钢结构住宅体系综述

钢结构住宅体系综述（共8篇）

钢结构住宅体系综述 篇1

随着国民经济的发展、城市的扩张和人口的增加,我国住宅建筑不仅建设量快速增加,其形式和功能也不断变化,住宅楼板的形式和结构也多种多样。

住宅建筑楼板的主要功能是分割楼层,划分垂直空间,为使用者提供一个居住、活动、工作和休息的平台。住宅楼板不仅应具有基本的结构强度以满足支撑使用荷载以及足够的刚度来防止颤动,并且要满足隔声、隔热和防火等功能的要求。

楼板结构体系直接承受作用于其上的各种荷载,并将其传递到梁、柱等主要承重结构构件。楼板在自身平面内要有足够的水平刚度和整体性。楼板还要与竖向构件可靠连接,保证竖向构件的稳定并传递水平力。

1 主要钢筋混凝土楼板形式和技术特点

1.1 现浇钢筋混凝土楼板

现浇钢筋混凝土楼板是目前应用最广泛的楼板结构形式,其最大的特点是整体性好、水平刚度大。按结构形式可分为单向肋板、双向肋板、井式楼板、密肋楼板和无梁楼板等。

现浇钢筋混凝土楼板的性能特点如下:1)现浇结构刚度大,整体性好,与相邻楼板及下部支撑结构连接可靠,抗震抗冲击性能好;通常以热轧钢筋配筋,结构延性好。2)楼板的平面形状、尺寸、跨度及荷载都可以根据需要选择和调整,更容易满足使用功能的要求。3)施工技术比较成熟,施工单位多。模板、商品混凝土和泵送技术的发展,使现浇楼板成本降低。

现浇钢筋混凝土楼板有以下几个缺点:1)现浇混凝土楼板自重大,因此相应的梁、柱截面需要增加,降低建筑整体的可利用空间比率。2)现浇混凝土楼板施工工艺复杂,工期长;大量的现场湿作业容易造成噪声及环境污染。3)现浇混凝土楼板的收缩、温差、沉降等裂缝比较难控制。

1.2 预制钢筋混凝土楼板

预制装配式钢筋混凝土楼板在多层砌体房屋中有着广泛的应用。其应用较早,种类较多,常见的有肋形板、槽形板、Π形板、实心板、空心板、夹心板等,其中空心板应用最广。

预制装配式楼板具有以下特点:1)材料消耗少,节约钢筋。2)工厂预制,现场施工快,工期短。3)楼板质量稳定,尺寸准确,节约模板。

预制钢筋混凝土楼板有以下几个缺点:1)各预制板之间以及板端与支撑结构之间缺乏有效的连接,整体性能差,楼板平面刚度小,抗震性能不佳。2)跨度较小,一般不超过5 m,所能承受荷载较低,为5 kN/m2左右,只能适应一般住宅荷载的要求。3)结构形式要求建筑平面比较规整,不适用于建筑平面复杂的情况,且楼板开洞受到很大的局限。4)冷加工钢筋强度低(650 N/mm2),伸长率小,易脆断。冷拔钢筋表面光滑,锚固性能差,预应力传递长度大,当工艺操作不良时易发生滑丝失锚破坏。5)构件按简支单向板设计和受力,板侧拼接处容易发生“错台”和纵向裂缝,不仅影响美观,还可能引起渗漏等问题。

1.3 现浇无粘结(或有粘结)预应力楼板

现浇预应力混凝土楼板比较多的应用于超高层和大开间的建筑中。按照预应力筋和混凝土之间的结合方式不同,分为有粘结和无粘结两种形式。目前预应力钢材主要有高强度钢丝(碳素钢丝、刻痕钢丝)、钢绞线和热处理钢筋,其抗拉强度可达到1 800 N/mm2～2 000 N/mm2。为保证延性,按规范要求还必须配置相当数量的非预应力筋,混凝土强度等级一般为C30。预应力楼板的跨度为6 m～12 m,所能承受荷载为10 kN/m2,板厚为200 mm～250 mm。现浇预应力楼板有以下特点:

1)结构强度大,承载能力高,建筑空间跨度大,延性较好,整体性能强,抗裂及裂缝控制性能好,在自重和准永久荷载作用下挠度很小,几乎不存在裂缝。2)在高层和大跨度的建筑中较其他楼板方案可以有效降低层高和结构自重,便于灵活分隔,可改善室内视觉效果和使用功能。3)施工工艺复杂耗时,技术难度大,须有配套的现场预应力施工设备、技术和管理。4)预应力钢丝及预应力锚具费用较高,楼板本身造价高。技术难度大、配套设备要求比较高,建造成本比较大。

2 其他形式的住宅楼板及其形式特点

2.1 钢骨轻质混凝土新型楼板

该结构形式是钢结构住宅体系配套的楼板、墙板构件,综合考虑了轻质混凝土与钢材两种材料的材料特性而提出的一种新型楼板形式。其主要材料为轻质混凝土及冷弯型钢。轻质混凝土用轻粗骨料、轻细骨料或普通砂和水泥配制。钢骨轻质混凝土楼板利用冷弯型钢做成骨架,用轻质混凝土填充。

钢骨轻质混凝土楼板在工厂预制,可通过合理的形式与墙板中的钢骨架或者钢结构框架连接,实现现场钢与钢的连接。在多层住宅结构中可以充分发挥优势。它具有以下优点:

1)可提供较大的开间,承受较大荷载。2)该楼板全部由工厂预制,利用现场的施工构造措施,可实现对裂缝的严格控制。3)构件在构件厂中批量生产,成本低、质量高;现场湿作业量小,施工时间短。4)结构自重轻,有利于结构造价的降低;同时结构自重减小也提高了其抗震性能。5)楼板与墙板、钢结构框架实现了现场钢与钢的直接连接,结构整体性能好。

2.2 现浇空心楼板

现浇空心楼板是以“芯管”埋入楼板混凝土中,成为永久性的芯模而构成的一种现浇混凝土空心板。芯管材料一般是薄壁钢板、纸管、硬塑管、高强复合薄壁管等。芯管上下及肋间布置钢筋,然后浇筑混凝土而成。现浇空心楼板有以下特点:1)该楼板实现了大跨度不设梁,从而降低了层高,节约能耗。2)自重轻,施工速度快。3)能充分发挥材料的受力性能,抗震性能良好。

3楼板体系方案选择的原则

楼板方案的选择需要多方面的因素综合考虑,受到的制约也比较多。方案选择的一个基本原则是在满足建筑功能要求和保证结构安全可靠的前提下,追求设计方案的经济性和易实施性。衡量楼板体系的经济性,要看整个建筑物的综合经济指标和使用功能带来的附加效益。

4楼板体系的发展方向

4.1大跨、重载

随着人们对居住品质和住宅的个性化要求越来越高,住宅户型呈现出多样化的趋势。大开间户型能够满足户型内部的灵活分隔和业主二次设计。

4.2工业化生产

大规模工厂化生产是产业化的主要特征,建筑业的产业化趋势是经济、技术发展的产物。通过产业化可以扩大规模,提高质量,降低成本,实现效益。

4.3新材料、新技术

新材料、新技术的应用给楼板的发展提供了更大的空间,使楼板具有更优良的性能,促进了楼板方案的多样化。

总之,应该结合现有的施工技术水平和经济、资源条件,在满足建筑功能和结构安全的基础上,追求经济、快捷的结构方式。同时也应该注重建筑节能与环境保护,并且参考新的太阳能建筑理论。住宅楼板体系的发展应当做到功能与形式、结构与形式、技术与经济的协调统一。

参考文献

[1]赵建国,侯兆欣.住宅楼板体系方案综述[J].施工技术,2003,32(10):12-13.

[2]徐有邻,李晓明.关于我国住宅楼盖结构形式的讨论[J].建筑结构,2001(4):24-26.

[3]阎春林.我国户型发展变化趋势[J].住宅科技,2001(3):31-32.

[4]常婷,金凌志,田爱菊.某住宅楼现浇楼板开裂原因分析及处理[J].山西建筑,2007,33(30):91-92.

[5]莫胜秋,姚海平.无粘接预应力楼盖施工技术[J].建筑技术开发,2001(10):16-18.

异形柱结构体系综述 篇2

【摘 要】异形柱的出现极大的丰富了建筑布局的灵活性，其独有的柱截面形式多样、柱肢厚度与墙体等厚、室内没有柱楞突出等诸多优点，使得它很快被应用于实际工程。但其“先天”带来的承载力与抗震性能差使其在推广使用中具有很大的局限性。本文介绍了混凝土异形柱的发展和研究现状，浅析了目前研究中存在的一些问题，同时提出了今后研究方向并展望了应用前景。

【关键词】钢筋混凝土；异形柱；抗震性能

前言

近年来，随着国民经济的发展和人们生活水平的不断提高，商品化住宅产业已经成为房地产业不可或缺的一个重要组成部分，拥有一幢满意的住宅俨然已经成为了我国老百姓消费的第一大支出，同时人们对房屋的安全、舒适、布局等方面也有了更高的要求。所以，探索适应我国经济发展的住宅体系就变成了研究人员亟待解决的问题。我国上世纪曾一度使用多层砖混结构，然而由于其自重大、承载力低以及污染环境等缺点已经被基本淘汰。紧接着，多高层结构由于其更高的土地利用率、自重轻、抗震性能好等诸多优点成为了主流结构，在实际工程中很快被推广应用。

但是，框架或框架—剪力墙结构体系层数较多，为了满足结构的承载力和延性要求，传统矩形柱的截面尺寸不得不大于墙体厚度，使得柱子产生柱楞外凸，直接影响居室的使用面积并且影响家具家具布置。基于此，柱肢宽度与墙同厚的 L 形、T形及十字形等异形柱应运而生。使用的灵活性和建筑的美观性被异形柱有机地结合起来，为用户提供舒适的居住环境，完美解决了柱楞外凸的问题。

1.异形柱研究现状

早在20世界80年代中期，国外学者就发现了异形柱有着极大的应用前景并且对其进行了研究，但由于是开拓性探索，研究条件与思路都有一定的局限，当时的仅研究了异形柱构件单向和双向压弯受力性能。之后，国内学者紧跟国际发展潮流，引进并发展了异形柱结构，并对新型的异形柱形式展开了研究工作。目前国内外异形柱结构主要有钢筋混凝土异形柱、钢骨混凝土异形柱、钢异形柱与钢管混凝土异形柱。

1.1钢筋混凝土异形柱

这是最早形式的异形柱，如前文所述，国外学者早在20世纪80年代就开始了对钢筋混凝土异形柱的轴心受压性能和偏心受压性能的研究，并且提出了计算钢筋混凝土异形柱承载力的方法 [1]。在上世纪末，国内研究人员在国外研究结果的基础上，对钢筋混凝土异形柱进行了进一步的研究，提出了用于钢筋混凝土异形柱的抗震性能、节点承载力、截面承载力的设计方法 [2]。

1.2钢骨混凝土异形柱

由于在研究中发现了钢筋混凝土异形柱存在很大缺陷，所以研究人员尝试在钢筋混凝土异形柱内部设置型钢来增强其抗震性能，即钢骨混凝土异形柱。通过在各单肢型钢之间连接水平和斜向杆，然后浇筑混凝土，包裹型钢骨架，称为桁架式型钢混凝土异形柱 [3]。实验表明，在内部设置桁架体系虽然一定程度上提高了抗震性能，但依然没有解决钢筋混凝土异形柱与钢骨混凝土异形柱抗裂性能较弱的问题。

1.3 钢异形柱

钢异形柱是将若干（通常是1-2个）T形截面连接在一个H型钢截面上，从而组成十字形、 T形、L形柱[4] 。钢异形柱的出现很大程度上拓宽了异形柱的发展前景，它的翼缘宽度设置十分灵活，可以随着建筑墙体厚度的改变而改变，柱的翼缘与框架梁采用刚接的形式，进一步提高了结构的稳定性。钢异形柱因其使用灵活、便于施工等优点，广受研究与施工人员推崇，但其梁柱节点与形心偏离时，受力方向有很大的随机性，目前也并没有统一的计算标准，致使计算复杂且给后期分析带来不小的难度。并且为了防止局部失稳，必须提高用钢量，导致建设成本有较大提高，并不经济。

1.4钢管混凝土异形柱

钢管混凝土异形柱是通过在异形钢管柱中浇筑混凝土形成的。我们在施工中经常使用添加加劲肋等方法来提高砼与钢管的契合度，从而提高工作质量。试验结果表明[5] ，与钢筋混凝土异形柱相比，钢管混凝土异形柱明显具有更高的承载能力。但是在钢管内部放置加劲肋的工序太过繁琐复杂，给实际施工带来很大的不便，所以并不适合推广应用，假设使用螺栓机械咬合，那么螺母与螺帽在一定程度上也会妨碍墙体的立面效果。

2. 异形柱框架结构研究存在的问题

异形柱框架结构研究目前存在以下几点问题：

2.1异形柱结构的计算通常使用的方法为有限元分析法，该方法虽然有广泛的适用性，但不够系统，理论也不够完善。

2.2 由于异形柱框架结构是由钢管、钢筋、混凝土等许多不同材料及不同构件构成，且构成方式各有异同，所以其传导力的方式以和整体的受力性能并不能用“1+1=2”的思路来解决，而是要从整体来研究，但目前的研究更多的是局限在了局部性能和单个构件。

2.3 目前国内各研究机构及院校，对异形柱框架结构整体抗震性能方面的研究大多仅仅是停留在多层结构，对高层结构的研究鲜有涉足，并且得出的结果通常都是定性分析，并没能进一步得出更深入的结论，没有统一的计算方法，无法形成标准和行业规范。

3.结束语

虽然由于异形柱截面本身的承载力较低，抗震性能较差，导致钢筋、钢管混凝土异形柱结构存在某些“先天不足”，但所谓“瑕不掩瑜”，异形柱的优越性也是被广泛认同的，相信随着众多科研人员的不断探索，异形柱的缺点会被逐渐弥补，从而达到地震区的抗震设防要求，在建设21世纪新型住宅工程中发挥重要的作用。

参考文献：

[1] DEMAGH K， CHABIL H， HAMZAOUI L. Analysis of reinforced concrete columns subjected to biaxial loads [C]//Proceedings of the International Conference on Concrete for Transportation Infrasturcture. Dundee，2005：433-440.

[2] 赵艳静. 钢筋混凝土异形柱结构体系理论与实验研究[D]. 天津：天津大学，2004.

[3] 陈宗平，薛建阳，赵鸿铁.低周反复荷载作用下型钢混凝土异形柱的抗剪承载力分析[J].土木工程学报，2007，40（7）：30-36.

[4] 王明贵，张莉若，谭世友.钢异形柱弯扭相关屈曲研究[J].钢结构，2006，21（4），35-37.

浅述钢结构住宅结构体系 篇3

1) 钢框架与砼筒体 (墙体) 的混合结构体系;2) 钢框架加支撑的结构体系;3) 钢框架与预制砼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。

1.1 钢框架与砼筒体 (墙体) 的混合结构体系

钢———砼混合结构的平面布置一般为楼电梯或卫生间采用钢筋砼, 形成主要的抗侧力结构, 而外周的框架则采用钢框架。此结构体系将钢的强度高、重量轻、施工快和砼的抗压强度高、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, 而楼面钢梁与砼墙则采用铰结。

1.2 钢框架支撑体系

对多层及小高层建筑, 可以建筑的外墙, 结合门窗位置布置双向交叉支撑, 支撑采用角钢、槽钢或圆钢, 可按拉杆设计, 而且在轻钢结构中, 支撑也未必自下而上同位置设置, 也可跳格布置, 其目的主要是增加结构刚度。当外墙开有门窗时, 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, 当采用单斜杆体系时, 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, 则梁柱可部分或全部做成刚接。

1.3 钢框架———预制砼墙体

该体系一般在预制砼墙体中均埋有钢板支撑, 只在支撑点处与钢框架相连, 且砼墙板与框架梁柱留有空隙。从受力上讲, 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。

对砼墙体应双面配筋, 且应布置拉结筋, 在钢支撑端部范围内, 应设置构造加强筋, 如采用梅花筋、螺旋筋、钢箍等。这种体系受力性能好, 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。

1.4 钢框架结构体系

该体系受力明确, 它的延性好, 抗震性能也是最好的。其使用灵活, 制作安装简单, 施工较快, 但为抵抗侧向力所需梁柱截面较大, 一般多用于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, 但用在双向开间较多的多层建筑, 用钢量并不多。在日本60米以下的钢结构大多采用此结构体系。

1.5 错列桁架结构体系

该体系产生于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。

1.6 轻钢龙骨结构体系

该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。

2 柱形式

柱形式一般有:圆钢管砼;方钢管砼;方钢管;热轧H型钢;钢骨砼。

圆钢管砼:其主要优点是受力性能好、小柱截面、耐火性能好、易加工。对于该柱一般不控制其轴压比, 而控制其长细比, 以使柱具有必要的延性, 要求延性系数大于5.0时一般控制其长细比L/D小于8.25即可。如层高小于2.9米, 梁高取400, 钢管取300, 则L/D=8.3, 延性可满足。若层高大于2.9米, 建议钢管直径取为350。

方钢管砼:其主要优点是便于梁柱连接、耐火性能好, 虽受力性能较圆钢管略差, 但受力性能及刚度仍较H型钢柱为佳。该柱的延性与轴压比、长细比、含钢率、钢材屈服强度及砼抗压强度有关。

对该柱, 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, 则可保证柱子的延性系数大于6.0。对C40以上砼, 轴压比应适当加严。

在钢管砼中, 若采用高强钢管砼, 可节省钢、砼用量50%以上, 并大幅减轻结构自重;若采用耐火耐候钢, 防火涂料可省一半以上;若有多层地下室, 地下部分还可采用逆作法施工, 省去大开挖所需可观的岩土工程费用, 更重要的是还可缩短施工工期3～9个月, 综合经济效益巨大。

方钢管:其主要优点是便于梁柱连接, 双向受力性能较好, 抗扭能力强;缺点是耐火性能差、不易加工、节点连接困难, 若无成品钢管, 焊接工作量较大。

热轧H型钢:其主要优点是材料供应充分, 加工制作方便, 连接简单;但弱轴方向刚度较差, 若满足强柱弱梁要求, 柱尺寸要增大许多。

钢骨砼:其主要优点是耐火性能更好, 无需做防火处理。较热轧H型钢、方钢管用钢量省, 能节省材料造价;但施工复杂, 周期长。

3 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。

外墙材料主要有高密度水泥纤维板、墙用PVC板、轻质加气砼板材、蒸压轻质加气砼 (ALC) 板、GRC板、预应力空心墙板、钢丝网水泥夹心板等。前两种国内基本未生产。

内墙材料一般可采用加气砼砌块, 也可采用纸面石膏板、纤维石膏板、玻璃纤维增强水泥板、预应力空心墙板、GRC板、钢网泡沫塑料墙板、纸面稻草板、定向刨花板等。

墙用保温隔热、隔声材料一般采用玻璃丝棉。

墙用防水材料种类较多。国外一般采用单向透气透水的防水纸, 国内未具备生产能力。

4 楼板体系

钢结构住宅中, 楼板体系一般有以下几种:压型钢板砼组合楼板、预制砼叠合板、现浇钢筋砼楼板

1) 压型钢板砼组合楼板:

由于要满足楼板1.5小时的防火要求, 其上须浇80厚的砼, 采用蝶型压型钢板楼板总厚度将达130～150m m, 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40m m, 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。但组合楼板应满足计算标准化撞击声压级小于75dB的要求。楼板的隔声要求在住宅的设计中已显得日益重要。

2) 预制砼叠合板:

砼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, 再在其上浇捣现浇砼, 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;但预制部分的砼与现浇砼存在龄期上的差别, 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, 同时为保证砼楼板与钢梁的共同作用, 钢梁上翼缘也必须设置必要的栓钉。

5 梁柱节点及柱脚节点

在钢框架———砼筒体和钢框架加支撑体系中, 梁柱节点均可采用铰接、刚接或半刚接, 在高层钢结构住宅中, 为保证砼筒体开裂后, 钢框架仍有足够的承载力, 一般外围的钢框架采用刚接, 而楼面梁与砼筒体则采用铰接。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, 还可将卫生间布置成砼筒体。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》中推荐了几种连接方式。复杂节点设计可采用ansys等软件分析, 并辅以模型实验验证。

另外, 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, 除应将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。

6 钢结构住宅的防火要求

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砼 (或砖砌法) 、防火涂料、防火板包覆和复合结构等多种方式, 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, 一般采用外包砼 (或砖砌法) 、厚型防火涂料、防火厚板和复合结构几种方式, 0.000以下应采用外包砼的方式, 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。

钢管砼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, 深圳赛格广场的试验及工程实践的数据表明, 直径500的钢管砼防火涂料厚度为15mm即可满足3小时的耐火时间, 而对直径300mm的钢管砼柱, 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砼砌块, 再用金属网抹25厚蛭石砼包覆, 也可采用防火板或防火涂料, 考虑住宅的特殊性, 一般配合装修应采用防火板包覆。

随着冶炼技术的提高, 为适应市场的需求, 多家钢铁企业开发成功了耐火耐候钢。它是通过的技术, 使钢材含有特定的成分 (如加钼等) , 使其表观结构及金相组织发生变化, 从而具有特定的耐火性和耐候性。该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, 使用耐候钢可减少防火涂料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%, 综合效益显著。因此耐火耐候钢具有更广阔的发展前景, 应提倡推广应用。

7 钢结构住宅的经济性

钢结构住宅的经济性是阻碍其发展的最大障碍。根据现有水平, 钢结构土建造价要比钢砼住宅高10%～20%左右, 但钢结构较砼结构在基础造价上可节约30%, 且钢结构住宅的得房率较砼住宅高7%～10%, 此外钢结构的施工工期也可减少约30%以上。综合考虑, 钢结构住宅造价大致可与砼住宅持平, 特别是随着房屋层数的增加, 钢结构更能体现其优越性。对于北方地区, 钢结构住宅更能节约节能费用8%。并且住宅到寿需拆除时, 钢结构比砼结构住宅的循环利用价值更高。所以对钢结构住宅的经济性应综合衡量, 工期缩减、使用面积增加、银行贷款利息减少等因素决定了钢结构住宅的有利经济性。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约1100～1500元/m2左右, 型钢用钢量约40～50kg/m2左右。

8 需要进一步明确的技术问题 (高层住宅)

钢结构住宅建筑体系产业化 篇4

1. 钢结构住宅建筑体系相关内容概述

根据内容不同，钢结构住宅可划分为主体结构、防火、防腐和墙板等建筑体系，其中，钢结构住宅主体结构主要包括如下几种类型：

1.1 钢框架体系

本体系中，框架柱和框架梁承受水平方向和竖直方向的荷载，是受力构件中最重要的部分。楼板的设计中，现浇板和压型钢楼板使用较多。内墙建筑多使用轻质量的隔板而外墙建筑多使用砌块砌筑的方法。

1.2 钢框架一剪力墙体系

在此体系中，最为常见的剪力墙当属钢板结构以及现浇混凝土钢筋剪力墙。为了增强建筑住宅的坚固性，布置好钢结构框架之后，可以沿柱网轴方向再添加一些剪力墙。拥有剪力墙的钢结构建筑不仅扩大了可利用面积，增强了坚固性，也使住宅设计变得更自由。

1.3 钢框架一核心筒体系

同剪力墙体系一样，在钢结构中心部位的周围添加现浇的混凝土，并将其墙体围成筒状结构。在核心筒结构体系中，由于钢材料具有高强度和轻质量等优点，而且建筑中钢梁和钢柱的横截面积很小，所以，采用了此体系的住宅的结构会更加的牢固，内部可使用空间也会更大。

1.4 交错桁架体系

在本体系中，桁架杆件的作用发挥得特别充分，但是腹杆太多的话，住宅的建筑设计和结构布置会受到影响。楼面板、柱子和钢结构桁架组成了交错桁架结构体系，四周有柱子，中心没有，特别适合学校、旅馆等建筑。

1.5 轻钢龙骨体系

本体系有冷弯钢和热轧钢两种龙骨体系，能满足不同荷载、不同构件和不同结构部件的需求。

2. 钢结构住宅建筑体系的设计及其施工要点

2.1 钢结构住宅建筑体系的设计要点

2.1.1 平面及其造型设计要点

同传统住宅相比，钢结构住宅的最大优势，即钢结构住宅户型单元进行设计前可将其设计成开间相对较大的房间，并通过不同角度和方法对其内容因素进行展示，且布置相当灵活。设计过程中，通过对户型单元进行全面而深入的剖析后，可依据经济性原则及其建筑等方面的要求，深入剖析住宅居住生活的空间形体，进而形成多样化的开间形式。

2.1.2 配构件系统的设计要点

为了将钢结构住宅的优越性充分地体现出来，实现结构自重的尽可能减轻，外墙应尽量采用轻质加气的混凝土砌块或者蒸压轻质加气的混凝土板。对于梁柱的连接方式而言，应尽量采用外挂式连接。对于板材类的墙体材料而言，其主要分为水泥、加气、石膏、陶粒等类型，因此，可以实现工程造价的大幅降低，以及建筑使用面积的扩大，进而实现工期的有效缩短。通常而言，应用较多的板材主要包括如下方面：各类隔墙板、水泥轻质板、钢丝网架、水泥轻质材料夹心板、纸面石膏板等等。

2.2 钢结构住宅建筑体系的施工要点

2.2.1 基础内容施工要点

根据钢结构住宅结构的特点，可将其施工过程分成两个方面的分工程：土建工程以及钢构件的制作及其安装工程。基础施工的顺序由下至上分别为：钢筋混凝土的基础施工过程——钢构件的安装及其就位过程——地面施工过程——屋顶钢构件的拼装及其就位过程——钢楼梯的安装及其就位过程——墙板挂板的安装过程——吊顶和装修过程。

2.2.2 主体钢结构的施工要点

(1）材料及其构件的清点和验收

进行安装之前应以设计规范等相关要求为依据，对进场材料及其构件进行认真清点和检查，并仔细进行材质证明书及工厂加工记录的核实。一旦发现问题应及时进行处理，对于主要构件而言，应对其尺寸和外行偏差进形实测实量，以确保投入生产的构件均合格。

(2）对基础的复验

进行安装之前，还应对基础轴线及标高、地脚螺栓等位置进行复验，确保其准确无误后方可进行安装。

(3）钢结构安装过程的施工要点

首先进行基础复验和构件的验收工作，后通过吊车在胎架上进行半榀主梁的组对和钢结构的吊装。进行主梁的安装过程中应在现场进行三个支架的设立，且中间支架应设有操作面。通过吊车将两半榀主梁吊至支架上并拼装成为整榀主梁，待主梁及高强螺栓连接均紧固后应进行临时拉风的设置，直至其稳固后方可对下一榀进行安装。安装完相邻两榀的主梁后，应及时进行水平支撑、檩条和拉杆的连接。

(4）高强螺栓的连接

对于有摩擦面连接的以及连接螺栓需要直接承受拉力连接的情况下，需要采用高强螺栓进行连接。高强螺栓进行紧固时，应确保所要连接安装螺栓处均进行安装，并确保螺栓紧固至指定强度。螺栓的紧固应逐个地自非自由端向自由端进行紧固，此过程可通过压力扳手实现螺栓的紧固程度。

(5）钢结构除锈以及涂装过程

除锈及其涂装过程可确保钢结构实现预期的耐久性要求，因此，待构件加工并安装完后，应进行全面而系统的除锈和涂装。现场进行防火涂料的涂装前，应先对涂装部位的表面进行清理，然后根据相关设计对于涂层厚度及其遍数的要求进行涂装施工。

2.2.3 组合楼盖过程的施工要点

楼面通过组合梁结构进行安装，安装过程中应注意预应力板定位等方面的问题，安装时应在整体框架固定好之后，然后分层进行预应力板的吊装。待底层安装后再进行高层预应力板的安装，然后再将预应力板同钢梁进行固定，两板间应通过钢筋焊接进行连接。安装后方可进行钢筋的铺设以及混凝土的浇注过程。

3. 国内外钢结构住宅体系的产业化分析

3.1 国外钢结构住宅体系的产业化分析及启示

通过对美国及西欧等国家的钢结构住宅建筑体系的产业化发展情况进行分析，对国内钢结构住宅产业化所带来的启示如下：

首先，钢结构住宅产业化出现是以住宅市场的大需求为基础而发展起来的。由于日欧均在二战后出现住宅大量短缺的情况，因而对于钢结构住宅的需求量剧增也是发展钢结构住宅产业化的前提。

其次，虽然各国政府最初目的都是为了解决住宅短缺而进行相关政策的制定，但总体都围绕着社会的整体发展总目标而进行的，将钢结构住宅的产业化发展同整个社会的发展相结合，并将其作为经济支柱产业，实现了内需的扩大，带动了经济的发展。各国政府在实施钢结构住宅产业化的过程中均起到了举足轻重的作用，不仅出台了完善的产业化政策，还通过银行信贷及其抵押等形式扩大了人们的购买能力，同时通过税收及法律等对钢结构住宅市场体系的健康运行进行了规范和监督。

再次，科技创新是推动钢结构住宅建筑体系产业化的关键和基础。各国实施钢结构住宅产业化的过程中，都积极鼓励技术创新，建立了健全的技术及其保障体系，不断加大对钢结构住宅的系列化及其通用化方面的研究，因而全面提高了钢结构住宅的环保性能。

3.2 我国钢结构住宅体系的产业化分析

目前国内钢结构住宅标准化程度仍相对较低，关于钢结构住宅的相关规范和技术仍相当落后，并呈现出“四低两高”的特征，即所谓的工业水平低，劳动生产率低、配套技术集成程度低，钢结构住宅质量低;资源耗费量高，钢结构住宅生产施工过程污染程度高。由此可见，国内钢结构住宅建筑体系的产业化仍处于初级阶段。国内关于钢结构住宅建筑体系等方面的支持仅仅停留在鼓励方面，虽然十分鼓励钢结构住宅建筑体系的产业化发展，但关于强制性的相关政策文件及其资金投入都十分缺乏;国内有关企业生产规模较国外而言不可同日而语，多数为定制型生产方式，并未形成成熟的市场供应体系;关于标准化的数模体质以及规范体系仍十分缺乏，钢结构住宅建筑体系构件的配套性以及通用性都相当低，很难对构件间的模数进行协调，住宅体系仍未形成一个配套系列。钢结构住宅的建设仍为粗放型，科技贡献率相对较低;环保技术的应用相对较少，资源浪费情况较为严重。

4. 结语

高层住宅钢结构体系的应用研究 篇5

关键词：高层住宅,钢结构,应用研究

1 引言

钢结构应用于高层建筑已有数十年的历史。首先采用钢结构建造高层建筑的是美国，战后经过经济恢复，高层钢结构工程建设再度兴起，随着炼钢技术和成型制造工艺的发展，给钢结构工程的应用带来新的活力，工程建设日益增加，相应地钢结构设计与施工技术的不断进步积完善，特别是1960年以来，高层钢结构工程迅速发展，钢结构已成为高层建筑设计造型的主要对象。

随着中国国民经济发展和人口城市化进程加快，我国住宅建设持续空前发展，价位的居住条件逐步提高，并对居住质量的要求也越来越高。中国已成为第一产钢大国钢结构住宅适宜工厂大批量生产，工业化、商品化程度高，可以将设计、生产、施工、安装一体化，提高住宅产业化水平。由于上述优势，钢结构在住宅市场必将有良好的发展前景。

通过百花小区1#楼高层住宅钢结构体系的应用研究，更好地提高钢结构体系在住宅产业当中的应用技术，推动国内钢结构在房地产业中的采用，为钢结构体系的发展做出贡献。

2 工程概况

百花小区1#商住楼位于济南市高新技术产业开发建设总公司建设的百花小区内，建筑面积为3.3万平方米，地下一层，地上26层。承重框架为箱形截面柱及H型梁，柱采用马钢生产的Q345B型钢，车间加工制作;内、外墙板采用南京产ALC (蒸压轻质加气混凝土板) ，外墙直接在ALC板刷涂料;公建部分外窗采用无框窗;住宅外窗采用60系列PVC塑钢窗，中空玻璃;楼面为现浇混凝土现场浇筑;屋面采用PVC卷材防水聚乙脂发泡保温屋面。住宅内水电均走暗线，与梁交叉处走梁腹板预留孔。采暖用进口美国原装金玛克电暖器。室内精装修，空间大，效果好，充分体现了钢结构的结构优势。

3 主要施工方法

3.1 钢结构箱型柱的加工制作

3.1.1 箱型柱制作工艺

1) 钢板拼接

由于每段柱高在12m以下，为保证下料后钢板的直线度，首先将两块钢板拼接。钢板两端开坡口。

2）划线下料

安排料图划线，划线宽度方向留余量3mm，长度方向留余量50mm。中间隔板划线不留余量。

长度方向沿划线每隔5m钻Φ8mm孔。

用两台半自动切割机 (或双头) 沿划线中心同时切割，每隔5m留100mm不切割，待冷却后再切割。

3）组装焊接

用H型钢作临时组装平台，组装前用水准仪将平台找平并将H型垫实固定。在两腹板上划组装线，组装焊接衬板。

定位焊：在衬板内侧每隔300mm焊10-20mm焊缝。将一腹板与隔板组对，定位焊。组对两盖板，定位焊。组装腹板，定位焊。

用三根同尺寸的箱体并排，并两点焊。用两边箱体作自动焊机轨道用。

焊接：用两台埋弧自动焊沿同一方向焊接两条焊缝。焊缝两端加100mm引弧板和熄弧焊。

焊完一层后将箱体翻身，焊接另一面两条焊缝。焊接方法同上。待焊接完毕后再翻身施焊另一面两条焊缝。焊接完毕，即将引熄弧板在离母材5mm处切断，并用砂轮机修磨平整，切不可用锤击落;并修磨后的切割面进行检查。

焊缝无损检测，使用超声波探伤。探伤长度为每条焊缝的20%，按JB11345的规定不低于II级。

3.1.2 梁及连接板加工及组焊

1）下料

型钢采用型钢切割机下料，钢板采用半自动切割机下料，下料后应进行清漆修磨，编号归类放置;

2）钻孔

先在构件上用划针和钢尺划出孔的中心和直径，在孔的四周 (900位置) 打四只冲孔，钻孔后检查;

3）高强度螺栓磨擦面处理

喷砂处理高强度螺栓摩擦面的表面粗糙度：喷砂压力约6kg/cm2，石英砂的粒度1.5～4mm，加工后的钢材表面呈现灰白色;

用电动砂轮机打磨钢板的表面，砂轮打磨的方向与受力方向垂直，打磨范围不应小于4倍螺栓直径，打磨时不应在钢材表面磨出明显的凹坑;

3.2 钢结构安装

(1）箱型柱安装

箱型柱在实际施工过程中按照材料采购、加工、运输、吊装、连接 (加固) 工艺完成。所有钢结构制品，在刷防锈油漆前，必须将构件表面的毛刺、铁锈、油污及附着物清除干净。手工除锈达到St2，机械除锈达到Sa2。本工程四层以下裙楼立柱为48根，主楼立柱为37根。立柱单根最短4.5m，最长12.5m。截面形状为箱形。单根立柱最大设计重量为3.5t，最小设计重量为1.88t。剪力墙框架立柱为150*150H型钢。吊装顺序采用由中心向四周扩展的原则，以保证安装过程中框架的对称性和稳定性。立柱安装吊装采用QTZ-80型塔式起重机，利用柱顶临时设计连接耳板为吊装吊点进行吊装。立柱连接采用临时连接板和临时螺栓进行连接，形成稳定的单元框架后调整焊接及UT检测。

(2）钢梁安装

钢梁的安装分主梁、次梁和外挑梁的安装;主梁材质为Q345B轧制H型钢。主梁在立柱形成单元后采用捆绑串吊施工，根据该工程的设计特点吊装数量2-4根;次梁和剪力墙框架梁由于空间和接点的实际情况，一般采用单根吊装。

(3）高强螺栓安装

高强螺栓是目前建筑钢结构最先进的连接方法之一。它的特点是施工方便，可拆可换，传力均匀。根据本工程的设计方案高强螺栓采用摩擦型连接。紧固办法采用专用棘轮扳手和扭矩扳手经初拧和终拧完成。

(4）栓钉焊接

栓钉焊接是高层钢结构施工中不可缺少的一个环节，常见的栓钉焊接分为直接焊接在钢梁上和穿过压型钢板后焊接在钢梁上两种方式。本工程采用直接焊接在钢梁上。

3.3 混凝土施工

本工程中混凝土部分主要是核心筒筒壁和现浇混凝土楼面两个部分。混凝土竖向运输主要通过砼泵泵送。楼面模板支撑方案，根据本工程的结构特点，利用H型梁下翼缘支撑小规格H型钢，在H型钢上铺设竹胶板、钢筋。箱型柱内浇混凝土采用顶升法，利用混凝土泵的压力将混凝土由下向上压入箱型柱。在混凝土顶升前，会同设计方对顶升入口处的管壁进行详细、严格的强度验算，确保顶升压力在要求的强度范围内，同时在柱下部侧壁安装特种压力表，随时观测柱内混凝土的压强变化。另外，对顶升用混凝土的配合比要严格要求，保证混凝土的坍落度不小于200mm。

3.4 外墙板安装

外墙板采用南京产175mm厚度ALC板。该板材全部采用工厂化加工，运输到现场吊装，吊装设备为塔吊。外墙墙板共计约9780块，其中TU平板4600多块，TU艺术板5180块。按照厂家提供图集施工，由墙板内侧膨胀螺栓固定在楼面的通长角钢和ALC板上的专用联结杆连接，缝隙用嵌缝砂浆和密封胶密封。于床连接在窗四周另加角钢。

3.5 内墙板安装

内墙板均采用南京产C型125厚度ALC板。工厂化生产，现场安装。施工工艺简单，不受天气等情况的制约。内墙的安装基本与外墙类似。卫生间、厨房等部位的墙板采用特殊PVC密封胶。

4 主要的技术成果

1) 箱型砼柱

箱型柱一砼柱是在箱型柱内灌注高强度 (C50) 等级砼，在箱型柱中间内部加隔板支撑，形成两种材料相辅相成共同工作的机理，解决了在荷载作用下，强度尚未达到极限时率先发生变形过大的问题。它具有承载力高、抗震性能好、施工简捷的特点，一般每四层 (每节长12m左右) 为一个制作安装单元，整根钢管柱一次吊装就位，为主体结构安装创造了流水作业的条件。箱型柱一砼外包防火板后，钢管混凝土柱耐火极限大于三小时，满足高层建筑的防火要求。

H型梁的加工，栓钉的焊接，采用合理的工艺，尽量减少由于焊接产生的残余应力，并采用合一理的手段校正误差。

高强螺栓的型号，高强螺栓的接触面先用砂轮打磨，打磨方向与构件受力方向垂直，安装时用钢丝刷清除浮锈，并根据规范做摩擦面的抗滑移系数试验，要求抗滑移系数不得小于0.35。

2) H型梁

H型钢梁均采用轧制H型钢，其变形能力强，抗震性能好，承载力高。H型钢梁外刷防腐漆、外包防火板，解决了钢结构的防腐、防火问题。施工时钢梁有较大的承载力，可大大节省模板工作量。所用梁均在工厂加工，后运输到县现场吊装，大大减少了现场的工作量，缩短了工程工期。

3）抗侧力支撑砼筒结构

电梯、楼梯位置形成钢筋混凝土核心筒，作为剪力墙抗侧力支撑，提高了结构稳定性，对于优化抗侧刚度，发送抗震性能起到了积极的作用。

4）现浇钢筋混凝土楼盖

利用钢框架梁下翼缘作为支模板材撑，上铺竹胶板，再按设计铺设钢筋，浇筑C30混凝土。节省模板材，缩短施工工期。

5）节能型复合外墙板

墙板尤其是外墙板从某种意义上讲，它比结构体系更为重要。因为住宅建筑的主要功能是靠外墙板实现的。工程采用的复合外墙板是列为“国家住宅建设推荐产品”的南京产蒸压轻质加气混凝土(ALC)板，该墙板由加气混凝土与钢筋龙骨组合而成。墙板工厂化预制生产，现场安装，基本取消了湿作业。加工尺寸精确，施工快速，简单，大大缩短了施工周期;由于质轻并有相当的强度，可简化工程基础;优良的保温性能可减少墙身厚度，增大建筑的使用面积。同时在地震中大大降低建筑的破坏程序，减少灾害造成的损失。墙板板缝的抗渗、墙板的防火也都满足国家相应标准的要求。

ALC板的主要性能：

a.轻质：比重为0.5，为混凝土的1/5，空心砖的1/3。

b.隔热性：导热系数为：0.11W/m·k。

c.耐火性：耐火极限达到4小时。

d.隔音性：有隔音与吸音双重性能。

e.承载能力和抗震性能优越。

f.绿色环保，无放射性。

6）高层住宅钢结构体系节能采暖方式的研究：

节能住宅在大的方面上能够节约能源，保护环境;在小的方面上可以为业主节省生活成本。因此在本工程中，也充分考虑了节能技术的应用：

首先，在设计上充分减少建筑墙体、屋面、窗体等部位的热传导。采用建筑低能耗围护结构设计方案，使用新型低能耗的围护材料。一至三层裙房外墙墙体采用200厚加气混凝土砌块，四层及以上住宅外墙采用175mm厚节能墙板。新建屋面在防水卷材上铺设膨胀珍珠岩，增加了屋面的保温效果。外窗除裙房办公区安装无框落地玻璃外，其他均采用PVC系列塑钢窗，其物理性能达到A类，中空玻璃内腔气体层厚度不小于12mm。热水系统采用太阳能集中供热系统。采暖除裙房部分外均为电暖采暖方式，踢脚线安装型玛克尔智能温控电暖气。电采暖的特点是：环保无噪音、无污染，不产生废气，同时热效率高，热转化率能达到99%。

其次在建材的采购上，严格控制质量，确保严格按照设计要求使用建材。

环保节能在施工工艺上也充分考虑。本工程的钢管混凝土柱的浇筑，采用新型泵压顶升技术，很少振捣甚至不用振捣，混凝土达到了设计要求，减少因振捣而引起的噪声污染，同时此工艺减少了混凝土的浪费，大大减少了建筑垃圾的产生;钢结构梁采用，减少了截面积，节省了模板材的使用，节省资源的同时保护了环境;墙板安装采用焊接或螺栓连接方式，在钢结构柱和梁上焊接预埋件，用专用连接钢筋和钢板 (螺栓) 固定，与结构梁或柱结合处缝隙专用密封膏密封。墙板安装工艺基本取消了现场作业。

本工程在节能环保及采暖方面改变了建筑外围保温隔热单一节能的技术观念，结合了太阳能开发及利用新型电能采暖技术，同时在施工时采用减少湿作业量的施工工艺，保护环境在开发新能源和节约使用能源上具有超前意识，为环保节能在住宅产业的采用起到了推动作用。

7）钢结构主体升降车库的应用研究：

青藏高原钢结构住宅体系的研究 篇6

随着我国钢产量的增加, 为了鼓励建筑用钢, 建设部成立了“用钢协调小组”, 制定了国家建筑钢结构产业“十五”计划和2015年发展规划纲要, 提出了钢结构住宅的概念。我国钢结构住宅始于20世纪80年代中期, 大规模研究开发、设计制造、施工安装钢结构住宅还是近三四年发展起来的。随着城市建设的发展和高层建筑的增多, 我国钢结构发展十分迅速, 钢结构住宅以其强度高、自重轻、抗震性能好、施工速度快、工业化程度高、绿色环保等一系列优点, 以及易于产业化, 容易实现设计的标准化、构配件生产的工厂化、施工机械装配化, 已受到越来越多的关注。另一方面, 为了满足人民群众日益增长的住房需求, 推进住宅产业现代化, 国务院[1999]第72号文件明确提出:发展钢结构住宅, 扩大钢结构住宅的市场占有率, 将会加速住宅产业化过程, 对我国建筑、冶金及相关产业的发展具有重大意义。

2 我国常用钢结构住宅体系

钢结构住宅体系主要包括主体钢结构体系、围护结构体系、楼板结构体系以及屋盖结构体系等几大部分, 主要承重骨架是由钢构件或钢管 (圆管或矩形管) 混凝土构件所组成, 它具有钢结构建筑的一系列特性, 同时又具备一般住宅建筑的共性。

钢结构体系形式有多种, 但应用于住宅建筑的钢结构体系主要可分为轻钢龙骨体系、纯钢框架体系、钢支撑框架体系、钢框架-混凝土剪力墙体系、错列析架体系、钢框架-核心筒体系等。不同的结构体系有不同的适用范围, 虽然有些结构体系应用范围较广, 但通常会受到经济等因素的限制。下面对不同类型住宅的结构体系逐一进行介绍:

1) 轻钢龙骨体系。低层轻钢住宅作为主流住宅产品, 在欧美等国经过几十年发展改进, 已具备非常完善的技术生产体系和丰富的配套产品体系。比如, 澳大利亚早已将采用G550高强钢建造的轻钢龙骨作为承重体系应用于住宅建造, 并形成了相当规模的产业化住宅体系。在不降低结构可靠性及安全度的前提下, 可以节约钢材用量为30%。我国在20世纪80年代末90年代初, 开始引进欧美及日本的轻型装配式小住宅。此类住宅以镀锌轻钢龙骨作为承重体系, 板材起维护结构体系和分隔空间作用。外墙板引进美国和日本的外墙材料或生产工艺, 如在美国广泛采用的经过防火防腐处理的定向刨花板 (OSB) 、PVC外墙挂板, 北京新型建材厂引进日本技术生产线生产的金邦板等。内墙通常采用双面防火纸面石膏板。这种体系的引进首先要和我国国内的行业技术规程相配套。

(1) 结构特点:

该体系具有以下优点: (1) 构件尺寸较小, 可将其隐藏在墙体内部, 有利于建筑布置和室内美观; (2) 结构自重轻, 地基费用较为节省; (3) 梁柱均为铰接, 省去了现场焊接及高强螺栓的费用;受力墙体可在工厂整体拼装, 易于实现工厂化生产;易于装卸, 加快施工进度; (4) 楼板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。其缺点有: (1) 梁柱之间铰接, 抗震性能不好, 抗侧能力也较差; (2) 国内冷弯型钢品种相对较少, 与国外冷弯轻钢骨架材料性能差异较大。

(2) 适用性评价:根据上述轻钢龙骨结构体系的特点, 可以看出该体系较适用于1~3层的低层住宅, 不适用于强震区的高层住宅。鉴于我国的国情是人多地少、资源缺乏, 低层低密度的轻钢住宅不可能成为中国住宅产业发展的主流, 但是在钢铁资源较为丰富的部分小城镇及农村, 这种低层轻钢住宅有着一定的发展潜力。

2) 纯钢框架体系。该体系类似于混凝土框架体系, 不同的是将混凝土梁柱改为钢梁、钢柱, 其竖向承载体系与水平承载体系均为钢框架。由于钢柱截面一般较混凝土截面的小, 且多为H型截面, 所以纯钢框架体系的抗侧移刚度要小的多。在强震区, 要满足层间水平位移和总侧移刚度的要求不容易。

(1) 结构特点:该体系具有以下优点: (1) 开间大、使用灵活, 充分满足建筑布置上的要求; (2) 受力明确, 建筑物整体刚度及抗震性能较好; (3) 框架杆件类型少, 且大部分采用型材, 制作安装简单, 施工速度较快。其缺点有: (1) 强震作用下为抵抗侧向力所需梁柱截面较大, 导致用钢量大; (2) 相对于围护结构梁柱截面较大, 导致室内出现柱楞, 影响美观和建筑功能; (3) 节点要特殊处理, 为了防火要外包混凝土, 带来了施工的复杂。

(2) 适用性评价:根据其受力特点看出该体系一般适用于6层以下的多层住宅, 不适用于强震区的高层住宅;并且用于高层住宅经济性相对较差。

3) 钢支撑框架体系。该体系在纯钢框架纵、横两个方向适当部位沿柱高增设垂直支撑, 以加强结构的抗侧移刚度。支撑不必从下到上同一位置设置, 可跳格布置或跨层布置。对于外墙开有门窗的, 也可在窗台高度范围内布置, 形成类似周边带状析架的结构形式, 使结构整体刚度得到加强。该体系竖向承载体系为钢框架, 水平承载体系为钢框架和钢支撑共同形成的抗侧力体系, 若支撑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铰接。在强震区, 若柱子比较细长, 则大多数采用偏心支撑框架体系, 因其在地震作用下特别是强震作用下, 具有较好的延性和耗能能力。

(1) 结构特点:该体系具有以下优点: (1) 由钢析架组成的支撑, 与剪力墙板相比在达到同样的刚度下重量要小很多; (2) 用于多层特别是小高层住宅, 经济性较好。其缺点: (1) 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; (2) 因为墙内要布置支撑, 所以对建筑洞口布局有诸多限制; (3) 传力路线较长, 抗侧效果较差。

(2) 适用性评价:该体系比纯钢框架体系侧向刚度大, 常用于多层及小高层住宅, 应用较广;而且当房屋层数较高时, 该体系要比纯钢框架体系经济。

4) 钢框架-混凝土剪力墙体系。该体系是以楼梯间或其他适当部位 (如分户墙、卫生间) 采用钢筋混凝土剪力墙作为结构主要抗侧力体系, 外围框架采用钢框架承担竖向荷载。剪力墙应对称布置, 且纵、横向都要设置, 剪力墙与柱、梁连接要牢固可靠, 以增强其抵御地震力的有效性。由于钢梁与剪力墙的连接部位受力复杂, 是最易遭受破坏的地方, 因此, 该节点应保证能承受钢梁可能出现的轴向力。

对于带缝剪力墙结构, 该墙体在通常的风载和小震时处于弹性阶段, 可确保结构的正常使用;在大震时进入塑性阶段, 能吸收大量地震能量, 结构能保持足够承载力防止建筑物倒塌。该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。

(1) 结构特点:该体系具有以下优点: (1) 钢筋混凝土剪力墙抗侧移刚度较大, 可以减小钢柱的截面尺寸, 降低用钢量; (2) 该体系总体来说受力性能良好, 结构构件相对较经济, 且能与隔墙布置相结合。其缺点为: (1) 现场安装比较困难, 制作比较复杂; (2) 仍存在现场浇捣混凝土的工作量, 减慢了施土速度。

(2) 适用性评价:该体系同钢支撑框架体系一样, 常用于小高层及高层住宅, 而且从受力特点看出, 带缝剪力墙体抗震性能较好, 较适用于地震区。

5) 错列桁架结构体系。错列桁架结构体系产生于20世纪60年代, 由美国钢铁联合企业资助麻省理工学院来承担这项研制项目, 并成功用于多个公寓及旅馆建筑中。该体系的基本组成是高度等于层高、跨度等于房屋宽度的析架, 它的两端支承在房屋外围纵列钢柱上, 在房屋横向的每列柱轴线上, 这些析架隔一层设置一个, 而在相邻柱轴线则交错布置。在相邻析架间, 楼板一端支承在析架上弦杆, 另一端支承在相邻析架的下弦杆。垂直荷载则由楼板传到析架的上下弦, 再传到外围的柱子。该体系利用柱子、平面析架和楼面板组成空间抗侧力体系, 在每层楼面形成两倍柱距的大开间。

(1) 结构特点:该体系具有以下优点: (1) 析架交替在各楼层的平面上错列, 且中间无柱子, 为灵活布置居住单元提供方便;在建筑布置需要时, 可在析架上开洞, 费用增加不多;在底层可安排没有内柱的公共空间; (2) 由于析架高度有整层高, 所以整个体系刚度较大, 不需要再增加柱子刚度;该体系中柱子主要承受轴力, 可充分发挥高强钢材的作用, 用钢量可较框架结构减少30%~40%, 节约造价; (3) 楼板可直接支承在相邻析架的上下弦上, 不需设楼面梁格, 结构上可采用小柱距和短跨楼板, 使楼板跨度和厚度减小, 能减轻自重; (4) 析架在工厂预先预制, 因此现场安装节点数少, 焊接量小;析架与柱节点可采用铰接, 从而构造简单, 传力明确, 施工周期更短。

(2) 适用性评价:错列桁架体系具有住宅布置灵活、楼板跨度小、结构自重轻和造价低的特点, 是一种经济、实用、高效的新型结构体系, 适用于多层及小高层住宅。鉴于上述优点, 该体系代替传统结构体系用于住宅建筑具有良好的发展前景。

6) 钢框架-核心筒体系。该体系在高层住宅乃至高层商用楼中应用最多。这种结构是以卫生间 (或楼梯间、电梯间) 组成四周封闭的现浇钢筋混凝土核心筒, 与钢框架结合成组合结构。它与多层住宅中钢框架-混凝土剪力墙体系的设计理念是一致的。该体系结构破坏主要集中混凝土核心筒, 特别是结构下部的混凝土筒体四角, 可配置小钢柱以增加延性。

(1) 结构特点:该体系具有以下优点: (1) 结构受力明确。核心筒抗侧移刚度极强, 占结构抗侧移总刚度的90%以上, 主要承受水平荷载, 钢框架承担竖向荷载, 可以减小柱的截面尺寸; (2) 由于是现浇核心筒, 防水性能较好, 可有效避免施工不当渗水所造成的钢构件锈蚀; (3) 从建筑平面布置来看, 柱子一般布置在阳台或转角部位, 以利于住户的装修处理; (4) 采用装配式施工, 施工速度可缩短30%, 并且多数构件可以工厂化生产, 现场湿作业少, 施工文明, 属环保型建筑。其缺点为: (1) 芯筒为混凝土, 重量很大; (2) 现场浇捣混凝土的工作量较大。

(2) 适用性评价:由于该体系综合受力性能好, 特别适合于地震区和地基土质较差的地区;但因为自重减少相对较少, 一般多适用于高层住宅。总的来说该体系比较经济, 较适于我国大众消费水平, 是相当值得推广的一种高层住宅结构形式。

3 适合青藏高原的钢结构体系

根据青海地区的特点, 气候干燥, 这对钢材的“湿腐蚀”具有天然的防腐作用;青海冬季时间长, 不利于施工, 钢结构施工速度很快, 既可保证建筑结构的工期质量, 又减少了因冬季施工带来的温度等方面的问题;青海冬季室外气温低, 钢结构住宅的墙体一般选用与之配套的板材, 与传统的砖墙相比具有较好的保温性能, 在建筑节能方面具有良好的优势。依照青海地区的这些特点, 应该选用施工速度快, 减少湿作业的结构体系;又由于青海地区是地震多发区, 这样选用抗侧性能好, 同时有较大承载力和较好延性的结构体系。综合考虑多层钢结构住宅结构体系的性能和青海地区的特点, 采用钢框架支撑结构体系。

摘要：基于青海的地理特点和钢结构住宅体系的各种优缺点, 选择适合青藏高原的结构体系, 在青海地区推广使用。

关键词：钢结构住宅体系,优缺点,青藏高原

参考文献

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[7]赵欣.芬兰和英国的产业化钢结构住宅[J].建筑钢结构进展, 2013, 5 (4) :29-36.

耗能减震钢结构住宅设计体系初探 篇7

1. 传统钢结构住宅设计及在抗震中的不足

现有的钢结构体系有:钢框架体系、钢框架——钢支撑体系、钢框架——剪力墙体系、交错桁架体系。传统钢结构体系各有优缺点及适用范围, 但是在抗震性能方面, 都存在不足之处。

(1) 钢框架体系

钢框架体系主要由梁、柱构件刚接而成, 依靠梁、柱来承受竖向荷载和水平荷载。该体系具有受力明确, 平面布置灵活, 便于大开间的设置, 可充分满足建筑布置要求的特点;同时制作安装简单, 施工速度较快。通常柱子采用轧制或焊接工字钢、方钢管、圆钢管或冷弯型钢组合断面, 也可以采用钢管混凝土;主梁采用H型钢, 次梁可以有多种做法。钢框架体系主要适用于多层钢结构住宅。从抗震角度上看, 因为此种结构侧向刚度较小, 属于单一抗侧力体系, 抗震性能差。在高烈度区, 由于地震作用的增加, 往往因刚度不足, 为控制层间位移需加大构件的截面尺寸, 所需用钢量大, 建筑成本较高。

(2) 钢框架——钢支撑体系

钢框架——钢支撑体系的布置原则和柱网尺寸以及梁柱构件连接基本上与钢框架体系相同, 只是在结构的垂直平面内布置不同形式的支撑体系。当建筑物产生层间变形时, 支撑承受水平力, 从而使体系获得比纯框架结构大得多的抗侧力刚度, 减少建筑物的层间位移。这种体系的缺点是用钢量相对较大, 墙体的布置、门窗的布置受支撑影响。可用于多层、小高层钢结构住宅。但此种结构因体系延性小、耗能能力也小。在强震作用下, 支撑中的受压杆件易受压屈曲, 导致整个结构体系的承载力下降, 并引起较大的侧向变形。钢框架—偏心支撑体系是利用主体结构来耗能, 强震过后, 主梁将产生较大的塑性变形, 难以修复。

(3) 钢框架——剪力墙体系

钢框架——剪力墙体系中框架为主要承重骨架, 剪力墙为结构的主要抗侧力体系。如果把剪力墙布置成筒体, 又可称为钢框架——筒体结构体系。国外剪力墙多采用组合剪力墙, 它是在薄壁钢板剪力墙两侧增加混凝土板, 混凝土板防止钢板的平面外屈曲, 提高剪力墙的强度和耗能能力。此种体系中剪力墙属于刚性结构, 而钢框架属于柔性结构, 在地震作用下, 剪力墙承担了很大的水平力。对于钢框架——核心筒体系, 混凝土筒体承担了约90%的水平力, 即使将钢框架做得较强, 也难以从根本上改变这种局面。在单一材料的双重抗侧力体系中, 周边框架要求至少能承担25%的水平力, 而在钢框架—混凝土核心筒结构中却无法做到, 也就是说, 这种体系的二道防线的抗震能力很弱。

(4) 交错桁架体系

交错桁架结构体系的骨架由房屋外侧的柱子和高度为层高、跨度等于房屋宽度的桁架组成。在相邻柱上为上下层交错布置, 楼板一端支承在桁架上弦杆, 另一端支承在相邻桁架的下弦杆。垂直荷载则由楼板传到桁架的上下弦, 再传到外围的柱子。该体系利用柱子、平面桁架和楼面板组成空间抗侧力体系, 具有住宅布置灵活、楼板跨度小、结构自重轻的优点, 小开间取得了大开间的效果, 因此是一种经济、实用、高效的新型结构体系。交错桁架与中心支撑的钢框架较相似, 在大的地震力作用下, 结构的抗震性能很差, 腹杆构件提前屈曲或较早出现非弹性变形, 造成承载力和刚度突然减小。

上述钢结构住宅结构设计方式及在抗震中的表现了出来的弱点, 使人们反过来认真思考整个抗震设计理念, 因为随着每一次结构设计的调整, 工程造价大幅加高。而与之而来的是, 地震灾害造成的人员伤亡显著下降, 但是造成的经济损失却令世人震惊。例如, 1989年美国加州洛马普里埃塔M7.1级地震, 死亡63人, 经济损失为100亿美元;1994年, 加州北岭M7.1级地震, 死亡73人, 经济损失达到200亿美元;1995年, 日本阪神M7.1级地震, 伤亡5500多人, 经济损失达到创纪录的1000亿美元, 震后的基本恢复重建工作花费2年, 耗资近1000亿美元;2010年我国青海玉树M7.1级地震, 死亡2698人, 失踪270人, 经济损失达1000亿美元。与此相比, 我国1976年唐山M7.8级大地震的经济损失仅为50亿美元。

2. 基于性能的抗震设计思想

在这样的背景下, 国内外学者提出了基于性能的抗震设计思想——即使所设计的工程结构在使用期间满足各种预定的性能目标要求, 而具体性能要求可根据建筑物和结构的重要性确定。基于性能的抗震设计是对传统单一抗震设防目标的推广, 它给了业主和设计人员一定“自主选择”抗震设防标准的空间。对于结构工程师来说, 可明确描述结构性能状态的物理量主要有:力、位移、速度、加速度、能量和损伤。基于性能的抗震设计要求能够求出结构在不同强度地震作用下, 尤其是当结构进入非弹性阶段时, 这些结构性能指标的反应值和结构自身的能力值。由于用力作为单独的指标难以全面描述结构的非弹性性能及破损状态, 而用能量指标又难以实际应用, 因此目前基于性能抗震设计方法的研究主要用位移指标对结构的抗震性能进行控制, 称为基于位移抗震设计方法。无论是基于性能还是基于位移, 抗震设计的难点仍然是结构进入非弹性阶段后结构性态的分析, 只是基于性能抗震设计理念的提出, 使研究人员更加注重对结构非弹性地震反应的分析和计算研究。

3. 耗能减震钢结构住宅设计内容

上述四种钢结构住宅进行抗震结构设计时, 由于钢结构本身阻尼比很小, 依靠结构阻尼耗散的地震能量非常有限。为了终止地震反应, 只能依靠主体结构产生大量的塑性变形来吸收地震能量, 但是这样必然导致主体结构的严重破环, 甚至倒塌。而对于耗能减震钢结构, 通常将阻尼器与支撑串联组成耗能装置。在地震作用下耗能装置率先进入工作状态, 大量消耗输入结构的地震能量。这样既可以保护主体结构免遭破坏, 又可以迅速衰减地震反应, 确保结构的安全。基于性能的抗震设计方法要求结构在不同的地震风险水平下满足不同的性能水平要求, 而耗能减震钢结构通过改变耗能装置的参数和数量可以方便的控制结构的地震反应, 从而实现不同的性能目标。因此将基于性能的抗震设计方法和耗能减震技术相结合, 具有重要的现实意义。总体而言, 耗能减震钢结构住宅设计内容有以下几个方面内容:

(1) 梁和柱

梁是结构中最重要的构件之一, 在不同体系中梁有不同的形式, 但它的作用基本上是相同的, 即:承担作用在楼板上的恒荷载和活荷载。梁的种类有:冷弯C型钢梁、H型钢梁、桁架梁等。柱子和梁一样重要, 它主要承担水平荷载和由梁传递下来的竖向荷载, 并且传给基础。结构设计中遵循强柱弱梁的原则, 对柱的要求相对比梁高, 需要计算轴力以及因轴向力偏心引起的附加弯矩, 还要考虑柱的整体稳定、局部屈曲等问题。柱子种类有:H型钢柱、空心钢管或方钢管柱、钢管或方钢管混凝土柱等。

(2) 墙体

钢结构住宅建筑是一个系统工程, 它要求相配套的墙体要自重轻、节能、保温、隔声、防水等性能满足要求, 同时还要与工业化相适应, 施工效率高。目前的墙体材料有许多种类, 大体上可分为单一材料、复合材料两大类。单一材料主要有ALC板, 一般用于外墙, 复合材料有昊角板、泰柏板、石膏板等。

(3) 楼板

楼板除了承受竖向荷载并将它传给框架外, 还将水平力传到各个柱上, 因此楼板平面内的刚度、整体性和承载力也很重要。作为建筑要求, 住宅楼板还应能隔音。现在用得较多的是压型钢板组合楼板, 叠合板加现浇层, 现浇楼板等。这几种楼板的整体性都很好。钢梁宜形成组合梁, 梁上要设置栓钉。预制板中应设预埋件, 与钢梁焊接。在强震区或重要建筑, 柱周边宜设置钢筋和箍筋, 以免楼板在水平力下被柱子压坏。

(4) 耗能支撑

耗能减震钢结构住宅除了包括以上几部分外, 还另外设置了耗能支撑, 耗能支撑可以通过螺栓连接或焊缝连接与主体结构连接。耗能减震钢结构住宅的形式与钢框架——中心支撑形式相同, 只是支撑构件是耗能支撑而非中心支撑。这种体系形式很容易在传统的钢结构住宅的基础上实现。对于钢框架体系, 可以去掉填充墙, 将耗能装置安装在结构当中;对于钢框架——中心支撑, 可将中心支撑换成耗能支撑;耗能减震钢结构不适合采用钢框架——偏心支撑的形式, 这是因为这种体系是利用主体结构来耗能, 强震过后, 主梁将产生较大的塑性变形, 难以修复;对于钢框架——剪力墙体系, 可以将剪力墙去掉, 换成耗能支撑;同样, 对于交错桁架体系, 可以将耗能支撑交错布置在桁架上。

4. 耗能减震钢结构住宅的优势与发展前景

(1) 安全性

由于耗能减震设计模式设有非承重耗能构件或耗能装置, 因而具有很大的耗能能力, 在地震中能率先进入耗能工作状态, 消耗地震能量及衰减结构的地震反应, 保护主体结构和构件免遭损坏, 从而确保结构在强地震中的安全性, 而且震后易于修复或更换, 使建筑结构物迅速恢复使用。

(2) 经济性

传统钢结构体系主要通过加强结构、加大断面等途径提高建筑的“硬性抵抗”结构抗震性能, 使结构的造价明显提高。钢结构减震体系是通过“柔性消能”来减少结构地震反应, 可以减小构件断面, 而其抗震性能反而提高。

(3) 技术合理性

传统钢结构住宅体系是通过加强结构侧向刚度以满足抗震要求的, 但结构越强刚度越大, 地震作用也越大。这对于高层、超高层钢结构住宅, 会造成严重的制约。耗能构件或装置属“非结构构件”, 即非承重构件, 其功能仅是在结构变形过程中发挥耗能作用, 对结构的承载力和安全性不构成任何影响或威胁。所以, 耗能减震结构体系在技术上安全可行。

汶川地震、玉树地震及历次地震震害均证明, 钢结构具有良好的抗震性能。当前, 大众也认识到了居住建筑安全的重要性, 因此从设计规范上尽快出台耗能减震钢结构住宅结构设计规范, 使耗能减震钢结构住宅能进入一个快速、良性发展阶段。

参考文献

[1]张跃峰.低层居住建筑中的轻钢龙骨体系[J].钢结构, 2001 (10) .

[2]李海峰等.钢结构加层中柱脚刚度对结构抗震性能的影响[J].青岛理工大学学报, 2008.

钢结构住宅体系综述 篇8

1 国内外高层钢结构住宅结构体系的研究现状

1.1 国外高层钢结构住宅结构体系的研究现状

国外关于高层钢结构住宅结构的研究较早, 而且在不断的发展过程中已经形成了较大的规模, 在一些发达国家已经建造了较多的钢结构住宅[1]。高层钢结构住宅结构体系主要包括交错桁架体系和钢—混凝土混合结构体系, 其中交错桁架体系的结构是美国学者在1966年所提出的, 并与次年成功的建造了一所钢结构公寓。1974年又有学者提出了关于交错桁架体系中的抗震性能, 然后在1983年进行了交错桁架体系的横向水平风荷载试验, 并得出了相关的实验数据。直到20世纪70年代欧洲才进行了关于钢-混凝土混合结构体系的住宅, 并且在1981年进行了关于地震作用下的动力特性分析。

1.2 国内高层钢结构住宅结构体系的研究现状

我国对于高层钢结构住宅结构体系的研究较晚, 我国在2001年才开始进行关于钢结构住宅相关的科研, 并与多所高校进行合作[2]。我国对于高层钢结构住宅的建设较晚, 但是所取得的成就较高。目前我国高层钢结构住宅的体系主要包括钢框架-支撑结构体系, 钢框架-混凝土筒体结构体系。而且钢-混凝土混合结构中关于抗震性能的研究也取得了较好的成就, 李国强等人将钢-混凝土混合结构中将钢框架简化为半刚性框架, 从混合结构中的特性以及受力和破坏方面进行了全面的分析。

2 高层钢结构住宅结构体系

目前高层钢结构住宅结构体系主要包括钢框架结构体系、刚框架-支撑结构体系、钢框架-剪力墙结构体系、刚框架-混凝土核心筒体系以及交错桁架结构体系, 下面将对这五中高层钢结构住宅结构体系进行详述。

2.1 钢框架结构体系

钢框架结构体系是较为常见的, 钢框架结构体系所指的是沿着纵、横方向的框架来作为承重的主要结构, 钢结构框架结构体系能够使得建筑物的空间得到最大程度的利用。而且钢框架结构体系的受力部位非常明确[3], 构造也非常简洁, 安装过程中非常简单, 在钢材生产过程中能够进行批量化生产。但是钢框架结构体系的抗震能力较差, 对于15层以上的住宅尽量避免使用钢框架结构。

2.2 钢框架—支撑结构体系

钢框架-支撑结构体系主要是利用框架结构作为基础, 并在住宅中布置相关数量的竖向结构来支撑, 这就使得钢框架-支撑结构体系能够承受水平力和侧向力, 这种结构相对于钢框架结构体系而言有着较好的抗震性能, 而且在进行高层刚结构住宅的建造中所耗用的资金也较少, 利于更高层数的施工[4]。但是钢框架-支撑结构体系在施工过程中的施工难度较大, 支撑的不合理也会使得建筑的布局存在局限性。

2.3 钢框架—剪力墙结构体系

剪力墙也可称为抗风墙或者抗震墙, 在住宅结构中主要是承受地震作用引起的水平荷载, 能够有效的防治住宅结构受到剪切的破坏。在高层钢结构住宅中合理的运用剪力墙能够使其更加稳固, 使得高层钢结构住宅能够承受更大的负荷。钢框架—剪力墙结构体系中竖向的负荷是依靠钢框架承担的, 而横向的荷载是钢框架和剪力墙共同承担的。当然剪力墙也分为多种形式, 有的是钢板结构的剪力墙、钢板混凝土组合的墙板或者钢筋混凝土剪力墙, 钢框架—剪力墙结构体系能够使得高层钢结构住宅结构能够抵御更强的推力, 并能够承受更大的地震中的剪力[5]。这样就能够使得高层钢结构住宅的高度得到更大的提高, 但是在地震发生时容易使得住宅的局部出现破坏的情况。

2.4 钢框架—混凝土核心筒体系

钢框架-混凝土核心筒体系主要是钢筋混凝土的芯筒和钢框架共同组成的混合结构体系, 钢框架—混凝土核心筒体系与钢框架—剪力墙结构体系有很多的相似之处, 这种结构体系能够承受较大的荷载。钢框架—混凝土核心筒体系中核心筒主要是承担横向荷载, 并占据其中90%以上的荷载, 而钢框架主要是承担竖向荷载。这种结构体系在高层钢结构住宅的建设当中运用的非常广泛, 而且其施工过程中能够有效的节省材料, 更大限度的降低了工程造价。但是这种结构体系中钢框架与核心筒的关联性不够紧密, 即在较大的地震作用下核心筒遭到破坏, 那么钢框架也就无法抵御地震的冲击。

2.5 交错桁架结构体系

交错桁架结构体系主要是由柱子、桁架以及楼面板所构成的, 通常柱子是固定在建筑的外围, 而桁架则是固定在柱子上, 楼面板则是固定在桁架的上弦与下弦中。交错桁架结构体系对于搞成钢结构住宅的空间占用较小, 其中横向荷载是由桁架承担的, 柱子主要是承受轴力[6]。虽然交错桁架结构体系能够更大限度的节省住宅面积, 但是其结构较为复杂, 施工难度偏大, 不易于在高层钢结构住宅中进行施工。

3 高层钢结构住宅结构体系中抗震设计的基本方法

高层钢结构住宅结构容易受到地震的影响, 地震发生时会产生横向和纵向两个方向的力。高层住宅在地震发生时所遭受的破坏也会更大, 所以在进行高层钢结构住宅结构体系的建设中要尤其注意其抗震性能的分析。在进行高层钢结构住宅结构体系的抗震性能分析中要根据地震的反应特点进行相关的计算, 因为关于高层钢结构住宅结构体系的抗震包括建筑场地、结构类型以及高度等多方面的因素的影响。简化精确的计算将能够使得高层钢结构住宅的安全性能得到更大限度的保障, 下面将详述抗震设计的集中基本方法。

3.1 底部剪力法

这种方法的计算较为简单, 而且计算的时间也较短, 这种方法通常运用在较为规则的住宅结构在水平方向所受的荷载。这种计算方法不仅可以得到住宅结构在水平方向的地震作用, 而且还能够得到地震作用在结构高度上的分布。

3.2 反应谱法

反应谱法的理论基础主要是利用单质点在地震过程中的反应来进行研究的, 然后就可以绘制相关的地震反应谱曲线, 反应谱曲线描述的是质点在地震作用下反应和自振周期之间的函数关系, 利用这种方法能够分析不同的地震对高层钢结构住宅结构的影响。

3.3 时程分析法

反应谱法主要是以地震反应谱为依据, 其能够在很大限度上分析有关与承载力和变形的结果, 但是其不能够体现出结构存在的薄弱位置以及可能发生的震害, 有较大的局限性。但是时程分析法能够将整个高层钢结构住宅结构作为一个振动系统[7], 然后依据地震加速度与时间之间的变化函数就能够较好的分析出各质点的地震响应, 同时时程分析法也能够分析出对于不规则住宅的地震反应。

4 高层钢结构住宅结构抗震性能探析

关于高层钢结构住宅结构抗震性能的探析首先应该建立相关的模型, 然后采取相应的简化模型来进行数据结果的分析, 其中应该包含框架的边长、壁厚、主梁截面、次梁截面, 钢支撑矩形截面的边长、壁厚以及厚度等。建立相关的模型之后就要进行模态分析, 模态分析主要是运用于高层钢结构住宅结构在地震荷载作用下的线性分析, 也可称之为振型叠加法, 这能够更大限度的缩短高层钢结构住宅结构的计算方法, 模态分析所得到的结果是进行动力分析的重要参数, 也是反应谱分析以及时程分析的基础保障。反应谱分析中所得到的是地震运动的平均值, 能够反映出每个振型位移中的最大值, 对于反应谱所得到的结果可以直接用于高层钢结构住宅的结构体系设计中[8]。地震作用的计算方法有两种, 一种是底部剪力法, 而另一种是振型分解法, 底部剪力法只考虑了结构的第一振型, 但是对于高层钢结构住宅而言会带来较大的误差, 所以在高层钢结构住宅结构中应该采用振型分解法。

本文主要介绍了高层钢结构住宅的几种不同的结构体系, 然后讲述了各种结构体系的优缺点以及适用范围, 然后主要讲述的是高层钢结构住宅的抗震性能分析, 通过这些讲述可以得到在高层钢结构住宅结构体系的设计过程中应该综合考虑其经济性、施工时间以及施工场地等因素, 然后配合相关的抗震性能分析, 最后来选取较好的方案。

参考文献

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[7]王明贵, 赵爽, 张大力.一种新的轻型钢结构住宅体系介绍[A].2010年全国建筑钢结构行业大会论文集[C].2010年.