低多层钢结构住宅体系及比较分析

1、 低多层钢结构住宅体系及比较分析石红雷,王小平武汉理工大学土木工程与建筑学院,武汉(430070摘要:低、多层钢结构住宅体系具有抗震性能好、建造速度快、自重轻、基础造价低、环保、可工业化生产等一系列优点,在我国建筑行业正得到越来越多的重视,具有良好的发展前景。本文在查阅相关文献的基础上,介绍了现阶段所采用的各种低、多层钢结构住宅体系,总结了各类钢结构住宅体系的特点、用钢量及应用范围。并与传统的钢筋混凝土和砌体结构进行了综合比较分析,说明轻钢住宅结构体系的优势和经济效益。关键词:低多层钢结构住宅体系;钢结构;综合比较分析1. 概述钢结构住宅造型美观,功能齐全,综合效益好,性能价格比高,已开始受到

2、开发商的青睐,初步得到消费者的认可。随着我国钢产量的增加,国家对用钢政策由限制用钢到合理用钢再到积极用钢,要求在2015年,建筑钢结构用钢达到全国钢材总产量的6%23。因此,钢结构住宅在我国今后一段时间具有非常好的前景。本文主要介绍了现阶段各种低、多层住宅结构体系,并对每种结构体系的用钢量、体系特点进行对比,确定了各种结构体系的使用范围。对多层钢结构住宅与传统混凝土和砌体结构多层住宅的综合经济指标进行分析,说明了钢结构多层住宅与传统住宅相比有较好的发展前景。2. 低多层钢结构住宅结构体系2.1冷弯薄壁型钢体系冷弯薄壁型钢结构体系是由木结构演变而来的一种轻型结构体系,每个住宅单元的最大长度不超过

3、18m,宽度不超过12m,单层承重墙高度不超过3.3m,檐口高度不超过9m,屋面坡度宜在1.41.1范围内1。冷弯薄壁型钢结构住宅的基本构件有C形(卷边槽形、U形、Z形构件。可单独使用,也可组合使用,杆件间连接采用自攻螺钉。构件用钢采用Q235或Q345钢,厚度一般在0.452.5mm内。2.2无比轻钢龙骨体系无比轻钢龙骨体系,简称无比钢,是一种新型的钢结构体系。具有墙厚小、质量轻、承载力大、抗震性能好、施工速度快、无需支模板、管线布置方便、阻热、保温、隔声、防火等特点2。该体系主要由楼板、桁架梁、墙体和基础四部分组成,该结构体系中最基本的单元是小桁架。这种小桁架有冷弯薄壁方(矩形钢管和三角形

4、的V型连接件通过自攻螺丝连接而成,可以作为桁架梁,也可以为墙体中的受力骨架。其中作为桁架梁上弦桁架的镀锌冷弯方钢管或矩形管,其截面尺寸有40mm×40mm、40mm×60mm和40mm×80mm三种,厚度一般为1.5mm。V型连接件分大、中、小三种,C型截面,厚度为1.2mm3。2.3钢框架结构钢框架结构体系是把梁柱钢接在一起形成的空间杆系结构。它依靠梁柱受弯来承受竖向荷载和水平荷载。柱子采用轧制或焊接工字钢、方钢管、圆钢管或冷弯型组合断面,也可采 用钢管混凝土。常见柱距为5m8m4-7。对于多层住宅,结构的柱网尺寸一般去6m×4.5m。主梁主要采用H型

5、钢,次梁可以有多种做法。当水平荷载起控制作用时,宜优先选用Q235钢材.节点采用刚接或半刚接,但不宜全部铰接。中、低层钢结构房屋多采用空间框架结构体系,即沿房屋的纵向和横向均采用刚接钢桁架作为主要承重构件,也可采用平面框架体系,但必须注意加强各榀框架之间的连接与支撑12,13。2.4交错桁架结构体系交错桁架结构体系的基本组成是柱子、桁架、梁和板。柱子布置在房屋周围,不设中间柱8,10。桁架跨度等于建筑全宽,高度等于楼层高度,桁架两端支承在外围柱上,在相临柱轴线上为上、下层交错布置。而楼板一端支承在桁架的上桁架,另一端悬挂在相临桁架的下弦杆。因此,每层楼面在两个相临桁架之间可以获得一个较大的空间

6、11,12,14。建筑纵向外围各柱通过连梁连接。由于楼板跨度的限制,在顶层可采用立柱支承楼面板,底层可在二层设吊杆支承。建筑水平荷载主要被桁架中斜腹杆轴力的水平分量所平衡,水平荷载最终通过落地桁架的斜腹杆或低层斜撑传至基础。桁架杆件截面可采用角钢、焊接H型、或方管截面。柱截面通常采用H型、钢管等21。交错桁架结构体系的平面布置宜采用矩形,也可采用其他形状如L形、T形或半圆形,计算较复杂。2.5钢框架支撑体系钢框架支撑体系是由钢框架和支撑体系共同形成的抗侧力体系。以框架为基本结构,在房屋纵向、横向或其它主轴方向,根据侧力的大小布置一定的垂直支撑桁架。该体系借助支撑来承受水平力,并提供侧向刚度。支

7、撑形式有人字型支撑、X型支撑、单斜杆型、倒人自型、W型、倒W型、门式等形式。按支撑位置设置可采用偏交支撑,中心支撑等4,5,7,14。支撑可采用槽钢或角钢,垂直布置在墙体平面内。垂直支撑一般沿同一竖向柱距内连续布置,以保证刚度的连续性。当不考虑抗震时,若立面布置需要,宜可交错布置。如果支撑桁架高宽比过大,为增加支撑桁架的宽度也可布置在几个柱间21,22。2.6钢框架墙板体系钢框架墙板体系是以框架结构为基础,沿房屋的横向、纵向或其它主轴方向,布置一定数量的预制墙板而组成的结构体系。由于失稳钢筋混凝土墙板的刚度较大,地震时易发生应力集中,导致墙体产生斜向大裂纹而发生脆性破坏,一般采用带竖缝的预制钢

8、筋混凝土墙板。在强震作用下,能大量吸收地震能,各壁柱继续保持其承载能力5。此外,还可采用内藏钢板支撑的预制钢筋混凝土墙板,或是带纵横向加劲肋的钢板墙。预制墙板镶嵌于钢框架梁柱所形成的框格内,从结构底部到顶部连7。2.7钢框架剪力墙结构体系钢框架剪力墙结构是由钢框架和剪力墙共同组合形成的抗侧力体系。在框架结构中,布置一定数量的剪力墙,使框架和剪力墙结合起来,共同抵抗水平荷载。钢框架主要承受竖向荷载,剪力墙多采用组合剪力墙,即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的屈曲,提高剪力墙的强度和耗能能力的用料22。为避免产生脆性破坏,可采用带缝剪力墙,同时剪力墙与钢框架采用铰接。水平

9、荷载主要由剪力墙承担。 2.8钢框架核心筒结构将框架剪力墙体系中的剪力墙封闭成核心筒,外侧周边仍为钢框架,就形成了框架核心筒体系。核心筒体材料即可采用钢筋混凝土结构,也可采用钢结构,形式上即可是实腹筒,也可以是桁架筒。筒体承担大部分水平力(90%以上及全部扭矩,竖向荷载则按荷载面积比例分配给框架和筒体7,22。2.9钢框架支撑体剪力墙(核心筒结构体系钢框架支撑体剪力墙(核心筒组合结构是将钢框架,钢支撑,混凝土核心筒三者都组合起来的一种结构体系,满足了多层钢结构住宅中体形复杂和功能的需求。钢框架承受竖向荷载,支撑和剪力墙(核心筒承担水平荷载4。3. 各种结构体系的综合比较轻钢结构住宅具有一系列的

10、建筑、结构和经济优势。但现阶段在我国没有得到推广普及,这主要与人们的传统观念有关,即总认为钢结构用钢量大,主体结构造价高,因此妨碍了它在我国的发展。3.1我国低多层钢结构住宅工程概况表1 我国低多层钢结构住宅工程概况 结构分类 工程地点 工程名称 结构类型 总建筑面积(万m 2层数 建成时间唐山裕华道轻钢别墅 轻钢框架5.4352001低层杭州金都富春山居轻钢框架 1.7232003长沙 远大集成住宅钢框架 0.4 8 2002 北京 亦庄青年公寓钢框架混凝土核心筒 12 62003青岛 艾非尔花园 钢框架 6多层青岛艾非尔花园钢框架支撑31120033.2钢结构住宅与传统住宅相比的优点 3.

11、3各种结构体系用钢量、结构特点及使用范围比较 表3 各种结构体系用钢量、结构特点及使用范围冷弯薄壁型钢结构体系30Kg/ m2左右,采用高强钢材可减少至10Kg/ m21节能、节地、节材、环保有于住宅产业化结构自重轻,施周期短,经济效益好适用两层及局部三层以下独立或连排住宅无比轻钢龙骨体系30Kg/ m2左右具有墙厚小、质量轻、承载大、抗震性能好、施工速度快、需支模板、管线布置方便、阻热、保温、隔声、防火等特点。一般用于四层及以下低层住宅,现正推广扩展至四层以上多层住宅钢框架结构体系采用高频焊接H型钢,用钢量可低至35Kg45Kg/m2 6平面布置灵活,自重轻,延好,各部分刚度均匀,具有良好耗

12、能能段,不易产生应力集中易与其他形式组合。侧向刚度小,水平荷载作用下位移较大,易引起非结构构件破坏。适用于6层以下的民用钢结构住宅,不宜在多遇地震区使用交错桁架结构体系50kg/ m2 左右22,七度抗震设防区,用钢量约3241Kg/ m2 8,21结构抗侧移刚度大,位移小,柱强轴可布置在纵向,以加大结构纵向侧移刚度。对开间和进深有较大要求的多层钢结构住宅、办公楼、旅馆、公寓等多高层建筑钢框架支撑结构体系27Kg35Kg/ m2 23框架与支撑协同工作,抗侧承载力主要由垂直支撑提供,弹性阶段具有较大的侧向位移,支撑系统破坏后,结构可进行内力重分配适用于六层以上的多层及中高层钢结构住宅钢框架墙板

13、结构体系/ 预制墙板承担楼层水平剪力,为整个结构体系的侧向刚度提供部分抗剪刚度,钢框架承担全部倾覆弯矩和部分水平剪力1330层高层民用住宅钢框架剪力墙结体系65Kg/ m2 20左右该结构体系即有框架结构面布置灵活,使用灵活方便的特点,又有较大的刚度多层及中高层钢结构住宅钢框架核心筒结构体系5570Kg/ m2 23左右筒体承担大部分水平力(90%以上及全部扭矩,竖向荷载按荷载面积比例分配给框架和筒体对结构的整体刚度和侧向刚度要求较高的730层中高层住宅钢框架支撑体剪力墙(核心筒组合结构体系7586Kg/ m2 框架承担竖向荷载,煎力墙承担水平荷载。整体稳定性和抗震性能强适用于地震多发区的多高

14、层建筑4. 轻钢住宅体系与传统住宅结构体系的综合比较轻钢住宅在技术上没有困难,在质量上与传统结构相比具有优势,如果将建筑的有效使用面积、基础处理、施工速度、施工对周围环境的影响以及建筑的可持续发展等综合因素联系在一起,以综合经济指标为根据来考虑钢结构建筑的造价会发现钢结构建筑的造价优于传统结构造价。4.1. 下面以北方地区层数相当、开工年份月份相同的钢结构、钢筋混凝土和砖混 结构多层住宅进行比较20。三个工程的概况的如表四表4 三种结构形式经济效益比较结构形式钢结构钢筋混凝土(R.C结构砖混结构地点北京沈阳沈阳层数 6 7 6建造时间 2000年4月 2000年4月 2000年4月工期(月 4

15、 8 7钢筋混凝土框架体系砖混结构结构体系热轧H型钢框架剪力墙柱断面尺寸(mmH200×200×8×12 500×500 240×240梁断面尺寸(mmH250×125×6×8 650×250楼板 100mm厚现浇板 110mm厚现浇板 140mm厚现浇板桩基础桩基础基础形式框架:钢筋混凝土单独基础加连梁剪力墙;钢筋混凝土筏基9987.54 总建筑面积(m25533 7094.1228 综合用钢量(kg/ m265 56.62以下分别从施工速度、基础费用以及建筑的使用面积方面来计算开发商的综合经济收益:4.2施工速度的影响三种结构的施工速度比较如表五表5 三种结构形式工期比较结构体系钢结构 RC结构砖混结构工程有效期(天120 280 2759987.54建筑面积(m25533 7094.12单位面积的有效工期(天/ m20.022 0.039 0.028相对提前工期(天/ m20.017 0 0.011 由于钢结构适合工业化生产,其钢框架的安装仅用10天即可完成,利于各层进行交叉作业。而砖混结构虽然砌筑作业量大,但混凝土养护、梁柱支模作业量比钢筋混凝土结构少,因此三种工程的施工速度比为