【摘要】鋼結(jié)構(gòu)住宅具有節(jié)約能源、施工迅速、抗震性能好，符合環(huán)保及適應(yīng)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)勢。本文根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展現(xiàn)狀和前景，以多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計為主，闡述了鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計中結(jié)構(gòu)體系選型、抗震計算的基本要求、節(jié)點和支撐構(gòu)造要求、樓板、墻板以及鋼結(jié)構(gòu)防護設(shè)計等需要注意的問題。

　　【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計住宅

　　改革開放30年，我國鋼結(jié)構(gòu)制造業(yè)取得飛速發(fā)展，目前，正處于鋼結(jié)構(gòu)制造大國走向制造強國的歷史發(fā)展時期。一些鋼結(jié)構(gòu)企業(yè)把鋼結(jié)構(gòu)住宅體系設(shè)計一體化作為一項重要目標。鋼結(jié)構(gòu)住宅是以工廠化生產(chǎn)的H型鋼梁、鋼柱(包括H型鋼柱、鋼管柱、箱形柱、鋼骨混凝土柱或圓、方或矩形鋼管混凝土柱)為承重骨架，同時配以新型輕質(zhì)的保溫、隔熱、高強的墻體材料作為圍護結(jié)構(gòu)，并與功能配套的水暖電衛(wèi)設(shè)備和部品優(yōu)化集成的節(jié)能和環(huán)保型住宅。同傳統(tǒng)的磚混和混凝土結(jié)構(gòu)住宅相比，鋼結(jié)構(gòu)住宅是一種更符合“綠色生態(tài)建筑”特征的結(jié)構(gòu)形式。它具自重輕、地基費用省、占用面積小、工業(yè)化程度高、外形美觀、施工周期短、抗震性能好、投資回收快、環(huán)境污染少等優(yōu)勢，具有較好的綜合經(jīng)濟效益。我國正在加速發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)化進程，發(fā)展以標準化、系列化、通用化，以專業(yè)化、社會化生產(chǎn)和商品化供應(yīng)為基本方向的住宅產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化體制。國家建設(shè)部和中國工程建設(shè)標準化協(xié)會正在組織研制和開發(fā)多層輕鋼結(jié)構(gòu)的住宅建筑體系的結(jié)構(gòu)選型，新型圍護結(jié)構(gòu)與隔斷體系以及鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及配件，結(jié)構(gòu)體系設(shè)計與施工技術(shù)，編制相應(yīng)的設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范和規(guī)程�？梢灶A(yù)見，不遠的將來鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展和應(yīng)用會有新的飛躍。

　　一、結(jié)構(gòu)體系選型

　　對低、多層住宅，目前國內(nèi)外常用的結(jié)構(gòu)體系主要有：

　　1、冷彎薄壁型鋼體系

　　構(gòu)件用薄鋼板冷彎成C形、Z形構(gòu)件，可單獨使用，也可組合使用，桿件間連接采用自攻螺釘。這種體系節(jié)點剛性不易保證，抗側(cè)能力較差，一般只用于1～2層住宅或別墅。

　　2、框架

　　目前，這種體系在多層鋼結(jié)構(gòu)住宅中應(yīng)用最廣。縱橫向都設(shè)成鋼框架，門窗設(shè)置靈活，可提供較大的開間，便于用戶二次設(shè)計，滿足各種生活需求。鋼框架考慮樓蓋的組合作用，運用在低多層住宅中，一般都能滿足抗側(cè)要求。但是由于目前框架柱以H型鋼為主，弱軸方向梁柱連接的剛性難以保證，因此設(shè)計施工時須慎重處理。

　　3、框架支撐體系

　　在風(fēng)載或地震作用較大區(qū)域，為提高體系的抗側(cè)剛度，增加軸交支撐或偏交支撐效果很好。這種體系為多重抗側(cè)體系，而且梁柱節(jié)點，柱腳節(jié)點可設(shè)計成鉸接、半剛接，施工構(gòu)造簡單，基礎(chǔ)主要承受軸力，體形較小，因此成為人們青睞的對象。

　　4、框架剪力墻體系

　　在低多層住宅中，可以應(yīng)用傳統(tǒng)的剪力墻體系，如鋼筋混凝土剪力墻或鋼板剪力墻。目前正在研究的空腔結(jié)構(gòu)板是一種理想的抗側(cè)結(jié)構(gòu)�？涨唤Y(jié)構(gòu)板是一種新型的輕質(zhì)板材，采用黃紙制成具有眾多等邊空腔結(jié)構(gòu)的板狀基架，然后經(jīng)浸漬而成。該板材與鋼框架可靠連接，便可形成新型剪力墻。另外美國，澳大利亞等國還開發(fā)了交錯桁架體系，比較新奇。

　　二、抗震計算的基本要求

　　1.對雙重體系，框架部分獨立承擔的水平力不應(yīng)少于結(jié)構(gòu)底部剪力的25%。其目的是檢驗框架作為抗震二道防線是否滿足要求。檢驗方法是忽略支撐或剪力墻進行，僅對框架部分進行驗算。有的單元式住宅柱子很少，用隔墻支撐鋼梁，往往不滿足此項要求。

　　2.驗算是否符合強柱弱梁，這關(guān)系到結(jié)構(gòu)倒塌機制，很重要。

　　3.框架柱長細比應(yīng)符合規(guī)定。

　　4.驗算節(jié)點域的穩(wěn)定性、強度和屈服條件。

　　三、節(jié)點和支撐構(gòu)造要求

　　1.鋼結(jié)構(gòu)體系當中，節(jié)點的設(shè)計和構(gòu)件的設(shè)計具有同等的重要性，因此必須給予充分的重視。鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點設(shè)計包括梁-柱節(jié)點、梁-梁節(jié)點、柱-柱節(jié)點、柱腳節(jié)點、柱帽節(jié)點等。設(shè)計時應(yīng)確保節(jié)點的安全可靠，并盡量采用簡捷、穩(wěn)定、可靠的施工工藝，減少或避免現(xiàn)場的焊縫連接。鋼節(jié)點的形式按傳力特性大體可以分為三類：鉸節(jié)點、半剛性節(jié)點、剛性節(jié)點。剛性、鉸接節(jié)點的受力性能、施工工藝研究得比較成熟，因此在工程中取得了廣泛的應(yīng)用。采用的幾種梁-柱節(jié)點連接形式。由結(jié)構(gòu)布置分析，考慮工程實際情況，在設(shè)計時，多層房屋鋼結(jié)構(gòu)柱多采用焊接工字形或箱形截面，由于焊接工字形截面腹板比較薄，故在此弱軸方向與粱的連接多采用鉸接，而強軸方向則采用剛接形式。鉸節(jié)點形式簡單，施工方便，但它使得梁跨中彎矩加大，增加用鋼量，不經(jīng)濟;剛性節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜，但其有效的降低了跨中彎矩，節(jié)約了用鋼，有較好的經(jīng)濟效應(yīng);而半剛性節(jié)點應(yīng)用比較少，主要是其受力特性比較復(fù)雜，往往通過試驗來取得較為準確的設(shè)計數(shù)據(jù)。三種形式，哪一種更加經(jīng)濟可靠，還有待于在實際工程中比較、檢驗。

　　2.支撐分軸交支撐和近年發(fā)展起來的偏交支撐兩種，前者耐震能力較差，后者在強震作用下具有良好的吸能耗能性能，而且為門窗洞的布置提供了有利條件，目前國內(nèi)用的還很少，建議在高烈度區(qū)首選偏交支撐。剪切型耗能梁段，加勁肋按以下公式設(shè)計：

　　a=29tw-d/5，(γp=±0.09rad)(1)

　　a=38tw-d/5，(γp=±0.06rad)(2)

　　a=56tw-d/5，(γp=±0.03rad)(3)

　　式中，a――加勁肋間距，d――梁高，tw――腹板厚度，γp――塑性轉(zhuǎn)角;彎曲型耗能梁段還需在梁段端點外1.5bf處加設(shè)加勁肋。

　　四、樓蓋體系

　　多層房屋鋼結(jié)構(gòu)的樓板必須有足夠的承載力、剛度和整體性，當前較常采用的是在鋼梁上鋪設(shè)壓型鋼板，再澆注100mm左右的鋼筋混凝土板，即形成壓型鋼板組合樓板。樓蓋梁一般采用簡支等高連接，有時也可做成不等高連接，如采用壓型鋼板組合樓板時，為了便于鋪設(shè)壓型鋼板，主次梁頂面需相差壓型鋼板厚度，同時還可以增大建筑凈層高。在設(shè)計過程中，要考慮鋼梁和樓板的組合作用，這樣會顯著提高粱的承載力和整體穩(wěn)定性，并有效降低梁高，節(jié)約用鋼，降低工程造價。

　　壓型鋼板組合混凝土樓板，除了按計算(并滿足構(gòu)造要求)在鋼梁上焊接栓釘外，為了保證混凝土和壓型鋼板共同工作，它們之間應(yīng)有連接措施，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，其連接措施可以依靠壓型鋼板的縱向波槽或依靠壓型鋼板的上的壓痕、開的小洞或沖成的不閉合孔眼，也可以依靠壓型鋼板上焊接的橫向鋼筋。

　　五、墻體材料的選取

　　一般來說，為了突出鋼結(jié)構(gòu)自重輕、布置靈活、可改性好的特點，鋼結(jié)構(gòu)住宅不宜采用傳統(tǒng)的黏土磚或其它自重較大的材料。通常采用輕質(zhì)材料，比如：空心混凝土砌塊、加氣混凝土、壓型鋼板加輕質(zhì)保溫材料組成的復(fù)合墻體、OSB板等。在進行墻體的設(shè)計時，要求對連接件的強度、質(zhì)料和尺寸有準確的規(guī)定。對連接方式充分考慮墻體和主體結(jié)構(gòu)的特性，盡可能采用簡捷、快速的連接方法，以便于施工，提高作業(yè)效率。

　　六、防腐和防火要求

　　鋼結(jié)構(gòu)住宅應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的重要性、環(huán)境侵蝕條件、維護條件和使用壽命，以及施工條件和工程造價等因素。還應(yīng)按現(xiàn)行規(guī)范要求，合理選用鋼材表面原始銹蝕等級、除銹方法和等級，以及涂裝設(shè)計技術(shù)要求等。鋼結(jié)構(gòu)涂裝采用的底漆和面漆除應(yīng)相互配套外，還應(yīng)與鋼表面的除銹等級相匹配。住宅建筑中濕度較大的部位(如廚房、衛(wèi)生間等)不應(yīng)有外露鋼結(jié)構(gòu)當不可避免時，宜外包混凝土隔護。鋼結(jié)構(gòu)的防火措施主要有外包混凝土、外涂防火涂料和外包防火板三種。外包混凝土是解決鋼梁及鋼柱防火、防腐的最好措施，這種方法利于防火層的耐久性及今后的維護。但該方法會增加建筑物的總重量和施工工期;外涂防火涂料只需根據(jù)各種防火涂料的耐火性能及耐火極限要求，滿足厚度相應(yīng)的厚度，但防火涂料的耐久性遠遠低于建筑物本身，需要后期維護。防火板可以根據(jù)梁柱的不同形狀，對鋼梁進行包裹，使其達到所需的耐火極限。防火板的耐久性比防火涂料更長，后期維護也較為方便，但價格較高。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)具體情況合理選用防火措施。

　　七、結(jié)束語

　　從當前鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展情況來看，我國生產(chǎn)的鋼材品種和規(guī)格越來越多地適合于鋼結(jié)構(gòu)住宅的使用;先進防銹、防火材料及新型的耐火耐候鋼的不斷開發(fā)，從某種程度上彌補了鋼結(jié)構(gòu)的不足;新型墻體材料及其它建材的不斷開發(fā)，也促進了鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展;越來越多的工程技術(shù)人員在從事鋼結(jié)構(gòu)工程的設(shè)計，設(shè)計水平在不斷提高;通過最近幾年鋼結(jié)構(gòu)住宅工程的施工，也積累了許多寶貴的實踐經(jīng)驗;我國政府也十分重視鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展。隨著住宅產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的不斷推進，鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展前景非常廣闊。

　　本文研究僅是一個起步，我國鋼結(jié)構(gòu)住宅體系在以下幾方面還值得進一步研究開發(fā)。

　　1、對各種抗腐蝕性優(yōu)的鋼種的研究開發(fā);

　　2、半剛性連接節(jié)點受力性能分析、研究;

　　3、隔墻板材的布置、排版的系統(tǒng)化、標準化研究，統(tǒng)一標準的制定以及相關(guān)設(shè)計軟件的開發(fā);

　　4、樓面結(jié)構(gòu)整體受力性能的研究;

　　5、結(jié)構(gòu)抗震的計算與分析;

　　6、結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化設(shè)計方法、各種大型結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件的開發(fā)與研究。

　　7、鋼結(jié)構(gòu)住宅施工方法研究。

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