1、1浅谈钢结构住宅的特点及施工设计中图分类号：TU74 文献标识码： A 一、钢结构住宅的特点和优越性 钢结构由于在高层建筑和大跨度高耸结构方面的优越性，使其在非居住建筑领域得到了广泛的应用。 1.1 钢结构的优点 一般来说，材料的特性是推出新型建筑形式的出发点。钢结构是用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢制造而成的。和其它材料的结构相比，钢结构有如下一些特点。 1.1.1 材料的强度高，塑性和韧性好 钢材和其它建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比，强度要高得多。因此，特别适用于跨度大或荷载很大的构件和结构。钢材还具有塑性和韧性好的特点。塑性好，结构在一般条件下不会因超载而突然断裂；韧性好，结构
2、对动力荷载的适应性强。良好的吸能能力和延性还使钢结构具有优越的抗震性能。另一方面，由于钢材的强度高，做成的构件截面小而壁薄，受压时需要满足稳定的要求，强度有时不能充分发挥。 1.1.2 材质均匀，与力学计算的假定比较符合 钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性，而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此，钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合。钢材在冶炼和轧制过程中质量可以得到严格控制，材质波2动的范围小。 1.1.3 钢结构制造简便，施工周期短 钢结构所用的材料单纯而且是成材，加工比较简便，并能使用机械操作，因此，大量的钢结构一般在专业化的金属结构厂做成构件，精确度较高。构件在工地拼
3、装，可以采用安设简便的普通螺栓和高强度螺栓，有时还可以在地面拼装和焊接成较大的单元再行吊装，以缩短施工周期。此外，对已建成的钢结构也比较容易进行改建和加固，用螺栓连接的结构还可以根据需要进行拆迁。 1.1.4 钢结构的重量轻 钢材的密度虽比混凝土等建筑材料大，但钢结构却比钢筋混凝土结构轻，原因是钢材的强度与密度之比要比混凝土大得多。以同样的跨度承受同样荷载，钢屋架的重量最多不超过钢筋混凝土屋架的 1/3 至 1/4，冷弯薄壁型钢屋架甚至接近 1/10，为吊装提供了方便条件。对于需要远距离运输的结构，如建造在交通不便的山区和边远地区的工程，重量轻也是一个重要的有利条件。 当然任何一种材料都不是十
4、全十美的，钢材的耐腐蚀性和耐火性就较为欠缺，在对结构进行防护时费用比钢筋混凝土结构高。不过在没有侵蚀性介质的一般厂房中，构件经过彻底除锈并涂上合格的油漆，锈蚀问题也并不严重。近年来出现的耐大气腐蚀的钢材具有较好的抗锈性能，已经逐步推广应用，并取得了良好的效果。钢材长期经受 100辐射热时，强度没有多大变化，具有一定的耐热性能，但温度达 150以上时，就须用隔热层加以保护。钢材不耐火，重要的结构必须注意采取防火措施。3例如，利用蛭石板、蛭石喷涂层或石膏板等加以防护。 1.2 钢结构住宅的特点 钢结构住宅与传统结构相比，在使用功能、设计、施工以及综合经济方面具有优势，主要体现在以下几点： 1.2.
5、1 设计制造工期短，设计生产一体化 现代结构设计借助于计算机和专业化结构分析软件，使得设计周期大大缩短，设计中的修改和调整非常方便。钢结构具有工厂预制、现场安装的特点，可以将前期设计和现代化工业的生产手段相结合，通过网络计算机和数控机床结合，使设计人员在工作室中完成设计后，即由工厂的生产线完成产品制作，具有极高的效率和精确度，可以大大减少项目建设周期。 1.2.2 能够合理布置工程区间 在居住建筑中，建筑师和居民一直希望能够有大跨的无竖向结构的空间，这样，可以根据需求进行灵活隔断，使室内布置呈多样化。传统住宅由于所用材料的性质，限制了空间布置的自由。钢结构住宅可以利用钢材强度高的特点，采用大空
6、间柱网布置，使建筑平面分割灵活。同时，利用钢结构连接简单的特点，在垂直平面内比传统结构更好地应用错层、跃层结构。由于钢结构住宅的结构截面尺寸小，墙体薄，墙体占用面积小，与砖混结构相比，可减少墙体占有面积 60%左右，有效地增加使用面积。 1.2.3 承载强度高，抗震性能优越 相同的荷载，钢结构截面最小，相同的截面，钢结构承载力最大。4在抗震设防区，钢筋混凝土结构有许多不足之处，而钢结构重量轻，六层轻钢住宅的重量仅相当于四层砖混结构的重量，因此，本身所受到的地震作用小；而且，钢材具有高延展性，有较好的耗能能力。因此，抗震性能好，结构安全度高。 1.2.4 施工方面优势突出 现浇混凝土连续施工。在
7、我国北方地区受到施工季节的影响，钢结构施工现场作业量小，减少了施工临时用地，与传统建筑材料相比，对周围环境污染小，提高施工的机械化水平。由于钢结构本身可以为劲性结构承担结构荷载和施工荷载，施工时可以节省支模、拆模的材料，由此降低成本，大大加快施工速度。 1.2.5 符合住房产业化和可持续发展的要求 钢结构承载力高，可以实现结构的大开间布置，构件截面小，与砼结构和砖混结构相比，自重比较轻，地基的处理比较容易，可以采用天然基础型式。由于基础在工程造价中占有比重比较大，上部结构重量轻可以降低基础的造价，从而减少整个项目的投资。钢结构施工机械化高的特点，从另一方面减少了人工费用和模板等其它辅助材料费用
8、。钢结构适宜工厂大批量生产，工业化、商品化程度高。它能将节能、防水、隔热、门窗等先进的成品集合在一起。实现综合成套应用，将设计、生产、施工安装一体化，提高住宅的产业化水平。今后随着城市建设的发展，城市改造需要拆除大量的旧建筑，钢结构比传统结构的拆除更容易实施。钢材回收利用率高、拆除成本低、污染较小，符合可持续发展的要求。钢结构住宅体系易于实现工业化生产，标准化制作，而与之相配5套的墙体材料可以采用节能、环保的新型材料，是绿色环保性建筑，可再生重复利用，符合可持续发展的战略。 二、钢结构住宅的设计思路 2.1 判断结构是否适合用钢结构 钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有
9、较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。2.2 结构选型与结构布置 在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是“概念设计” ，它在结构选型与布置阶段尤其重要。 对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。 运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。 2.3 预估截面 结构布置结束后，需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺
10、寸的假定。 钢梁可选择槽钢、轧制或焊接 H 型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的 1/20-1/50 之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按 l/b 限值确定时，可回避钢梁的整体稳定的复杂计算，这种方法很受欢迎。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范6中局部稳定的构造规定预估。 柱截面按长细比预估，通常 50150，简单选择值在 100 附近。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同，可选择钢管或 H 型钢截面等。2.4 结构分析 目前钢结构实际设计中，结构分析通常为线弹性分析，条件允许时考虑 P-，p-。 新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能
11、，这为更精确的分析结构提供了条件。 2.5 构件设计 构件的设计首先是材料的选择。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。经济考虑，也可以选择不同强度钢材的组合截面。构件设计中，现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面，这和结构内力计算的弹性方法并不匹配，当前的结构软件，都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步，一些软件可以将验算时不通过的构件，从给定的截面库里选择加大一级，并自动重新分析验算，直至通过，如 sap2000 等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了结构师的很多工作量。 2.6 节点设计 连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一。在结构分析前，就应该对节点的形式有充分思考
12、与确定，常常出现的一种情况是，最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致，这必须避免。按传力特性不同，节点分刚接，铰接和半刚接。 72.7 图纸编制 钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段，设计图为设计单位提供，施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制，有时也会由设计单位代为编制。由于近年钢结构项目增多和设计院钢结构工程师缺乏的矛盾，有设计能力的钢结构公司参与设计图编制的情况也很普遍。 设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度的控制，目前比较混乱，各个设计单位之间及其与钢结构公司之间不尽相同。初学者可参考他人的优秀设计并参考相关的工具书，并依据规范规定编制。 三、住宅钢结构体系选型
13、结构体系的选择，不仅要从满足建筑的使用功能出发，节约投资考虑，更主要的是取决于建筑的高度。既取决于建筑层数的多少。建筑层数越多，高度越高，则由于风力或地震引起的侧向力就越大，建筑物必须有相应的刚度来抵抗侧向力。因此，随着建筑层数的不断增加，结构体系也就需要不断的发展。目前，钢结构建筑常用的结构体系有以下几种。 3.1 冷弯薄壁型钢体系 构件用薄钢板冷弯成 C 型、Z 型构件，可单独使用，也可组合使用，杆件间连接采用自攻螺钉。这种体系节点刚性不易保证，抗震能力较差，一般只用于 1-2 层住宅或别墅。 3.2 框架 目前，这种体系在多层钢结构住宅中应用最广。纵横向都设成钢框架，门窗设置灵活，可提供
14、较大的开向，便于用户二次设计，满足各种8生活需求，一般都能满足抗侧刚度要求。但是由于目前框架已 H 型钢为主，弱轴方向梁柱连接的刚性难以保证，因此设计施工时需慎重处理。 3.3 框架支撑体系 在风灾或地震作用较大区域，为提高体系的抗侧刚度，增加轴交支撑或偏交支撑效果很好。这种体系为多重抗侧体系，而且梁柱节点，柱脚节点可设计成铰接、半刚接，施工构造简单，基础主要承受轴力，变性较小，因此成为人们青睐的对象。 3.4 框架剪力墙体系 在低多层住宅中，可以应用传统的剪力墙体系，如混凝土剪力墙或钢板剪力墙。目前正在研究的空腔结构板是一种理想的抗侧机构。空腔结构板是一种新型轻质板材，采用黄纸制成具有勇夺等
15、边空腔结构的板状基架，然后经浸渍而成。该板材与框架可靠连接，便可形成新型剪力墙。 四、主要构件设计 4.1 柱 钢结构住宅一般为大开间，框架柱在两个方向都承受较大的弯矩，同时应考虑强柱弱梁的要求。而目前广泛使用的焊接 H 型钢或 I 字热轧钢截面，强弱轴惯性矩之比 3-10，势必造成造成材料的浪费。因此，对于轴压比较大，双向弯矩接近，梁截面较高的框架柱采用双轴等强的钢管柱或方钢管混凝土柱是适宜的，对于方钢管柱，不仅截面受力合理，同时可以提高框架的侧向刚度，防火性能好，而且结构破坏时柱体不会迅速屈曲破坏。因此，尽管平面受力结构中，选用 H 型钢或 I 字钢在受9力上市合理的。但总体上箱型钢管柱尤
16、其是方钢管混凝土柱应得到广泛应用。 4.2 楼盖 在多层轻钢房屋中，楼盖结构的选择至关重要，它除了将竖向荷载直接分配给墙柱外，更主要的作用是保证与抗侧力结构的空间协调作用；另外从抗震角度来看，还应采用相应的技术和构造措施减轻楼板自重。常用的楼盖结构有：压型钢板现浇混凝土组合楼板，现浇混凝土板以及钢-混凝土叠合板，而以第一种最为常用。目前，在多层轻钢房屋整体分析时，还普遍不考虑楼盖与钢梁的组合作用，偏保守的假设钢结构承受全部荷载，这样不仅增加材料用量和机构自重，反而会造成强梁弱柱的不利情况。 4.3 支撑体系 支撑体系分轴交支撑和今年发展起来的偏交支撑两种，前者耐震能力较差，后者在强震作用下具有
17、良好的吸能耗能性能，而且为门窗洞的布置提供了有利条件，目前国内用的还很少，建议在该烈度去首选偏交支撑。 4.4 节点抗震设计 框架梁柱节点一般采用两种连接方法，根据“常用设计法” ，即翼缘连接承受全部弯矩，梁腹板只承受全部剪力的假定进行设计。震害表明，这种设计不能有效满足“强节点弱杆件”的抗震要求，在高烈度区隐患很大。改进框架节点设计，在梁端上下翼缘加焊楔形盖板或者将梁端上下翼缘拒不加宽盖板面积或加大翼缘截面面积主要由大震下的验算公式10确定。 五、轻质复合墙板在钢结构住宅中的应用 围护墙体系是钢结构住宅的主要组成部分，也是国家墙体改革的重点，在钢结构住宅中，虽然内外墙体都不再起承重作用（但必
18、须能自承重）但却要满足功能上的更多要求。如外墙要求轻质，要防潮、隔热、隔声、耐冲击力、防火、防渗透、防虫蛀、节能、环保等。此外，内外墙体都须能够钉钉、支撑悬挂荷载，适合装修，居住要有舒适的感觉。 从目前的试点工程来看，钢结构住宅的墙体材料有砌块和板材两大类，板材因适应产业化要求而得到更多的关注。墙体板材种类繁多，有单一材料板材（低容重的加气混凝土除外）大多不能满足建筑节能的要求，必须另做保温层，形成复合墙体。在工业化的要求下，工厂预制墙板时，常将保温材料层复合其中，形成轻质复合墙体。 5.1 轻质复合墙体的构造形式 5.1.1 结构层+保温层 保温层与结构层的结合方式有 3 种： （1）用粘结胶浆将保温板直接粘结在结构层上。这种方法程序简单，整体性好，但是粘结胶浆多为有机化工材料与水泥拌合而成，其耐久性、耐候性有待实际工程的考验。 （2）用金属构件将带有斜插公司和面层钢丝网的保温板固定在结构层上，在保温板表明的钢丝网上抹普通水泥砂浆作面层。这种方式取材容易，连接方便，不足之处是斜插钢丝和金属构件易形成热桥，并且在保温层内易锈蚀，影响墙板性能。
