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摘要：隨著“綠色建筑”、“可持續(xù)發(fā)展”對(duì)現(xiàn)代建筑業(yè)的要求，本文論述了鋼結(jié)構(gòu)住宅的特點(diǎn)及應(yīng)用前景，研究了鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系，分析了制約鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展的因素。...

鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的重要分支——鋼結(jié)構(gòu)住宅綜述

溫耀中  于江

(新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院830008烏魯木齊

    根據(jù)我國建筑業(yè)的的發(fā)展目標(biāo)，到2010年城鎮(zhèn)新建住宅將達(dá)到40億m2，成為一個(gè)量大面廣的產(chǎn)業(yè)。鋼結(jié)構(gòu)以其強(qiáng)度高、自重輕等一系列優(yōu)點(diǎn)，逐漸在建筑結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用。《中國建筑技術(shù)政策》(1996~201O)制定了合理利用鋼材和積極采用鋼結(jié)構(gòu)的技術(shù)政策，開創(chuàng)了鋼結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的新局面，在這種大背景和形勢下，鋼結(jié)構(gòu)住宅的開發(fā)推廣就勢在必行。

1、概述

    鋼結(jié)構(gòu)是以鋼材為材料制成的工程結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)住宅具有自重輕，抗震性能好，基礎(chǔ)造價(jià)低，施工快捷，污染少，材料可回收再利用等特點(diǎn)。當(dāng)前，歐、美、日等國正積極推動(dòng)預(yù)制裝配化鋼結(jié)構(gòu)中低層住宅。美國是最早采用鋼框架結(jié)構(gòu)建住宅的國家，而日本的鋼結(jié)構(gòu)建筑數(shù)量最多。在澳大利亞，2000年其鋼結(jié)構(gòu)住宅占到了該國住宅總量的50％。聯(lián)排式住宅是歐洲較普遍的住宅形式，由于鋼結(jié)構(gòu)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(qū)，在住宅設(shè)計(jì)時(shí)采用了鋼結(jié)構(gòu)骨架的聯(lián)排式房屋。

    改革開放之后，尤其是近十年，我國的鋼產(chǎn)量迅猛發(fā)展。l996年我國鋼產(chǎn)量首次突破億噸，截至2003年，我國已連續(xù)七年鋼產(chǎn)量世界第一。在此背景下，我國的用鋼方針從“節(jié)約用鋼”到“合理用鋼”。國務(wù)院[1999]第72號(hào)文件明確指出：“發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅，擴(kuò)大鋼結(jié)構(gòu)住宅的市場占有率，將會(huì)加快住宅產(chǎn)業(yè)化過程，對(duì)我國建筑、冶金及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重大意義。”在2001年全國鋼結(jié)構(gòu)大會(huì)上又明確提出：“要把住宅鋼結(jié)構(gòu)的推廣和研究作為行業(yè)工作的重點(diǎn)來抓。”因此，鋼結(jié)構(gòu)住宅將成為“十五”期間建筑業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)。目前，我國的建筑用鋼量占全國鋼產(chǎn)量的20％～25％，而發(fā)達(dá)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(jié)構(gòu)用鋼量只占建筑用鋼量的l0％左右。

2、鋼結(jié)構(gòu)住宅的優(yōu)勢

    全國l70多個(gè)大中城市已經(jīng)在2003年6月禁止使用實(shí)心粘土磚，實(shí)現(xiàn)“環(huán)保、節(jié)能、工廠化、產(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)代化”的“綠色建筑”目標(biāo)已成為現(xiàn)代建筑業(yè)的時(shí)代潮流，將傳統(tǒng)住宅設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合起來的鋼結(jié)構(gòu)住宅已責(zé)無旁貸地?fù)?dān)當(dāng)起了重任。我國最早的鋼結(jié)構(gòu)住宅是由上�，F(xiàn)代房地產(chǎn)公司在1994年11月建于上海北蔡的8層鋼結(jié)構(gòu)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(yuǎn)大公司建成8層H型鋼框架，壓型鋼板組合結(jié)構(gòu)，配合中央空調(diào)、整體浴室的集成住宅。全部工期僅為結(jié)構(gòu)3個(gè)月，裝修2個(gè)月。充分體現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)住宅的施工簡便、快捷，集成化高的特點(diǎn)。

    與磚混結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)相比，在住宅中應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)主要具有以下幾方面優(yōu)點(diǎn)：

    2.1輕質(zhì)高強(qiáng)，簡單實(shí)現(xiàn)大跨與復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造開放式住宅。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)(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(huì)造成“肥梁胖柱”，房高也會(huì)受到影響。而在梁高相同的情況下，鋼結(jié)構(gòu)開間可比混凝土大50％。在梁柱等強(qiáng)度條件下，可增加建筑有效使用面積5％一7％。

    活質(zhì)量的提高，可隨意拼構(gòu)所需的造型和空間。此外，工業(yè)化的高精度、高質(zhì)量、高速度又保證了建筑物的經(jīng)濟(jì)、安全性。

3、鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系

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

    3.1鋼框架結(jié)構(gòu)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(cè)力的主要構(gòu)件所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系�？蚣芸v橫向大梁與柱的連接，一般均采取剛性連接�？商峁┹^大內(nèi)部使用空間，建筑布置靈活�？蚣軛U件類型少，構(gòu)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(duì)于多層及小高層建筑，可設(shè)置雙向交叉支撐。支撐采用角鋼、圓鋼或槽鋼，可按拉桿設(shè)計(jì)。在輕鋼結(jié)構(gòu)住宅中，為了增加結(jié)構(gòu)剛度，也可設(shè)置支撐，此時(shí)可設(shè)計(jì)成跳格布置。對(duì)于高層住宅，支撐多半沿樓面中心部位服務(wù)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(gè)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(diǎn)是：整幢樓房的水平荷載是作用于結(jié)構(gòu)之上�？蚣芎椭�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(yuǎn)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�？蚣芊蛛x體在其自身水平作用下的自由側(cè)移，頂點(diǎn)側(cè)移的數(shù)值是較小的。相反，支撐的頂點(diǎn)側(cè)移是較大的。一般在均衡的底層的支撐結(jié)構(gòu)中，剪切變形最為重要，底層層間變形較大；在中高層結(jié)構(gòu)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(dǎo)地位，因此該結(jié)構(gòu)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(cè)移曲線協(xié)調(diào)一致，合成一條共同的曲線，使得支撐頂點(diǎn)與框架底部最大層間側(cè)移角減小，對(duì)于抗震是非常有利的。

    3.3框架一核心結(jié)構(gòu)體系

    在框架一抗剪結(jié)構(gòu)體系中，如將抗剪結(jié)構(gòu)設(shè)置于內(nèi)筒(電梯井、設(shè)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(jié)構(gòu)體系。

    核心筒可設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土的或鋼的，核心筒承受全部或大部水平側(cè)力及扭轉(zhuǎn)荷載。外圍結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)鉸接的框架梁、柱，也可設(shè)計(jì)成型鋼混凝土結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)體系將鋼材的強(qiáng)度高、重量輕、施工速度快和混凝土的抗壓強(qiáng)度高、防火性能好、抗側(cè)剛度大的特點(diǎn)有機(jī)地結(jié)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(tǒng)多是由鋼梁壓型板與現(xiàn)澆混凝土層構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu)，水平荷載將通過剛性樓蓋傳給核心筒。結(jié)構(gòu)的破壞主要集中于核心筒，特別是結(jié)構(gòu)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(nèi)筒平面尺寸相對(duì)較小，側(cè)向剛度有限，對(duì)抗震不利，故不宜用于強(qiáng)震地區(qū)。

    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(shí)易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，以至產(chǎn)生斜向大裂縫而產(chǎn)生破壞。為避免這種現(xiàn)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(shè)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(shí)處于彈性狀態(tài)，在強(qiáng)震時(shí)進(jìn)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(gòu)件的作用，鋼板厚度一般為8～lOmm。研究表明，當(dāng)水平剛度相同時(shí)，其耗鋼量要比純鋼方案少。

    3.5錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)體系

    該體系產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代，由美國麻省理工學(xué)院首先提出。錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)體系由房屋外側(cè)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(cuò)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?yàn)閮砷_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(chǔ)，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(gè)體系剛度很大，一般不需要增加柱子剛度以控制其側(cè)移。由于結(jié)構(gòu)體系中柱子主要承受軸力，其柱截面強(qiáng)軸可布置在縱向，所以縱向側(cè)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(jié)構(gòu)減少30％～40％。

    3.6輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系

    輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)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(hù)和分隔作用，外墻及屋面采用定刨花板，內(nèi)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(wǎng)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(jié)構(gòu)性板材及石膏板之后，形成了非常堅(jiān)固的“板肋結(jié)構(gòu)體系”，即產(chǎn)生應(yīng)力蒙皮效應(yīng)，可把建筑物自重中的集中荷載分解到最小程度，具有更強(qiáng)的抗震能力和抵抗水平荷載的能力。

    該體系優(yōu)點(diǎn)為保溫隔音性能好，室內(nèi)水電管線可全部布置在墻內(nèi)，住宅實(shí)用面積占92％以上，基礎(chǔ)處理簡單，工業(yè)化程度高，施工速度快，施工工序管理先進(jìn)。

4、目前制約我國鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展的因素

    4.1鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)為主，在鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)方面缺乏相應(yīng)的人才，而施工技術(shù)人員更缺，因此應(yīng)著手培訓(xùn)相關(guān)人員。

    4.2有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)住宅的規(guī)范不完善。雖然現(xiàn)已發(fā)行網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，壓型鋼板，高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)，門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)焊接等方面的設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、評(píng)定、加固規(guī)程20多種；鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)、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(jié)構(gòu)住宅體系的標(biāo)準(zhǔn)。

    4.3住宅配套材料及配套技術(shù)不完善。作為一個(gè)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(jié)構(gòu)的連接都需一個(gè)優(yōu)化和探索的階段。就外墻結(jié)構(gòu)而言，現(xiàn)有傳統(tǒng)的墻體做法很難滿足鋼結(jié)構(gòu)住宅的整體裝配要求。

    4.4鋼結(jié)構(gòu)住宅需尋求合理的方案解決防火問題。鋼結(jié)構(gòu)最主要的缺點(diǎn)就是耐高溫不耐火，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，防火設(shè)計(jì)更重要。防火涂料的施工費(fèi)用幾乎占鋼結(jié)構(gòu)費(fèi)用的1／4，是住宅鋼結(jié)構(gòu)造價(jià)偏高的主要原因，也是制約其發(fā)展的重要因素。

    4.5合理提高鋼結(jié)構(gòu)房屋性價(jià)比。鋼結(jié)構(gòu)房屋比傳統(tǒng)住宅具有更多優(yōu)越性，但目前造價(jià)偏高。隨著建筑用鋼的大批量生產(chǎn)和使用，設(shè)計(jì)和施工方法的完善，企業(yè)管理的加強(qiáng)，零配件和成品的改進(jìn)，勞動(dòng)生產(chǎn)力提高，鋼結(jié)構(gòu)住宅造價(jià)將會(huì)進(jìn)一步降低，最終趨于合理。

5、結(jié)束語

    現(xiàn)在，我國鋼結(jié)構(gòu)研究已進(jìn)入一個(gè)新的階段，有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)出臺(tái)，國內(nèi)鋼材產(chǎn)量充足，鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展已具備了較好的物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)。當(dāng)然，在鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展方面，還有一些技術(shù)問題有待解決。鋼結(jié)構(gòu)住宅的推廣還需要做大量的工作，要廣泛宣傳開發(fā)輕鋼住宅的益處，完善不同類型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，研制新型的輕質(zhì)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(fā)開發(fā)商在做決策時(shí)采用鋼結(jié)構(gòu)等。唯有如此才能使我國鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)真正成為綜合經(jīng)濟(jì)效益高，具有國際競爭力的新興產(chǎn)業(yè)。

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)

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