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钢结构住宅发展现状的评述
作者:周建龙
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钢结构工程, ...
提要:钢结构住宅是十五期间我国将要重点推广的项目,其具有强度高、结构尺寸小、自重轻、施工速度快、抗震性能好及工业化程度高的特点。本文对国内外主要的钢结构住宅结构形式进行了回顾和总结,对各种结构体系进行了评述,并对钢结构住宅设计中存在的主要问题提出了建议。
关键词:钢结构住宅 结构体系

一 概述

改革开放以来,我国的钢产量有了很大的提高,特别是从1997年以后,我国的钢产量连续四年超过亿吨,但我国的钢结构用钢量占总钢产量的比例仅为2%,而在钢结构用钢量中,建筑钢结构用钢量又仅占10%,这与我国作为产钢大国的地位是很不相称的,为此,国家外经贸委会同冶金部制定了在建筑工程中推广使用钢结构的一系列政策措施,争取在“十五”期间建筑钢结构的用量达到总钢产量的3%,至2010年建筑钢结构的用量达到总钢产量的6%,而建设部将钢结构住宅体系的开发和应用作为我国建筑业用钢的突破点,并且制定了《钢结构住宅建筑体系产业化技术导则》和《钢框架核心筒住宅建筑体系技术导则》。钢结构住宅具有强度高、自重轻、抗震性能好、施工速度快、结构构件尺寸小、工业化程度高的特点,同时钢结构又是可重复利用的绿色环保材料,因此钢结构住宅是符合国家产业政策的推广项目。随着国家禁用实心粘土砖和限制使用空心粘土砖的政策的推出,加快住宅产业化进程、积极推广钢结构住宅体系已迫在眉睫。但我国的钢结构住宅尚处于探索起步阶段,这种体系在钢结构防火、梁柱节点做法、楼板形式、配套墙体材料、经济性及市场可接受程度上尚有许多不完善之处。从前几年开始,全国陆续出现了一批钢结构住宅试点项目,如山东莱钢的樱花园住宅小区、天津的钢框架—剪力墙高层住宅、北京赛博思金属结构有限公司的钢框架核心筒多层住宅、上海冶金设计院设计的陆海城、中福城项目、马鞍山钢铁股份有限公司设计的18层示范实验住宅楼等。我院的钢结构住宅设计刚刚起步,为使大家对钢结构住宅有一全面了解,为今后的设计积累必要的技术资料,现对国内钢结构住宅体系作一介绍。

二.结构体系

钢结构住宅结构体系大致可分为以下几种形式:

1. 钢框架与混凝土筒体(墙体)的混合结构体系
2. 钢框架加支撑的结构体系
3. 钢框架与预制混凝土墙体的框剪结构体系
4. 纯钢框架结构体系
5. 错列桁架结构体系
6. 轻钢龙骨结构体系

1) 钢框架与混凝土筒体(墙体)的混合结构体系的特点

钢—混凝土混合结构的平面布置一般为楼电梯或卫生间采用钢筋混凝土,形成主要的抗侧力结构,而外周的框架则采用钢框架,这种结构体系将钢材的强度高、重量轻、施工速度快和混凝土的抗压强度高、防火性能好、抗侧刚度大的特点有机地结合起来,外周梁柱连接一般采用刚性连接,而楼面钢梁与混凝土墙则采用铰结,由于混凝土承担了绝大部分的水平力,故而混合结构的位移控制指标可参照钢筋混凝土结构采用,但框架部分承担的地震剪力不得小于结构底部剪力的20%和楼层最大剪力的1.8倍二者的较小值,在大多数情况下,后者往往起控制作用,这种体系的住宅平面上应限制无剪力墙部分框架的长度,否则楼面无限刚的假定将很难满足。这种的受力特点为结构整体破坏属于弯剪型,结构破坏主要集中于混凝土芯筒,特别是结构下部的混凝土筒体四角,对这些部位应予加强,保证筒体的延性,此外钢梁与混凝土墙体的连接部位受力复杂,也是最易遭受破坏的地方,该节点应保证能承受钢梁可能出现的轴向力。

这种体系的不足之处为芯筒为混凝土,重量减少不是很多,现场浇捣混凝土的工作量仍然较大。从建筑平面布置的角度来看,柱子一般布置在阳台或转角部位,以利于住户的装修处理。

2)钢框架支撑体系

对于多层及小高层建筑,可在建筑的外墙,结合门窗位置布置双向交叉支撑,支撑可采用角钢、槽钢或圆钢,可按拉杆设计,而且在轻钢住宅结构中,支撑也不一定必须从下到上同一位置设置,也可跳格布置,其目的主要是为了增加结构的刚度,对于外墙开有门窗时,也可在窗台高度范围内布置,形成类似周边带状桁架的结构形式,对结构整体刚度进行加强。

对高层住宅,可选择山墙和内墙布置中心支撑或偏心支撑,值得注意的是,当采用单斜柱体系时,应设置不同倾斜方向的两组单斜杆,以抵抗双向地震作用,在节点方面,若支撑足以承受建筑物的全部侧向力作用,则梁柱可做成铰接,如支撑不足以承受建筑物的全部侧向力作用,则梁柱可部分或全部做成刚接。

在高烈度地区,如果柱子比较细长,则大多采用偏心框架体系,这种体系的特点是,在小震或中等烈度地震作用下刚度足以承受侧向水平力,在强震作用下又具有很好的延性和耗能能力。支撑框架在水平力作用下,类似于竖向悬臂桁架,柱子像弦杆一样承担外部荷载产生的弯矩,斜支撑和梁如同腹杆承受水平力,腹杆承担水平剪力,弦杆的轴向变形对框架侧向变形的影响使结构产生“弯曲”的形状,而腹杆的变形对框架侧向变形的影响使结构产生“剪切”的形状,最终形成的侧向变形形状是弯、剪两种曲线效果的组合,弯、剪效果的相对大小,主要取决于耗能支撑的刚度,一般在均衡的低层支撑结构中 ,剪切变形最为重要 ,有时它基本决定了结构的侧向变形 ,因此这种结构的底层层间变形较大;在中高层结构中,柱子中较大的轴向力和变形以及二者沿高度的大量积累使弯曲变形占主导地位,在高宽比大于 8的单对角支撑区格中,全部水平位移的 6 0 %~ 70 %通常是弯曲变形引起的,因此这种结构的顶端或接近顶端的层间变形最大,据此认为,对于剪切型的低层结构,应注意在结构的底部设置耗能支撑;对于弯曲型的中高层结构 ,不能忽视在结构的顶部设置耗能支撑,支撑布置时,不得采用支撑点在柱中的K形支撑,同时对支撑构件应控制其轴压比,7度时一般不得大与 120√235/fy 。

如果作为住宅结构层高较低,构件节间尺寸较小,导致支撑构件及节点数量均较多,而且传力路线较长,抗侧效果差,支撑结构体系也可考虑采用跨层支撑。

3.钢框架—预制混凝土墙体

这种体系一般预制混凝土墙体中均埋有钢板支撑,它只有在支撑点处于钢框架相连,而且混凝土墙板与框架梁柱留有空隙,从受力上来说,它仍是一种支撑。但其特点是内藏钢板按强度控制设置,不考虑屈曲。

对混凝土墙体应双面配筋,且双面钢筋应互相拉结,在钢支撑端部范围内,应设置加强构造钢筋,如采用梅花形钢筋、螺旋形钢筋、钢箍等。这种体系受力性能良好,支撑构件相对较经济,且能与隔墙布置相结合。但现场安装比较困难,制作比较复杂。

4.钢框架结构体系

这种体系受力明确,使用灵活,制作安装简单,施工速度较快,但为抵抗侧向力所需梁柱截面较大,一般可用于6层以下的多层建筑,且一般情况下,梁柱节点应采用刚接。这种体系用于高层建筑经济性较差。

5.错列桁架结构体系

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错列桁架结构体系产生于20世纪60年代,由美国麻省理工学院首先提出,并成功用于多个公寓及旅馆建筑中。该体系是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,所以非常适合住宅、旅馆建筑各单元的灵活布置要求。这种体系的受力特点为:水平力主要通过楼板传至相邻桁架的斜腹杆,如此水平荷载最终通过落地桁架的斜腹杆或底层支撑传至基础,楼层间的柱子主要承受轴力,其所受的剪力和弯矩很小。由于桁架有整层高,所以整个体系刚度较大,一般不需要增加柱子刚度以控制位移,由于错列桁架结构体系中柱子主要承受轴力,其柱截面强轴可布置在纵向,故其纵向侧移刚度亦较大,这种体系的用钢量可较框架结构减少30~40%,因此该体系是一种经济、实用、高效的新型结构体系,目前湖南大学正对该体系作系统研究。

6.轻钢龙骨结构体系

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轻钢龙骨结构体系主要用于中低层住宅或别墅,大致可分为两类,一类为以冷弯C型钢组成的龙骨体系,另一类以小型热轧型钢组成的龙骨结构体系。轻钢龙骨体系一般由柱、梁、天龙骨、地龙骨及中间腰支撑通过配套扣件和加劲件用自攻螺钉连接而成,梁柱构件厚度在1~3mm之间,柱子间距约为400~600mm。

其主要受力机理为:柱子与上下龙骨及支撑或隔板组成受力墙壁,竖向力由楼面梁传至墙壁的天龙骨,再通过柱子传至基础;水平力由作为隔板的楼板传至受力墙壁再传至基础。由于在传力过程中,墙面板承受了一定的剪力,并提供了必要的刚度,故墙面板应满足一定的要求。楼板可采用楼面轻钢龙骨体系,上覆刨花板及楼面面层,下部设置石膏板吊顶,既可便于管线的穿行,又满足了隔声要求。该体系的优点为组成体系的构件尺寸较小,可将结构构件隐藏在墙体内部,有利于建筑布置和室内美观,且保温性能良好,梁柱均为铰接,省却现场焊接及高强螺栓的费用,而且受力墙体也可在工厂整体拼装,加快了施工进度。其缺点为梁柱铰接不适合于强震区的高层建筑,国内该体系尚缺乏工程经验,冷弯型钢品种较少。

三.柱子形式

用于钢结构住宅柱子的形式有以下几种:①圆钢管混凝土、②方钢管混凝土、③方钢管、④热轧H型钢。

1. 圆钢管混凝土:圆钢管混凝土有受力性能好、柱子截面尺寸小、耐火性能好且便于加工的优点,对于圆钢管混凝土我们一般不控制其轴压比,而控制其长细比,以使钢管混凝土柱具有必要的延性,要求延性大于5时一般控制其长细比L/D小于8.25即可达到要求,对于层高小于2.9米的住宅,如果梁高取为400,钢管取为300,则L/D=8.3,延性要求可以满足。如果住宅层高大于2.9米,建议钢管直径取为350。

2. 方钢管混凝土: 方钢管混凝土有便于梁柱连接、耐火性能好的优点,虽然受力性能较圆钢管略差,但其受力性能及刚度仍较H型钢柱为佳。

对方钢管混凝土而言,构件的延性与轴压比、长细比、含钢率、钢材屈服强度及混凝土抗压强度有关。

对方钢管混凝土,一般应控制其轴压比,如长细比λ=30,含钢率α=0.2,Q345钢材Fy=345Mpa,容许轴压比[n]=0.889,这种情况可保证柱子的延性系数大于6.0。

而方钢管混凝土柱的轴压比n=N/(φASCfScy) 对于一般住宅结构中

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B=0.1381(fy/235+0.7646)
C=-0.0727(fck/20)+0.0216

ASC—钢管混凝土截面面积

对C40以上混凝土,轴压比应适当加严
如400X400方钢管混凝土,壁厚t=20mm能够满足延性要求。

3. 方钢管:方钢管的主要优点是便于梁柱连接,双向受力性能较好,抗扭能力强;其缺点为抗火及加工比较麻烦,柱连接节点困难,如果没有现成尺寸的钢管,焊接工作量较大。

4. 热轧H型钢: 其主要优点是材料供应比较充分,加工制作方便,连接简单,特别上海大通钢结构有限公司开发的高频焊接H型钢加工制造简单、用料较省,经济性较好;但型钢弱轴方向刚度较差,如果要满足强柱弱梁的要求时,柱子尺寸要增大许多。

三.墙体材料

为体现高层钢结构住宅的优越性,减轻结构自重,外墙体一般采用轻质复合墙板,与梁柱的连接方式,主要采用外挂式,对于6层以下的多层住宅,也可采用内嵌式加气混凝土砌块。外墙墙体材料的品种主要有:伊通轻质加气混凝土板材、蒸压轻质加气混凝土(ALC)板、GRC夹心复合板、钢丝网水泥夹心板等。内墙材料一般可采用加气混凝土砌块,也可采用纸面石膏板、纤维石膏板、玻璃纤维增强水泥板、纸面稻草板等。下面主要介绍ALC板加气混凝土板的一些物理性能及施工要求:

1. ALC板:

计算容重650kg/M2
隔热保温导热系数0.11W/M.K 厚度125的板材相当于370厚的砖墙的保温性能,用150厚的ALC板能够满足上海地区保温节能的要求。
耐火性能 150厚的板材耐火极限大于4小时。
隔音性能 150厚的板材隔声指数大于46.4dB, 满足45 dB的规范要求。
抗震性能 层间位移角1/20时,板材无脱落。
施工要求 外墙施工时,板缝之间须用合适的密封材料嵌缝,外再涂以合成树脂乳胶密封液一层,外面刷水泥浆一道,内掺水重5%~10%107胶,最外面采用涂料及合适的饰面。

当ALC板用作外墙时,一般采用二层一块板,长度为5600~6000,实际选用时应根据建筑物所在地区的风载选用合适的型号,至于内外墙开设的门窗洞口,均采用角钢过梁,同时门窗洞口两侧也采用100cm的角钢加强。此外ALC板也可用于轻质屋面,且该板易于切割。

四.楼板体系

钢结构住宅中,楼板体系一般有以下几种:压型钢板混凝土组合楼板、预制混凝土叠合板、现浇钢筋混凝土楼板。

(1)压型钢板混凝土组合楼板: 由于要满足楼板1.5小时的防火要求,其上须浇80厚的混凝土,采用蝶型压型钢板楼板总厚度将达130~150mm,且用于居住建筑时,室内需另加吊顶,如采用劲扣式的压型钢板楼板厚度可减为110mm,对钢结构住宅可采用bardeck的BD-40型劲扣式压型钢板,其肋高仅为40mm,且内口封闭,不需要再做吊顶,仅需在缝隙处加贴绷带即可。由于组合楼板担负着传递水平力的作用,故而钢梁与压型钢板连接处应设置必要的栓钉,设计时考虑钢梁与楼板的组合作用,可显著提高梁的承载力及稳定性,有效降低梁高。一般组合楼板下部不需另加钢筋,但对于有动力荷载及比较潮湿的区域,楼板下部仍需配置必要的构造钢筋。但组合楼板应满足计权标准化撞击声压级小于75dB的要求。在国外楼板的隔声要求在住宅的设计中已显得日益重要。

(2)混凝土叠合板:混凝土叠合板就是将现浇结构根据使用要求和制造时的受力特点改为预制的单个构件和现浇部分,其中预制的单个构件在工厂制造,然后将其运至现场装配,再在其上浇捣现浇混凝土,从而形成叠合装配整体结构,这种结构的主要优点是;机械化程度高、工期短、可采用预应力技术及高强度钢材、预制部分体积小、重量轻、运输吊装方便;但预制部分的混凝土与现浇混凝土存在龄期上的差别,两者之间存在收缩应力,且板缝之间易于出现裂缝。

(3)现浇楼板采用工具式支撑楼板,其优点是整体性好、装修方便,但模板较费,钢筋与钢梁的连接和构造比较复杂,且施工周期较长,同时为保证混凝土楼板与钢梁的共同作用,钢梁翼缘也必须设置必要的栓钉。

五.梁柱节点及柱脚节点

在钢框架—混凝土筒体或钢框架—抗侧支撑体系中,梁柱节点均可采用铰接、刚接或半刚接,对于多层钢结构住宅,钢柱大多采用高频焊接H型钢,由于H型截面腹板比较薄,故在弱轴方向与梁连接多采用铰接,在强轴方向与梁连接采用刚接,有时还可采用半刚接,但其受力特性比较复杂,此外多层钢结构构件相对较薄,应尽量避免工地现场焊接,加快施工进度。楼面钢梁与混凝土筒体的连接可采用铰接。在高层钢结构住宅中,为保证混凝土筒体开裂后,钢框架仍有足够的承载力,一般外围的钢框架采用刚接,而楼面梁与混凝土筒体则采用铰接。结构布置时,一般将主轴设置在钢框架平面内。梁柱采用刚接时,应满足强柱弱梁的要求,大开间住宅要满足此条件,柱子尺寸会比较大,因此在可能的条件下,外围柱子应尽可能采用小开间,从现有的工程情况来看,结构布置时,除将楼电梯间设成筒体外,还可将卫生间布置成混凝土筒体。至于钢柱脚的连接方式也可采用铰接或刚接,对多层和小高层及地下室层数较多时可采用铰接,但应考虑柱脚在地下部分的防腐,而对高层住宅,柱脚宜采用刚接。《钢框架核芯筒住宅建筑体系技术导则》中推荐了以下几种连接方式,实际也有不少工程采用以下的连接方法。图五为钢管混凝土的连接节点做法。

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图一 梁柱的横向连接(强轴) 图二 梁柱的纵向连接(弱轴)

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图三 钢梁与剪力墙的连接 图四 钢柱柱脚

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图五 钢管混凝土连接节点

3) 墙与钢梁及钢柱的连接节点

对于6层以下的多层住宅,外墙可采用粉煤灰加气混凝土砌块或混凝土小型空心砌块。由于柱子截面尺寸较小,一般可采用混凝土砌块外包柱子的方式,要完全包裹住钢柱,砌块墙的厚度不宜太小,一般不小于240,混凝土砌块外包柱子部位还应涂以防火涂料,最外面再辅以钢板网抹灰。内墙采用砌块时,砌块可在各层楼板上砌筑,梁腹板两侧用混凝土砌块填充,外面覆以钢板网抹灰或外贴防火板。

高层及小高层住宅多采用条形挂板或整开间外挂大板,但必须注意接缝设计和有安装调节措施。对于高度不太高的建筑( 18米以下)可通过钢梁与板构件上的预埋件焊接加以解决,对于高度大于18米的建筑,除应在接缝处板预埋件与钢梁焊接外,板中还应设勾头螺栓与钢梁拉接。墙与钢梁及钢柱的连接节点可参照下图六~图十。

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图六 独立钢柱防火 图七 分户墙外端柱节点

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图八 外墙与钢柱连接图九 楼层节点

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图十 框架与外挂板的连接

六.钢结构防火

根据《高层民用建筑设计防火规范》的规定,19层以上的住宅防火等级为一级,构件的耐火时间要求为 柱:3小时 、梁:2小时、楼板:1.5小时; 19层以下的住宅防火等级为二级,构件的耐火时间要求为 柱:2.5小时 、梁:1.5小时、楼板:1.0小时。对防火涂料而言,一般薄型防火涂料的耐火时间不超过1.5小时,超过1.5小时应采用厚型防火涂料。
钢构件的防火可采用外包混凝土(或砌筑砖块法)、防火涂料、防火板包覆和复合结构几种方式,防火板又可分为防火厚板和薄板,防火厚板厚度为20~50mm,主要有硅酸钙防火板和膨胀蛭石防火板,主要品种有KB板、GF板;防火薄板厚度在6~15mm之间,主要品种有短纤维增强水泥压力板、纤维增强的普通硅酸钙板及玻璃布增强无机板。

对型钢柱子,因柱子的防火要求较高,一般采用外包混凝土(或砌筑砖块法)、厚型防火涂料、防火厚板和复合结构几种方式,±0.000以下应采用外包混凝土的方式,当采用防火厚板包覆时,大多数情况下4~5cm的板厚可满足3小时的要求,当采用复合结构防火时,钢梁钢柱经厚型防火涂料涂覆后用防火薄板作为装饰面板。防火板用于钢柱钢梁节点可参照图11~图14。

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钢管混凝土的耐火性能较型钢柱有很大改善,且钢管直径越大,耐火时间越长,反之直径越小,达到相同耐火时间所需防火涂料厚度愈厚,根据深圳赛格广场的试验及工程实践,直径500的钢管混凝土防火涂料厚度为15mm即可满足3小时的耐火时间,而对直径300mm的钢管混凝土柱,防火涂料厚度则需25mm。

钢梁的防火可采用H型钢翼缘内填充加气混凝土砌块,再用金属网抹25厚蛭石混凝土包覆,也可采用防火板或防火涂料,考虑住宅的特殊性,一般配合装修采用防火板包覆。

随着我国钢铁企业冶炼技术的提高,为适应市场的需求,宝钢、武钢等钢铁企业开发成功了耐火耐候钢,它是通过合适的技术,使钢材含有特定的成分(如加钼等),使钢材的表观结构及金相组织发生变化,从而使钢材本身生成所需的耐火性和耐候性。耐候钢的耐候性为普通钢的2~8倍,耐火性可使钢材在600度时屈服强度下降不大于1/3,使用耐候钢可减少涂料1/3,省去防锈漆,节约综合成本30%,但其价格仅比普通钢材增加10%,因此耐火耐候钢具有广阔的发展前景。

七.钢结构住宅的经济性

钢结构住宅的经济性是阻碍钢结构住宅发展的最大障碍,根据我们国家现有的钢结构发展水平,钢结构住宅的土建造价要比钢筋混凝土住宅高10%~20%左右,但钢结构住宅较混凝土结构在基础造价上可节约30%,且钢结构住宅的得房率较混凝土住宅高7%~10%,此外钢结构住宅的施工工期也可减少约30%,考虑以上综合因素,钢结构住宅的造价大致可与混凝土住宅持平,特别是随着房屋层数的增加,钢结构住宅更能体现其优越性,对于北方地区,钢结构住宅更能节约节能费用8%,所以钢结构住宅在经济性方面仍具有一定的竞争力,关键是开发商应考虑施工工期减少、面积增加、及银行贷款利息减少等综合因素来衡量钢结构住宅的经济性。根据现有的工程经验,一般9~14层的钢结构住宅的土建造价大约在1100~1300元/M2 左右,型钢用钢量大致在40~50kg/ M2左右,我们对东方城市花园工程17号楼(12层)采用钢结构和混凝土结构进行了经济比较,具体数据见下表一:

表一东方城市花园采用不同结构方案经济比较
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(end)
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