類房屋體系在國外尚屬起步、開發階段。
    　　3. 在我國研發多層薄板輕鋼房屋體系，宜采用類同在我國已用于低層別墅住宅的薄板輕鋼房屋體系，即以冷彎型鋼骨架CFSF (Cold-Formed Steel Framing)的多層薄板輕鋼房屋體系，因為這類房屋體系具有工廠制造、工地拼裝，施工速度快，可實現住宅房屋產業化的目標。
    　　4. 實現以冷彎型鋼為承重骨架CFSF的多層薄板輕鋼房屋體系，其關鍵在于要提高承重抗剪墻體的抗側能力。可借鑒北美多層輕鋼房屋結構增強抗側能力的一些有效的措施和構造，如改進墻體立柱截面型式、尺寸和增設墻體水平和交叉扁鋼支撐等都是可行的。總體而言，研發多層薄板輕鋼房屋CFSF體系是可能的。
    　　5. 研發多層薄板輕鋼房屋體系必須遵循技術先進、經濟合理、安全適用的原則。因此，在對國內外信息資料、工程實踐作充分調研、論證的基礎上，對房屋結構體系作出合理選擇，并進行試設計，開展必要的1:1結構模型的試驗研究，以確保選用結構體系的安全、可靠并經濟合理。
    　　以上報告，僅從房屋的結構角度，對實現多層薄板輕鋼房屋CFSF體系的可行性提出一些初步論證，片面之處，在所難免，僅供參考。
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    （何保康西安建筑科技大學鋼結構所長/博導　教授、 周天華 長安大學建筑工程學院 院長/教授）
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