钢结构住宅建筑发展及结构体系分析

在倡导可持续发展和生态建筑理念的今天 , 中国 传统的 “ 秦砖汉瓦 ” 式的砖混结构以及古老的木结构即 将退出历史舞台 , 形成钢结构与钢筋混凝土结构并驾 齐驱之势 。 就建筑发展的趋势而言 , 一是向高层及超高 层方向发展 , 二是向大跨及超大跨度的方向发展 。 在这 两个领域 , 钢结构除了自身强度高 , 塑性韧性好 , 抗震 性能好 , 工业化程度高 , 综合经济效益好等常规优点 外 , 更具有其他结构形式无与伦比的优势 1。近两年来 , 我国钢材年产量突破 1.2亿 t , 属世界钢 材大国 , 建筑行业可采用的钢材也非常充足 。 因此 , 国 家的政策由节约用钢到鼓励用钢 , 以促进建筑上用钢 比例 , 尤其是占建筑比例较大的钢结构住宅建筑已成 为我国重点发展对象 。1国内外钢结构住宅建筑发展1.1国外的应用与发展由于环保意识的加强和木材短缺等因素 , 目前许多国家如美国 、 日本 、 英国 、 澳洲等 , 正积极地推动预制 装配化钢结构中低层住宅的应用与发展 。 美国在 1992年仅 500栋 , 而 1998年就达到 12万栋 , 2000年更达到 20万栋的规模 , 约占住宅建筑总数的 20%。 现在英国的多 层和低层住宅 、 办公楼 、 购物中心 、 学校和其他公共设 施中 , 80%以上都采用轻钢结构或钢结构 。 日本的钢结 构建筑数量最多 , 其新建的 1-4层建筑大都采用了钢结 构 。 在日本 , 人们更重视其良好的抗震性能 , 工业化住 宅已占日本新建住宅的 20%。1.2国内的应用与发展改革开放以来 , 我国住宅建设发展很快 , 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 , 国务院于 1999年在第 72号文件中明确提出 :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 。 由此可见 , 钢结构住宅是我国生产力发展到 一定阶段的必然产物 , 必将成为住宅产业的一支新生 力量 。政策方面上 , 建设部于 2001年底发布了 “ 钢结构住 宅建筑产业化技术导则 ”, 该文件为规范和促进我国钢 结构住宅建筑的发展 , 探索适合中国国情的钢结构住 宅产业化发展道路 , 提供了有力的政策指导 。 2007年年 初 , 建设部和国家冶金工业局联合组织建筑用钢技术 协调组制定 国家建筑钢结构产业 “ 十五计划 ” 和 2015年发展规划纲要 。 此外 , 国家为加快住宅产业现代化 的步伐 , 采取了一系列的措施 , 不但明确提出要积极合钢结构住宅建筑发展及结构体系分析刘文立 , 郭玉(山东华新房地产开发有限公司 , 山东新泰 摘要 :介绍钢结构住宅建筑在国内外的应用和发展概况 , 指出钢结构住宅建筑的优点 , 从钢结构承重 、 楼面结构和围护结构三个方面重点讨论钢结构住宅建筑的结构体系组成 , 最后分析钢结构住宅建筑存在的主要问 题和未来发展方向 。关键词 :钢结构 ; 住宅建筑 ; 结构体系 中图分类号 :TU 392文献标识码 :A文章编号 :1000-4726(2009 02-0172-03ANALYSIS ON DEVELOPMENT OF STEEL STRUCTURE RESIDENTIALBUILDING AND STRUCTURAL SYSTEMLIU Wenli, GUO Yu(ShandongHua-xin Real Estate Development Co. LTD, , Xintai, Shandong , ChinaAbstract:Application and development of steel structure residential buildings both at home and abroad are introduced herein, and advantages of steel structure residential buildings are analyzed. Structural system of steel structure residential buildings is discussed on three aspects, such as load bearing of steel structure, floor struc -ture and fender structure. Main problems and development trend of steel structure residential buildings are also analyzed.Key words:steel structure ; residential building ; structure system收稿日期 :2008-11-11作者简介 :刘文立 (1971-, 男 , 山东邹城人 , 山东华新房地产开发有限 公司 , 工程师 , 山东省泰安市高新开发区奥林匹克花园中天商务运动 城 , , e-mail:建 筑 技 术Architecture Technology第 40卷第 2期 2009年 2月Vol.40No.2Feb. 20091722009年第 2期理地扩大钢结构在建筑中的应用 , 还明确规定了被淘 汰建材品种及淘汰的时间表 。近几年来建设部组织 “ 钢结构住宅建筑与关键技 术研究 ” 项目 , 确定了 29个试点工程 , 房地产开发商 、 投 资公司 、 大型钢铁企业和有远见的民营企业纷纷投入 研究开发工作 。 目前 , 北京 、 上海 、 天津 、 山东等省市已 开始进行钢结构住宅的试点工程 , 我国住宅钢结构的 研究和开发进入了实施阶段 。 其中 , 天津市建委已完成 试点工程 , 开始成片开发 ; 莱钢和马钢利用本公司钢材 产品自行开发 , 已建成示范工程 ; 北京赛博思公司在多 层钢结构住宅体系方面已开始承建大批量工程 ; 上海 现代房地产公司投资数千万元进行研究 , 现在已开始 走出国门 , 承接菲律宾钢结构住宅工程等 。2钢结构住宅建筑的优点钢结构住宅建筑是以钢结构作为承重结构并与轻 质墙板体系相配套的一种新型住宅建筑体系 。 从住宅 建筑发展来看 , 钢结构住宅有如下优点 :(1 比传统砖 混 、 混凝土住宅能更好地满足大开间 、 灵活分隔的要 求 , 能更好地满足现代住宅市场的需要 , 同时能增加使 用面积 5%8%;(2 延性好 , 塑性变形能力强 , 抗震性 能好 , 从而大大提高了住宅的安全性和可靠性 ;(3 自 重轻 , 承载力大 , 其重量仅为普通砖混住宅的 2/3左右 , 可大大减少基础造价 , 且施工周期短 , 可缩短资金占用 周期 , 提高投资效益 ;(4 工业化程度高 , 有利于构件标 准化和降低成本 , 现场湿作业少 , 其材料本身可再生利 用 , 符合环保要求 ;(5 采用与钢结构配套的轻质墙板 、 复合楼板等新材料 , 符合建筑节能要求 。3钢结构住宅结构体系钢结构住宅建筑的结构体系主要由钢结构承重体 系 、 楼面结构体系和围护结构体系等组成 2。3.1钢结构承重体系钢结构住宅承重体系宜采用钢框架体系 , 因为框 架体系的钢结构住宅自重轻 、 自振周期较长 , 对地震作 用反应不敏感 。 全框架体系属典型的柔性结构体系 , 其 高侧向刚度较小 , 当结构高度或层高较大时 , 需设置各 种侧向支撑 , 或者结合电梯井 、 楼梯间的布置 , 采用钢 框架 混凝土剪力墙 、 钢框架 抗剪钢板剪力墙 、 钢框 架 抗剪桁架结构等体系 , 以确保对结构水平位移的 严格控制 。 钢结构住宅结构体系种类繁多 , 但大致可分 为以下几种体系 。(1 纯钢框架体系 。 这种体系的主要特点在于在 垂直平面上不设斜杆 , 传力路径明确 , 建筑平面布置灵 活 , 制作安装简单 。 其结构各部分的刚度较均匀 , 构造 也较简单 ; 框架结构的梁 、 柱构件易于标准化 、 定型化 、 装配化 ; 但抗侧移刚度较小 。 基于抗震验算要求 , 其建 造楼层一般不应超过 12层 。(2 钢框架 支撑结构体系 。 这种体系是在钢框 架中沿房屋进深方向布置钢支撑 , 或沿房屋进深和纵 向布置 , 有时还可以连接成支撑芯筒 , 以获得较大的抗 侧移刚度 。 这种体系适用于抵抗小震或中震 , 抗侧移刚 度足以承受侧向水平力 。 一般来说 , 此体系较纯框架结 构用钢量少 , 节点构造较其他体系相对简单 。 同时 , 采 用支撑结构能大大增加结构的整体刚度 , 提高抗侧能 力 , 因而建筑高度可以提高到 40层左右 。(3 钢框架 剪力墙结构体系 。 这种体系中 , 一般 在钢框架内采用带竖缝的钢筋混凝土抗震墙板或内埋 钢支撑的预制钢筋混凝土墙板 , 它可与室内横隔墙结 合布置 , 形成房屋的主要抗侧力构件 , 抗侧移刚度大 。 若在房屋的楼梯间 、 电梯间或卫生间布置钢筋混凝土 墙体 , 则可与外周钢框架形成框架 多筒结构体系 。 (4 钢 混凝土组合结构体系 。 这种体系采用钢 管 (方钢管或圆钢管 混凝土柱 、 H 型钢梁或钢骨混凝土 梁组成抗侧力体系 , 必要时亦可设置钢支撑或剪力墙 构件 , 以增加抗侧移刚度 。(5 空间错列桁架结构体系 。 这种体系是由高度 等于楼层高 , 跨度等于房屋总宽度的桁架 , 支撑于房屋 外侧的纵列柱上 , 相邻上 、 下层错列布置 , 中间无柱 , 楼 板分别搁置在左 、 右桁架析架的上弦和下弦上 。 由于桁 架有一层楼高 , 其横向抗侧移刚度大 ; 又由于该体系中 的纵柱主要承受轴力 , 其柱截面强轴可布置在纵向 , 故 其纵向抗侧移刚度亦很大 。 这种体系通常为 1520层 , 但也曾用到 3540层的建筑物中 。3.2楼面结构体系楼面结构由钢梁和楼面板组合而成 。 楼面主次梁 应采取紧凑型构造措施 , 并和楼面板紧密联系 , 以保证 钢梁的整体稳定性 。 作为民用住宅结构 , 楼板必须有足 够的强度 、 刚度和整体稳定性 , 还要具有较好的隔声 、 防水和防火性能 。 为减轻楼板自重 , 便于管线敷设 , 提 高施工速度 , 减少现场湿作业量 , 目前主要采用的楼板 形式如下 。(1 压型钢板 -现浇混凝土组合楼板 。 压型钢板 通过栓钉固定在钢梁上 , 可作为永久性模板并参与共 同工作 , 省去了支模板的不便 。 现浇混凝土板若采用轻 骨料混凝土 , 可大大降低组合楼板的自重 。(2 预制预应力混凝土叠合楼板 。 将预制的预应 力混凝土薄板与钢梁连接 , 上浇混凝土以组成叠合板 ,刘文立 , 等 :钢结构住宅建筑发展及结构体系分析 173建 筑 技 术 第 40卷这种叠合楼板同样无需模板 , 施工方便 , 且省去了压型 钢板 , 可降低楼板造价 。(3 钢骨架轻质保温隔声复合楼板 。 这种楼板具 有承载能力大 、 轻质 、 保温 、 节能 、 隔声 、 不开裂 、 防火 、 管线暗敷 、 工厂化生产 、 无模板施工等综合功能 。 (4 密排托架 -现浇混凝土组合楼板 , 双向轻钢密 肋组合楼盖 。 楼面次梁采用密排托架 , 与混凝土楼板组 合工作 。 各类设备管道可从托架腹中穿过 , 节约净空 。 (5 现浇钢骨混凝土大跨度空心楼盖 。 有两种形 式 :梁式钢骨混凝土空心楼盖 , 框架梁为钢骨混凝土明 梁 ; 无梁 (暗梁 钢骨混凝土空心楼盖 。 楼板中埋设 GBF 轻质高强复合薄壁空心管 。3.3围护结构体系为减轻结构自重 , 满足建筑节能要求 , 充分发挥钢 结构的优势 , 围护墙体应采用轻质材料 , 如外墙可采用 蒸压加气混凝土墙板 (ALC板 、 SRC 复合保温墙板等工 厂预制的标准化轻质墙板 、 玻璃纤维加强水泥外墙板 和玻璃幕墙等 。 内墙可采用轻钢龙骨石膏板 、 加气混凝 土轻质墙板 、 ALC 轻质砌块和轻质改性石膏砌块等 。 屋盖系统尽量采用有擦体系 , 屋面材料可与楼面 相同 , 也可采用彩色压型钢板防水屋面系统 , 该系统有 良好的防水效果 , 屋面隔热保温性能好 , 并丰富了建筑 物的外形 。4钢结构住宅建筑存在问题及发展方向4.1存在问题就国内外的研究及应用现状而言 , 美国 、 日本 、 澳 大利亚及加拿大等国在钢结构住宅领域已开展了多年 的理论与实验研究 , 形成了自己的完善体系 , 并已新建 了一大批示范性建筑 。 我国的钢结构住宅目前尚处于 启动阶段 , 虽然近年来在上海 、 北京 、 天津 、 山东等地探 索性地兴建了一批钢结构住宅 , 积累了经验 , 但系统性 的研究尚属空白 3。 我国钢结构住宅建筑的主要问题可 归纳为以下几点 :(1 钢结构住宅的材料不完善 , 缺乏 技术创新 ;(2 体系的技术和产品不配套 , 性能较差 , 施 工处于粗放阶段 ;(3 住宅建设标准化程度低 , 住宅产 品部件生产缺乏标准化指导 ;(4 有关的钢结构住宅标 准 、 规范不完善 , 致使结构体系设计缺乏统一标准 ;(5 体系的最终产品单一 , 缺乏灵活性和适应性 , 不能满足 住房市场的需求 ;(6 钢材防火 、 防腐及保温 、 隔声 、 抗 震等技术还不够成熟 , 需要不断完善和创新 。随着我国国民经济的发展 , 人民物质文化生活有 了很大的改善 , 为了解决上述问题 , 必须研究钢结构住 宅建筑体系 , 创造出良好的居住空间 , 使居民住得更 好 、 更舒适 。4.2发展方向(1 强柱弱梁设计 :柱与梁连接宜改为半刚接或 铰接 , 这样易于施工 , 且吊装工期大大加快 , 也使结构 内力分布更合理 。(2 楼群整体施工 :为体现钢结构施工速度快的 优势 , 降低造价 , 增加效益 , 住宅小区应区域性施工 , 场 地集中组装结构吊装空间单元 , 利用同一台可移动塔 吊吊装 , 有利于化解围护结构施工慢的矛盾 , 从而提高 钢结构住宅的竞争力 。(3 加快围护结构产品研究与开发 :只有开发生 产保温 、 隔热 、 吸声 、 强度高 、 施工方便 、 工厂化生产 、 成 本低的围护结构产品 , 才能体现钢结构住宅的优越性 , 才能给住宅建设带来历史性的变革 。(4 选择合理的钢框架截面形式 :考虑到房屋的 使用功能要求 , 在满足结构构件强度 、 刚度 、 延性等要 求的前提下 ,