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摘要：钢结构建筑体系的主体结构体现在一般分为钢框架结构体系、钢框架核心筒结构体系、钢框架-支撑结构体系、钢框架-剪力墙结构体系、交错桁架结构体系和轻钢结构住宅体系。钢结构住宅是目前我国住宅工业化的发展方向,有非常广泛的应用前景。本文介绍钢结构住宅的特点与优势、结构体系及钢结构住宅设计中遇到的具体问题以及解决策略。
关键词：钢结构住宅；结构设计；钢结构体系
前言
钢结构住宅是以工厂化生产的H型钢梁、钢柱(包括H型钢柱、钢管柱、箱形柱、钢骨混凝土柱或圆、方或矩形钢管混凝土柱)为承重骨架，同时配以新型轻质的保温、隔热、高强的墙体材料作为围护结构，并与功能配套的水暖电卫设备和部品优化集成的节能和环保型住宅。同传统的砖混和混凝土结构住宅相比，钢结构住宅是一种更符合“绿色生态建筑”特征的结构形式。它具有自重轻、地基费用省、占用面积小、工业化程度高、外形美观、施工周期短、抗震性能好、投资回收快、环境污染少等优势，具有较好的综合经济效益。
一、轻钢结构住宅的特点及技术经济性能
（一）重量轻、抗震性能好
钢结构住宅是以工厂化生产的钢梁、钢柱为骨架,同时配以轻质墙板等新型材料作为维护结构和内隔墙建造而成。它与同面积的建筑楼层相比，钢结构住宅楼的重量可减轻近30%。由于轻钢结构住宅自重轻,一般情况下不需要做桩基,可减少地基处理的费用,且抗震性能好。因属于柔性结构、自重轻,因而能有效地降低地震响应及灾害影响程度,有利于抗震。我国是一个多地震区国家,在地震区建筑中应推广应用钢结构住宅,可以大大减少地震灾害和人员伤亡。同时,由于钢材具有较强的延展性,能较好地消除地震波力,放震性能好,尤其适用于高层建筑。
（二）占地面积小,具有良好的空间感，净使用面积大
钢结构住宅布局灵活,净使用面积大。利用型钢优良的承载性能,可以灵活布置大开间、大柱距的建筑平面；非承重轻质墙体的设计为设计师和住户提供了根据不同用途灵活布置室内空间的可能；型钢构件接点构造简洁,在垂直方向可方便地布置跃层和错层体系,结构构件截面较小,相对于传统结构方案,其净使用面积提高5%～8%,得房率高。
（三）工业化程度高,设计制造安装周期短
现代轻钢建筑的设计、制造和安装借助网络计算机技术和工业化生产手段,可实现设计、生产、施工安装一体化,具有极高的效率和精确度,项目建设周期短可缩短工期1/2～1/3。这样将极大地减少投资融资成本,使业主或建筑开发商在享受回报上具备很大的优势。
（四）符合产业化和可持续发展的要求
钢结构配件制作工业预制化和机械化程度高,商品化程度高,减少了施工现场的加工量,现场主要为于作业,能减少施工用水、噪声、垃圾污染,施工速度快,施工周期可大大缩短。钢结构在超出正常使用期限后的处理过程,无论是钢材还是与之相配套的建筑物品,都具有可重复利用性和可降解性,适应现代环保要求。
二、钢结构住宅的结构体系和主要构件
（一）结构体系
应用于多层钢结构住宅的体系可分为:冷弯薄壁型钢体系、纯钢框架体系、框架--支撑体系、钢框架--混凝土剪力墙体系、周围抗侧力体系等。
①冷弯薄壁型钢体系。构件采用薄钢板冷弯成C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丝。这种体系节点刚性不易保证,抗侧能力较差,一般只用于1～2层住宅或别墅。
②纯钢框架体系。目前,这种体系在多层钢结构住宅中应用最广,纯框架体系常用于4～8层住宅。纵横向都设成钢框架,门窗设置灵活,可提供较大的开间,便于用户二次设计,满足各种生活需求。
③框架—支撑体系。该体系主要由焊接工字型梁柱组成,多数情况下,这种体系为横向承重,梁柱节点在横向上为刚接,纵向为铰接。因此,结构在纵向相当于排架,抗侧移刚度很低,需设置侧向支撑抵抗水平荷载,限制结构的水平变形。
④框架—混凝土剪力墙体系。用钢筋混凝土剪力墙部分或全部代替钢支撑,就形成了框架—钢筋混凝土剪力墙(筒)体系。它适用于小高层住宅,一般将楼梯或电梯间设计成钢筋混凝土墙(筒),这样既有效地加强了建筑物的侧向刚度,又解决了楼梯间的防火问题。
⑤周围抗侧力体系。这种体系在欧美国家的商业和民用建筑十分流行。它的特点是刚架柱的强轴与其相交的建筑轴线垂直,形成外筒,抵抗水平荷载,将之传递到基础。它适用于建筑外型接近于正方形的结构,可以将这种思路应用到框架—支撑体系中。把纵向的支撑去掉,将原有位置的刚架柱扭转90°,梁柱由铰接变为刚接。这样,刚架柱同时起到抗风柱与竖向支撑的作用。
（二）主要构件
钢结构住宅是以钢结构作为承重骨架,以轻质体材料作为内外墙,与功能配套的水暖电卫设备和部品优化集成的节能、环保型住宅钢结构住宅,可采用工业化生产方式,易于实现产业化,符合可持续发展原则。
①梁、柱。钢结构住宅结构一般设计为强柱弱梁形式,梁柱均取等截面形式。梁主要选用高频焊接和热轧H钢,它是工字钢的升级换代产品,具有抗弯性能好,翼缘宽,侧向刚度大,翼缘表面相互平行,构造方便等优点。我国目前采用的H钢梁大多为Q235和Q345钢,翼缘宽度为60～180mm,截面高度为100～800mm。
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,同时应该考虑强柱弱梁的要求,目前广泛使用焊接H型钢或I字热轧钢截面。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。方钢管混凝土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。
②楼板。楼板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。所以,楼板必须有足够的承载力、刚度,并且与钢框架实现可靠连接,确保结构体系的整体刚度和稳定性。
③支撑体系。
支撑分轴交支撑和近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,目前国内用得还很少,建议在高烈度区首选偏交支撑。
④墙体围护结构。钢结构住宅的墙体围护结构,应采用具有自承重和抗冲击能力,并能保温、隔热、隔音、防火、防渗漏等多种功能轻质的墙体材料。自承重墙体主要包括用于外围护结构的加气混凝土块、太空板、轻钢 龙骨加强板等,以及用于内墙的轻混凝土板、石膏板、水泥刨花板、稻草板等。外挂的非自承重式的墙体材料主要有彩色压型钢板、彩色压型钢夹芯板、玻璃纤维增强外墙板等。采用非自承重式的墙体材料,需设置墙梁用以悬挂外围护结构。门窗洞口上下要布置墙梁,多采用C或Z型冷弯薄壁型钢,尺寸取决于跨度(刚架间距)和墙距(板跨)。
⑤节点抗震设计。框架梁柱节点一般采用刚性连接方法,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。
三、钢结构住宅设计中遇到的具体问题以及解决策略
（一）钢结构住宅的设计规范
根据2001年原国家建设部印发的《钢结构住宅产业化技术导则》，钢结构住宅在初期设计的过程中，应该遵守以下规范。
一是总体设计方面。钢结构住宅建筑应该满足标准化、定型化、多样化和通用化的原则，在钢结构住宅的各部分设计中应该严格做到模数协调，在总体设计方面追求钢结构建筑的建筑、结构、水电暖气综合设计的原则。
二是平面设计方面。应该充分体现钢结构设计的系列化原则，充分适应钢结构构件的标准化设计和标准化应用，要做到标准化与多样化组合的结合，实现多样模块化以应对多种建筑情况，考虑梁、柱、楼板等实际情况进行钢结构设计中的模块化设计，充分适应钢结构住宅个性化、多样化和可操作性的需要。
三是竖向设计方面。楼板构造的选型应该充分考虑到受力、隔音和管线布置等要素来合理确定层高，在管线铺设方面应该尽量使用空闲的空间来集中铺设管线，易于管线的维修管理等。
四是围护结构方面。围护结构应该对抗震性能和连结性有较高的要求，围护结构的墙体应该采用轻质且高强的墙体，确保隔热、保温、隔音、防水、防火和防裂等各方面的综合性能，对墙面涂料也要有较高的要求。
（二）钢结构节点的设计
一般情况下，铰接点的形式较为简易，施工也较为方便，但是它会使梁跨中弯矩加大，从而增加建筑的钢材用量，刚性节点形式复杂，但是对钢材的利用有所节约，与之相比，半刚性节点由于其复杂的受力特性，应用较为罕见。根据实际情况调查，在选用钢结构进行住宅建筑的企业中，半刚性节点的应用率仅为10%，说明它的技术还需要进一步提升。
（三）钢结构建筑墙体材料的选用
钢结构的特点是轻便、灵活，所以在墙体材料的选择方面，要符合其特点，不适合采用黏土砖等质量较大的材料，而应该采用空心混凝土砌块、加气混凝土和压型钢板与轻质保温材料组成的符合墙体或者CS板、OSB板等。这些轻质材料的防水和放渗透能力都比较好，保温效果也很好，施工较为简便，作为建筑墙体的强度也足够。在墙体设计的过程中，要注重对连接件的详细参数有所规定，以减少施工的复杂程度，从另一个方面来说，详细的参数也有利于提高设计的精确性。
（四）钢结构建筑中的厨卫设计
厨卫设计在钢结构设计中占有很重要的地位，其重要的原因是因为厨卫设计比较考研钢结构设计的钢材防腐蚀和防水能力，钢结构住宅设计中，结构防水比较实用，框架结构体系要把卫生间和厨房放到核心筒内，其他的结构体系则需要根据工程的实际情况来决定。
（五）钢材的防火问题
钢结构虽然有着各种优点，但作为一种常见的金属，它必须要考虑防火、防水和防腐蚀的问题，钢材的耐腐蚀性、耐热性都比较差，一旦被热源、腐蚀源或者水源靠近太长时间，就极易产生问题，对钢材的承载能力产生一定的损伤。以一般的建筑用钢材（Q235或a345）为例，在全负荷的状态下，失去静态平衡稳定性的温度极值大约500℃，在300℃以上时就会产生一定危险，如果在发生火灾的情况下，火场温度大约800℃以上，钢材结构远远达不到防火要求。
钢材防火措施中较为常用的是防火涂料或者在外面包裹混凝土等，而事实上这就丧失了钢结构本身的优势。合适的钢结构住宅的防火措施可以分为主动防火措施和被动防火措施，主动防火措施一般有防火探测和警报系统、消防喷淋系统（气体、液体、泡沫灭火）、防火隔离区等，而被动防火措施则主要利用各种技术对钢材的防火性能进行强化，一般情况下有以下几种形式：使用外包保护层对钢材进行保护使其耐火性增加的外包法，外包法一般有实体外包（如混凝土外包）或者板材外包（如防火石膏板外包）等；利用膨胀材料使钢材在受热时材料产生膨胀，以形成一层耐火保护层；将钢材设计成空心注水也是防火的良好方法，可是这种方法的造价和技术要求都比较高，不适合广泛应用；或者把钢结构屏蔽在耐火材料建造成的墙体中，但是这会导致建筑的有效使用面积有所减少。
（六）钢材的防腐蚀和防水问题
钢材防腐蚀和防水的问题重点都在于在某种环境下保护钢材不受极端环境的影响，从而产生恶劣的形状变化，所以两者之间有一定互相参考的元素。钢材本身在酸性或者化学气雾的情况下容易受到腐蚀，从而影响建筑的质量安全，在成本允许的情况下可以采取特殊耐候钢，但更多的情况下，还是要采取一定措施来降低建筑成本。
四、结语
住宅设计中钢结构住宅是建筑结构设计发展的趋势，目前，钢结构住宅设计中仍然存在着各种各样的问题需要广大的建筑工作者进行研究和探索，并在实践中不断发展钢结构住宅结构设计的理论水平和实践水平，为我国建筑行业的更好发展和建筑质量的提高打下坚实的基础。
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