多層輕鋼住宅的結(jié)構(gòu)體系與設(shè)計(jì)方案

1、多層輕鋼住宅的結(jié)構(gòu)體系與設(shè)計(jì)摘要： 多層輕鋼住宅是一種新型建筑體系，也是 目前 國(guó)內(nèi)住宅 研究 和開發(fā)的方向。但是它的設(shè)計(jì) 方法 ，結(jié)構(gòu) 體系，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，常用 經(jīng)濟(jì) 指標(biāo)不為設(shè)計(jì)者所熟悉，因此 多層輕鋼住宅示范樓的設(shè)計(jì)與施工是推廣這種新型體系的最 好方式。本文結(jié)合某輕鋼住宅示范樓介紹了它的結(jié)構(gòu)體系， 布置特點(diǎn)， 計(jì)算 方法等。關(guān)鍵詞： 多層民用住宅 輕鋼結(jié)構(gòu) 1. 輕鋼住宅在我 國(guó)的 發(fā)展 我國(guó)輕型鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)過 20 多年的發(fā)展 歷史 ， 雖然起步并不晚，主要由于經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的原因使得多層輕鋼 住宅的發(fā)展受到制約。 國(guó)內(nèi)最早出現(xiàn)的輕鋼結(jié)構(gòu)住宅是 94 年 11 月建于上海浦東北蔡的 8 層鋼結(jié)構(gòu)住

2、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(diǎn) 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(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)太平村是我國(guó)住宅產(chǎn)業(yè)化的探 索基地之一，來自 中國(guó) ，日本，美國(guó)，加拿大等 15 個(gè)國(guó) 家和地區(qū)的 95 名參展商展示了各自的產(chǎn)品， 其中鋼結(jié)構(gòu)住宅 均采用框架結(jié)構(gòu)。樓板及墻體、屋頂均采用復(fù)合結(jié)構(gòu)，工廠 預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)安裝， 縮短了施工工期。 長(zhǎng)沙遠(yuǎn)大集團(tuán)建造的 8 層鋼結(jié)構(gòu)公寓，稱之為集成化建筑。該建筑裝有中央空調(diào)一 體化機(jī)組，整體浴室， “五表 ” 遠(yuǎn)傳系統(tǒng)等 現(xiàn)代 化設(shè)備。 室內(nèi)設(shè)計(jì)考究，體現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)住宅的風(fēng)格和質(zhì)量，表明了鋼 結(jié)構(gòu)

3、住宅的良好發(fā)展前景。表 1 為若干輕鋼住宅經(jīng)濟(jì)技術(shù)指 標(biāo)。 當(dāng)前， 國(guó)家將住宅產(chǎn)業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。 為居民提供高質(zhì)量的符合市場(chǎng)需求的商品化住宅成為必然趨 勢(shì)。國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展 表 1 輕鋼住宅經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo) 工程名 稱 馬鋼住宅試驗(yàn)樓 北京西三旗水電工程宿舍 涿州中鐵紫 荊關(guān)鋼結(jié)構(gòu)公司試驗(yàn)樓保定太行集團(tuán)輕鋼住宅示范樓 結(jié) 構(gòu)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(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)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) 52 63 46 52 單位造價(jià) (元) 1100 1100 1200

4、 900 “新型建筑體系 ” ，已將其列入優(yōu)先發(fā)展的高新技術(shù)領(lǐng) 域中。國(guó)務(wù)院 1999 年頒發(fā)的 72 號(hào)文件 提出要發(fā)展鋼結(jié)構(gòu) 住宅產(chǎn)業(yè)，在沿海大城市限期停止使用粘土磚。建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn) 定額研究司正在編制與修改與多層鋼結(jié)構(gòu)房屋密切相關(guān)的技 術(shù)規(guī)程。建設(shè)部 科技 司在今年上半年分別召開了 “ 鋼結(jié)構(gòu) 住宅產(chǎn)業(yè)化技術(shù)導(dǎo)則編制研討會(huì) ” 和“鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑體系 及關(guān)鍵技術(shù)研究課題立項(xiàng)評(píng)審會(huì) ”。通過了 18 個(gè)包括鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑體系及其關(guān)鍵和試點(diǎn)工程的立項(xiàng)。國(guó)家政策為鋼 結(jié)構(gòu)住宅開發(fā)創(chuàng)造了條件，鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)化住宅有望在最近取 得突破性進(jìn)展。 2. 多層輕鋼住宅的優(yōu)勢(shì) 過去我國(guó)大量開 發(fā)的是以小開間磚混結(jié)

5、構(gòu)為主的住宅。這種住宅體系由于使 用實(shí)心粘土磚，浪費(fèi)土地資源，建筑物自重大，對(duì)抗震不利。 另一方面，由于結(jié)構(gòu)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(yīng)不斷變化的居住模式的要求。與傳 統(tǒng)住宅相比，多層輕鋼住宅具有明顯的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，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(gòu)件截面特性優(yōu)良，相對(duì)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(jié)約材料，減輕結(jié)構(gòu)重量，降 低基礎(chǔ)，運(yùn)輸和安裝費(fèi)用。因此，對(duì)地震區(qū)，地質(zhì)條件差和 運(yùn)輸不便的地區(qū)，其優(yōu)越性更為明顯。(2) 外形美觀，建筑造型簡(jiǎn)潔，豐富，構(gòu)件截面尺寸小，凈使用面積增加。鋼材 強(qiáng)度高， 可以

6、提供較大的柱網(wǎng)布置； 當(dāng)考慮樓板的組合作用， 使用組合梁或扁梁時(shí)，可以增加凈高。這種開放式住宅既為 建筑師提供設(shè)計(jì)的回旋余地，又為住戶提供了靈活分隔室內(nèi) 空間的可能。 (3) 供貨迅速，安裝方便，可以比混凝土結(jié)構(gòu) 至少縮短一半工期。在當(dāng)前貸款利率高的 金融 形式下，早 投產(chǎn)，早回收投資，這對(duì)于降低工程總造價(jià)，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(shè)快速，高效，質(zhì)量有保證。(5) 輕鋼結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)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(fù)使用性和可循環(huán)性，因此是一種綠色環(huán)保結(jié) 構(gòu)。 3. 多層輕鋼住宅的體系與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)3.1 抗側(cè)力結(jié)

7、構(gòu)體系 主要 應(yīng)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(cè)力體系等。(1)純框架體系常用于 48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(cè)向剛度較弱。 相對(duì)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(jié)構(gòu)自身的側(cè)移剛度，減少抗側(cè)移構(gòu) 件內(nèi)力，加強(qiáng)耗能機(jī)制，提高建筑物的延性。但節(jié)點(diǎn)形式較 為復(fù)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(shù)情況下，這種體系為橫向承重。梁柱節(jié)點(diǎn)在橫向上，為剛接

8、； 縱向?yàn)殂q接。因此，結(jié)構(gòu)在縱向相當(dāng)于排架，抗側(cè)移剛度很 低，需設(shè)置側(cè)向支撐抵抗水平荷載，限制結(jié)構(gòu)的水平變形。 支撐可用槽鋼，角鋼或圓鋼桿，具體形式可結(jié)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(jiǎn)單明快，但必須設(shè)置兩組不同傾斜支撐，以保證結(jié)構(gòu)在兩 個(gè)方向具有同樣抗側(cè)力能力。 X 型支撐具有很好的側(cè)向剛度， 但是交叉點(diǎn)處的細(xì)部構(gòu)造比較復(fù)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(cè)力剛度，與中心支撐相似；在大地震作用 下，保證支撐不發(fā)生受壓屈曲， 而讓耗能梁段屈服消耗能量。 它是專為抗震設(shè)計(jì)提供的支撐形式。 （3

9、） 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(shè)計(jì)成鋼筋混凝土墻 （筒）。這樣即有效的加強(qiáng)了建筑物的側(cè)向剛度， 又解決了樓 梯間的防火 問題 。如果結(jié)構(gòu)剛心偏移過大，出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的問 題，可在適當(dāng)部位設(shè)置鋼支撐。 （4） 周圍抗側(cè)力體系。這種 體系在歐美國(guó)家的商業(yè)和民用建筑中十分流行。它的特點(diǎn)是 剛架柱強(qiáng)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(chǔ)。它適用于建筑外型接近于正方型的 結(jié)構(gòu)?？梢詫⑦@種思路應(yīng)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

10、轉(zhuǎn) 90 度，梁柱由鉸接變?yōu)?剛接。這樣，剛架柱同時(shí)起到抗風(fēng)柱與豎向支撐的作用。 對(duì) 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?？梢愿鶕?jù)建筑平面設(shè)計(jì)的要求，靈活處理，綜合使用 不同的抗側(cè)力體系。 3.2 樓面屋蓋結(jié)構(gòu) 樓面和屋蓋必須 有足夠的強(qiáng)度，剛度和穩(wěn)定性， 同時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量減少樓板厚度， 增加室內(nèi)凈高。壓型鋼板混凝土組合樓蓋是目前應(yīng)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(yōu)點(diǎn)。具體做法是在鋼梁上鋪設(shè)壓型鋼板， 再現(xiàn)澆100150mm 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(xié)同工作構(gòu)成組合樓蓋。這種做法耗鋼量較大，且需 防火處理。

11、可以用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土薄板取代壓型鋼板。此 外，預(yù)應(yīng)力圓孔板、迭合板、組合扁梁也是常用形式。 3.3 墻體結(jié)構(gòu) 各種輕質(zhì)墻體材料以其良好的保溫、隔熱、隔聲 性能受到開發(fā)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(hù)結(jié)構(gòu)的加氣混凝 土塊、太空板、輕鋼龍骨加強(qiáng)板等，以及用于內(nèi)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(qiáng)外墻板等。采用非自承重式墻體材料，需設(shè)置墻梁用 以懸掛外圍護(hù)結(jié)構(gòu)。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 （

12、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(shí)，鋼材的屈服強(qiáng)度將降為常溫的一半， 溫度達(dá)到 600 °C 時(shí)，鋼材基本喪失全部強(qiáng)度和剛度。 所以，鋼結(jié)構(gòu)不僅要進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)，還要采用防火措 施保護(hù)。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(jié)構(gòu)構(gòu)件上。防火涂 料主要兩類：涂層850mm，粒狀表面，密度較小，耐火極 限13h的為厚涂型防火隔熱材料；涂層37mm，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(jià)較低，操作簡(jiǎn)便，施工速度快，但是構(gòu)件表面不平整，

13、 影響 美觀。（ 2 ）隔離法。 將防火材料或防火磚沿構(gòu)件的外圍， 將構(gòu)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(gòu)件。 （ 3）實(shí)心包裹法。將鋼構(gòu)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(jīng)過處理的構(gòu)件表面?？够饦O限最高達(dá) 2h。覆蓋法施工容易，但不適用于潮濕的環(huán)境，僅適用于干 燥的室內(nèi)。 4. 工程實(shí)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(jié)構(gòu)，長(zhǎng) 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

14、 ，輕型屋面恒荷載 0.3kN/m2 ;基本風(fēng)壓0.25 kN/m2 ;設(shè)計(jì)地震烈度為 7度，n 類場(chǎng)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(tǒng)， 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(nèi)隔墻為 90mm 厚菱鎂土板。條型基礎(chǔ) ,柱與基礎(chǔ)為剛接。示范樓共有四個(gè)居住單元，兩種建筑平面布置形式，建筑面積分別為 143 M2 ， 102 M2 。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(shí)現(xiàn)了 梁與樓蓋的一體化，減少了結(jié)構(gòu)層高。對(duì)于正常極限狀態(tài)下 的組合扁梁，將鋼和混凝土兩種

15、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(jì)算 。為了樓板的放置，扁梁的下翼緣一般較寬，需驗(yàn)算施工時(shí)產(chǎn)生的偏心 荷載。為了減少設(shè)計(jì)工作量，通常把扭矩簡(jiǎn)化為已對(duì)大小相 等、方向相反的力分別作用于扁梁的上下翼緣。詳細(xì) 分析 方法見文獻(xiàn)。4. 2計(jì)算方法與基本要求對(duì)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(jì)算模型。本工程采用的是普通樓板，不考 慮樓蓋對(duì)鋼架梁剛度增大的作用， 忽略樓板的空間聯(lián)系作用， 空間模型為純框架結(jié)構(gòu)。計(jì)算分析是采用有限元分析軟件 ANSYS 完成。 在結(jié)構(gòu)計(jì)算中采用三維梁?jiǎn)卧?質(zhì)量單元計(jì)算 結(jié)構(gòu)自振周期以及靜力分

16、析。 相對(duì)于 工業(yè) 建筑而言， 多層 民用建筑的荷載工況簡(jiǎn)單明了。主要考慮以下三種工況：工況一： 1.2× 恒載標(biāo)準(zhǔn)值 1.4× 活荷載標(biāo)準(zhǔn)值 工況二： 1.2× 恒載標(biāo)準(zhǔn)值 0.85×1.4× (風(fēng) 荷載活荷載)標(biāo)準(zhǔn)值 工況三： 1.2× 重力代表值 1.3× 水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值 對(duì)于多層輕鋼住宅地震荷 載計(jì)算，由于樓層較低，結(jié)構(gòu)布置對(duì)稱，采用底部剪力法就 可滿足要求。 多層輕鋼住宅側(cè)向位移具體要求如下 : (1) 在風(fēng)荷載作用下的頂點(diǎn)水平位移與總高度之比不宜大于 1/500 。(2) 層間相對(duì)位移與層高之比不宜大于 1/

17、400 。(3)在常遇地震作用下，層間側(cè)移不超過樓層高度 1/250 。 對(duì) 于多層輕鋼住宅 ,還要滿足剛架柱構(gòu)件穩(wěn)定性與鋼框架的整 體穩(wěn)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 300x300x12x8 92.91 51.96 1.657 1/426 1.232 1/633 方 案 二 300x300x10x10 114.55 57.46 1.140 1/700 1.231 1

18、/632 方 案比較節(jié)省19 %節(jié)省9.6 %基本相同4. 3計(jì)算分析由于活荷載與基本風(fēng)壓較小，所以工況三為控制工況。計(jì)算 設(shè)計(jì)時(shí)將兩種方案進(jìn)行了比較，不改變剛架梁的截面形式， 只對(duì)剛架柱進(jìn)行改動(dòng)。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(jì)算結(jié)果， 可得到以下結(jié)論： (1)兩種方案的剛架柱在強(qiáng)軸方向慣性矩 相同，即在橫向結(jié)構(gòu)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(zhǎng)寬比 5，縱橫雙向剛接，因此對(duì)于方案一，當(dāng)橫向側(cè)向剛度滿足要 求時(shí)，縱向剛度也能達(dá)到要求。(3) 在滿足規(guī)范要求的前提下，方案一節(jié)約鋼材用量， 單位面積用鋼量減少約 10%， 經(jīng) 濟(jì) 性好。因此，在設(shè)計(jì)中選擇了工字形剛架柱。表 3 示范樓 主要構(gòu)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(wěn)引起的結(jié)構(gòu)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(gòu)件尺寸及 其用鋼量 截面尺寸( mm ) 用鋼量 (t) 比例(%) 剛架 柱( GJZ ) I30