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多層輕鋼結構住宅的結構體系與設計

作者：建筑鋼結構網    
時間：2011-01-07 16:08:58 [收藏]
摘要：多層輕鋼住宅是一種新型建筑體系，也是目前國內住宅研究和開發的方向。但是它的設計方法，結構體系，結構特點，常用經濟指標不為設計者所熟悉，因此多層輕鋼...
    關鍵詞：多層輕鋼結構住宅的結構體系與設計
        摘要：多層輕鋼住宅是一種新型建筑體系，也是目前國內住宅研究和開發的方向。但是它的設計方法，結構體系，結構特點，常用經濟指標不為設計者所熟悉，因此多層輕鋼住宅示范樓的設計與施工是推廣這種新型體系的最好方式。本文結合某輕鋼住宅示范樓介紹了它的結構體系，布置特點，計算方法等。

        關鍵詞：多層民用住宅輕鋼結構

        1.輕鋼住宅在我國的發展

        我國輕型鋼結構經過20多年的發展歷史，雖然起步并不晚，主要由于經濟與技術的原因使得多層輕鋼住宅的發展受到制約。國內最早出現的輕鋼結構住宅是94年11月建于上海浦東北蔡的8層鋼結構住宅，采用冷彎成型的矩形鋼管混凝土柱和U型冷彎型鋼組合梁組成框架。其特點是采用稻草板作外墻和樓板的組件，單位面積用鋼量34kg/m2。

        天津經濟開發區太平村是我國住宅產業化的探索基地之一，來自中國，日本，美國，加拿大等15個國家和地區的95名參展商展示了各自的產品，其中鋼結構住宅均采用框架結構。樓板及墻體、屋頂均采用復合結構，工廠預制，現場安裝，縮短了施工工期。

        長沙遠大集團建造的8層鋼結構公寓，稱之為集成化建筑。該建筑裝有中央空調一體化機組，整體浴室，“五表”遠傳系統等現代化設備。室內設計考究，體現了鋼結構住宅的風格和質量，表明了鋼結構住宅的良好發展前景。表1為若干輕鋼住宅經濟技術指標。

        當前，國家將住宅產業作為國民經濟新的經濟增長點。為居民提供高質量的符合市場需求的商品化住宅成為必然趨勢。國家鼓勵發展

        表1輕鋼住宅經濟技術指標

        工程名稱馬鋼住宅試驗樓北京西三旗水電工程宿舍涿州中鐵紫荊關鋼結構公司試驗樓保定太行集團輕鋼住宅示范樓

        結構體系12層框架－支撐體系6層框剪體系6層鋼框架－砼核心筒體系空間框架結構

        結構型式熱軋H型鋼H型鋼，壓型鋼板組合樓板焊接工型梁柱H形柱，工形梁

        用鋼量(kN/m2)52634652

        單位造價(元)110011001200900

        “新型建筑體系”，已將其列入優先發展的高新技術領域中。國務院1999年頒發的72號文件

        提出要發展鋼結構住宅產業，在沿海大城市限期停止使用粘土磚。建設部標準定額研究司正在編制與修改與多層鋼結構房屋密切相關的技術規程。建設部科技司在今年上半年分別召開了“鋼結構住宅產業化技術導則編制研討會”和“鋼結構住宅建筑體系及關鍵技術研究課題立項評審會”。通過了18個包括鋼結構住宅建筑體系及其關鍵和試點工程的立項。國家政策為鋼結構住宅開發創造了條件，鋼結構產業化住宅有望在最近取得突破性進展。

        2.多層輕鋼住宅的優勢

        過去我國大量開發的是以小開間磚混結構為主的住宅。這種住宅體系由于使用實心粘土磚，浪費土地資源，建筑物自重大，對抗震不利。另一方面，由于結構體系自身的限制，住宅平面布局多為封閉式的小開間，不能適應不斷變化的居住模式的要求。與傳統住宅相比，多層輕鋼住宅具有明顯的特點與優勢，日益受到重視。

        (1)自重輕，抗震性能好。采用高效輕型薄壁型材，構件截面特性優良，相對承載力高，受力性能良好，整體剛度大，抗震性能好，可以大量節約材料，減輕結構重量，降低基礎，運輸和安裝費用。因此，對地震區，地質條件差和運輸不便的地區，其優越性更為明顯。

        (2)外形美觀，建筑造型簡潔，豐富，構件截面尺寸小，凈使用面積增加。鋼材強度高，可以提供較大的柱網布置；當考慮樓板的組合作用，使用組合梁或扁梁時，可以增加凈高。這種開放式住宅既為建筑師提供設計的回旋余地，又為住戶提供了靈活分隔室內空間的可能。

        (3)供貨迅速，安裝方便，可以比混凝土結構至少縮短一半工期。在當前貸款利率高的金融形式下，早投產，早回收投資，這對于降低工程總造價，增加投資效益幅度是十分重要的。

        (4)干法施工，裝備化程度高，建設快速，高效，質量有保證。

        (5)輕鋼結構在生產和使用的過程中能源與原材料消耗低，建筑垃圾少，粉塵少，噪音低，具有很高的可重復使用性和可循環性，因此是一種綠色環保結構。

        3.多層輕鋼住宅的體系與結構特點

        3.1抗側力結構體系

        主要應用于多層輕鋼住宅的體系可分為：純鋼框架體系，框架－支撐體系，鋼框架－混凝土剪力墻體系，周圍抗側力體系等。

        (1)純框架體系常用于4～8層住宅。它主要由寬翼緣的H型或箱形柱和工字型梁組成，亦可采用熱軋H型鋼。這種體系具有較為靈活的空間布局，但側向剛度較弱。相對于框架－支撐體系，用鋼量較大。純框架體系多采用雙向剛接，這樣可以加大結構自身的側移剛度，減少抗側移構件內力，加強耗能機制，提高建筑物的延性。但節點形式較為復雜。由于建筑美觀的要求，端板連接不宜于多層輕鋼住宅。

        (2)框架－支撐體系主要由焊接工字型梁柱組成。多數情況下，這種體系為橫向承重。梁柱節點在橫向上，為剛接；縱向為鉸接。因此，結構在縱向相當于排架，抗側移剛度很低，需設置側向支撐抵抗水平荷載，限制結構的水平變形。支撐可用槽鋼，角鋼或圓鋼桿，具體形式可結合建筑立面或門窗洞口需要采用單斜桿、X型、K型或偏心支撐。單斜桿簡單明快，但必須設置兩組不同傾斜支撐，以保證結構在兩個方向具有同樣抗側力能力。X型支撐具有很好的側向剛度，但是交叉點處的細部構造比較復雜。偏心支撐具有非常好的抗震耗能效果。它的工作原理是：在中、小地震作用下，支撐提供主要的抗側力剛度，與中心支撐相似；在大地震作用下，保證支撐不發生受壓屈曲，而讓耗能梁段屈服消耗能量。它是專為抗震設計提供的支撐形式。

        (3)框架－鋼筋混凝土剪力墻(筒)體系。用鋼筋混凝土剪力墻部分或全部代替鋼支撐，就形成了框架－鋼筋混凝土剪力墻(筒)體系。它適用于小高層住宅。一般將樓梯或電梯間設計成鋼筋混凝土墻(筒)。這樣即有效的加強了建筑物的側向剛度，又解決了樓梯間的防火問題。如果結構剛心偏移過大，出現扭轉的問題，可在適當部位設置鋼支撐。

        (4)周圍抗側力體系。這種體系在歐美國家的商業和民用建筑中十分流行。它的特點是剛架柱強軸與其相交的建筑軸線垂直，形成外筒，抵抗水平荷載，將之傳遞到基礎。它適用于建筑外型接近于正方型的結構。可以將這種思路應用到框架－支撐體系中。把縱向的支撐去掉，將原有位置的剛架柱扭轉90度，梁柱由鉸接變為剛接。這樣，剛架柱同時起到抗風柱與豎向支撐的作用。

        對于多層輕鋼民用住宅體系的選擇，不必拘泥于某一種特定的體系。可以根據建筑平面設計的要求，靈活處理，綜合使用不同的抗側力體系。

        3.2樓面屋蓋結構

        樓面和屋蓋必須有足夠的強度，剛度和穩定性，同時應當盡量減少樓板厚度，增加室內凈高。壓型鋼板－混凝土組合樓蓋是目前應用較為廣泛的形式。它具有施工速度快，平面剛度大，增加房屋凈高的優點。具體做法是在鋼梁上鋪設壓型鋼板，再現澆100～150mm混凝土。在鋼梁上焊接足夠的剪力連接件，使鋼梁與混凝土協同工作構成組合樓蓋。這種做法耗鋼量較大，且需防火處理。可以用預應力鋼筋混凝土薄板取代壓型鋼板。此外，預應力圓孔板、迭合板、組合扁梁也是常用形式。

        3.3墻體結構

        各種輕質墻體材料以其良好的保溫、隔熱、隔聲性能受到開發商的青睞。目前，墻體主要分為自承重式和非自承重式。自承重墻體主要包括用于外圍護結構的加氣混凝土塊、太空板、輕鋼龍骨加強板等，以及用于內墻的輕混凝土板、石膏板、水泥刨花板、稻草板等。外掛的非自承重式墻體材料主要有彩色壓型鋼板、彩色壓型鋼夾芯板、玻璃纖維增強外墻板等。采用非自承重式墻體材料，需設置墻梁用以懸掛外圍護結構。門窗洞口上下要布置。墻梁多采用C或Z型冷彎薄壁型鋼，尺寸取決于跨度(剛架間距)和墻距(板跨)。

        3.4多層輕鋼住宅的防火

        鋼材屬于不耐火材料，溫度為400°C時，鋼材的屈服強度將降為常溫的一半，溫度達到600°C時，鋼材基本喪失全部強度和剛度。所以，鋼結構不僅要進行結構的抗火設計，還要采用防火措施保護。目前常用的防火措施有以下四種方法(1)防火涂料法。將具有一定厚度的防火涂料直接噴在鋼結構構件上。防火涂料主要兩類：涂層8～50mm，粒狀表面，密度較小，耐火極限1～3h的為厚涂型防火隔熱材料；涂層3～7mm，遇火膨脹增厚，耐火極限0.15～2h的為薄涂型防火隔熱材料。噴涂法造價較低，操作簡便，施工速度快，但是構件表面不平整，影響美觀。(2)隔離法。將防火材料或防火磚沿構件的外圍，將構件包裹，與外界隔離。這種方法美觀，無污染，但施工速度較慢，適用于外露的構件。(3)實心包裹法。將鋼構件澆注到混凝土中。(4)膨脹漆覆蓋法。將具有一定厚度的膨脹漆噴涂、抹、刷在經過處理的構件表面。抗火極限最高達2h。覆蓋法施工容易，但不適用于潮濕的環境，僅適用于干燥的室內。

        4.工程實例

        4.1工程背景介紹

        某示范樓建筑面積4665m2，5層純鋼框架結構，長67m，寬13.5m，層高3m。焊接工字形梁，縱橫雙向剛接H形柱。樓面活荷載為2.0kN/m2，屋面活荷載0.3kN/m2，輕型屋面恒荷載0.3kN/m2；基本風壓0.25kN/m2；設計地震烈度為7度，Ⅱ類場地。屋面為冷彎薄壁C型檁條鋪雙層鍍鋅壓型鋼板夾100mm厚保溫棉屋面系統，外墻采用200mm厚陶粒混凝土空心砌體墻，分戶墻為180mm厚菱鎂土板，戶內隔墻為90mm厚菱鎂土板。條型基礎,柱與基礎為剛接。

        示范樓共有四個居住單元，兩種建筑平面布置形式，建筑面積分別為143M2，102M2。一單元為大兩室兩廳，二、三、四單元為小兩室兩廳。一單元的大客廳使用了組合扁梁，從而實現了梁與樓蓋的一體化，減少了結構層高。對于正常極限狀態下的組合扁梁，將鋼和混凝土兩種材料組成的組合梁截面換算成同一種材料的截面，再按照彈性理論計算。為了樓板的放置，扁梁的下翼緣一般較寬，需驗算施工時產生的偏心荷載。為了減少設計工作量，通常把扭矩簡化為已對大小相等、方向相反的力分別作用于扁梁的上下翼緣。詳細分析方法見文獻。

        4.2計算方法與基本要求

        對于多層輕鋼住宅，盡管采用單向板，但由于縱橫向均有墻體荷載分布，宜采用三維空間計算模型。本工程采用的是普通樓板，不考慮樓蓋對鋼架梁剛度增大的作用，忽略樓板的空間聯系作用，空間模型為純框架結構。計算分析是采用有限元分析軟件ANSYS完成。在結構計算中采用三維梁單元，質量單元計算結構自振周期以及靜力分析。

        相對于工業建筑而言，多層民用建筑的荷載工況簡單明了。主要考慮以下三種工況：

        工況一：1.2×恒載標準值＋1.4×活荷載標準值

        工況二：1.2×恒載標準值＋0.85×1.4×(風荷載＋活荷載)標準值

        工況三：1.2×重力代表值＋1.3×水平地震作用標準值

        對于多層輕鋼住宅地震荷載計算，由于樓層較低，結構布置對稱，采用底部剪力法就可滿足要求。

        多層輕鋼住宅側向位移具體要求如下:

        (1)在風荷載作用下的頂點水平位移與總高度之比不宜大于1/500。

        (2)層間相對位移與層高之比不宜大于1/400。

        (3)在常遇地震作用下，層間側移不超過樓層高度1/250。

        對于多層輕鋼住宅,還要滿足剛架柱構件穩定性與鋼框架的整體穩定性要求。

        表2兩種方案(空間模型)比較

        柱截面(mm)柱用鋼量(t)單位用量(kg/m2)縱向主自振周期(s)地震作用下縱向最大層間位移橫向主自振周期(s)地震作用下橫向最大層間位移(mm)

        方案一300x300x12x892.9151.961.6571/4261.2321/633

        方案二300x300x10x10114.5557.461.1401/7001.2311/632

        方案比較節省19%節省9.6%基本相同

        4.3計算分析

        由于活荷載與基本風壓較小，所以工況三為控制工況。計算設計時將兩種方案進行了比較，不改變剛架梁的截面形式，只對剛架柱進行改動。方案一，剛架柱為工字形；方案二，剛架柱為箱形。表2給出兩種方案空間模型的主要計算結果，可得到以下結論：

        (1)兩種方案的剛架柱在強軸方向慣性矩相同，即在橫向結構的剛度相同，因此橫向主自振周期以及地震作用下橫向最大層間位移基本一致。

        (2)本工程長寬比5，縱橫雙向剛接，因此對于方案一，當橫向側向剛度滿足要求時，縱向剛度也能達到要求。

        (3)在滿足規范要求的前提下，方案一節約鋼材用量，單位面積用鋼量減少約10%，經濟性好。因此，在設計中選擇了工字形剛架柱。表3示范樓主要構件尺寸及其用鋼量。但是由于輕鋼體系剛架柱的腹板很薄，為了防止局部失穩引起的結構失效，剛架柱宜在縱向梁柱剛接處做成局部箱形柱。

        表3示范樓主要構件尺寸及其用鋼量

        截面尺寸(mm)用鋼量(t)比例(%)

        剛架柱(GJZ)I300x300x12x892.9138.3

        剛架梁(GJL)I400x180x8x678.5238.4

        扁梁(BL)I280x140x16x10x21010.864.48

        次梁1(CL1)I300x180x8x69.143.77

        屋面梁I300x160x8x610.564.36

        其它4.04016.7

        5.結論

        從示范樓的實例可以看出，相對于傳統住宅，這種新體系傳力明了，計算簡單，具有很好的延性。并且由于組合扁梁的應用，可以實現樓蓋與鋼梁的一體化，從而降低樓層高度。綜合經濟效益優良的多層輕鋼住宅，將會有廣闊的應用前景。
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