摘要：鋼結構住宅是十五期間我國將重點推廣的項目，其具有強度高、結構尺寸小、自重輕、施工速度快抗震性能好及工業(yè)化程度高的特點。本文對國內外主要的鋼結構形式進行了回顧和總結，對各種結構體系進行了評述，并對鋼結構住宅設計中存在的主要問題提出了建議。
關鍵詞：鋼結構住宅結構體系
一、概述
改革開放以來，我國的鋼產量有了很大的提高，特別是從1997年以后，我國的鋼產量連續(xù)四年超過億噸，但我國的鋼結構用鋼量占總鋼產量的比例僅為2%，而在鋼結構用鋼量中，建筑鋼結構用鋼量又僅占10%，這與我國作為產鋼大國的地位是很不相稱的，為此，國家外經貿委會同冶金部制定了在建筑工程中推廣使用鋼結構的一系列政策措施，爭取在"十五"期間建筑鋼結構的用量達到總鋼產量的3%，至2010年建筑鋼結構的用量達到總鋼產量的6%，而建設部將鋼結構住宅體系的開發(fā)和應用作為我國建筑業(yè)用鋼的突破點，并且制定了《鋼結構住宅建筑體系產業(yè)化技術導則》和《鋼框架核心筒住宅建筑體系技術導則》。鋼結構住宅具有強度高、自重輕、抗震性能好、施工速度快、結構構件尺寸小、工業(yè)化程度高的特點，同時鋼結構又是可重復利用的綠色環(huán)保材料，因此鋼結構住宅是符合國家產業(yè)政策的推廣項目。隨著國家禁用實心粘土磚和限制使用空心粘土磚的政策的推出，加快住宅產業(yè)化進程、積極推廣鋼結構住宅體系已迫在眉睫。但我國的鋼結構住宅尚處于探索起步階段，這種體系在鋼結構防火、梁柱節(jié)點做法、樓板形式、配套墻體材料、經濟性及市場可接受程度上尚有許多不完善之外。從前幾年開始，全國陸續(xù)現了一批鋼結構住宅試點項目，如山東萊鋼的櫻花間住宅小區(qū)、天津的鋼框架一剪力墻高層住宅、北京賽博思金屬結構有限公司的鋼框架核心筒多層住宅、上海冶金設計院設計的陸海城、中福城項目、馬鞍山鋼鐵股份有限公司設計的18層示范實驗住宅樓等。我院的鋼結構住宅設計剛剛起步，為使大家對鋼結構住宅有一全面了解，為今后的設計積累必要的技術資料，現對國內鋼結構住宅體系作一介紹。
二、結構體系
鋼結構住宅結構體系大致可分為以下幾種形式：
(1)鋼框架與混凝土筒體(墻體)的混合結構體系
(2)鋼框架加支撐的結構體系
(3)鋼框架與預制混凝土墻體的框剪結構體系
(4)純鋼框架結構體系
(5)錯列桁架結構體系
(6)輕鋼龍骨結構體系
1鋼框架與混凝土筒體(墻體)的混合結構體系的特點
鋼一混凝土混合結構的平面布置一般為樓電梯或衛(wèi)生間采用鋼筋混凝土，形成主要的抗側力結構，而外周的框架則采用鋼框架，這種結構體系將鋼材的強度高、重量輕、施工速度快和混凝土的抗壓強度高、防火性能好、抗側剛度大的特點有機地結合起來，外周梁柱連接一般采用剛性連接，而樓面鋼梁與混凝土墻則采用鉸結，由于混凝土承擔了絕大部分的水平力，故而混合結構的位移控制指標可參照鋼筋混凝土結構采用，但框架部分承擔的地震力不得小于結構底部剪力的20%和樓層最大剪力的1.8倍二者的較小值，在大多數情況下，后者往往起控制作用，這種體系的住宅平面上應限制無剪力墻部分框架的長度，否則樓面無限剛的假定將很難滿足。這種的受力特點為結構整體破壞屬于彎剪型，結構破壞主要集中于
混凝土芯筒，特別是結構下部的混凝土筒體四角，對這部位應予加強，保證筒體的延性，此外鋼梁與混凝土墻體的連接部位受力復雜，也是最易遭受破壞的地方，該節(jié)點應保證能承受鋼梁可能出現的軸向力。這種體系的不足之處為芯筒為混凝土，重量減少不是很多，現場澆搗混凝土的工作量仍然較大。從建筑平面布置的角度來看，柱子一般布置在陽臺或轉角部件，以利于住戶的裝修處理。
2鋼框架支撐體系
對于多層及小高層建筑，可以建筑的外墻，結合門窗位置雙向交叉支撐，支撐采用角鋼、槽鋼成圓鋼，可按拉桿設計，而且在輕鋼住宅結構中，支撐也不一定必須從下到上同一位置設置，也可跳格布置，其目的主要是為了增加結構的剛度，對于外墻開有門窗時，也可在窗臺高度范圍內布置，形成類似周邊帶狀桁架的結構形式，對結構整體剛度進行加強。對高層住宅，可選擇山墻和內墻布置中心支撐或偏心支撐，值得注意的是，當采用單斜柱體系時，應設置不同傾斜方向的兩組單斜桿，以抵抗雙向地震作用，在節(jié)點方面，若支撐足以承受建筑物的全部側向力作用，則梁柱可部分或全部做成剛接。
在高烈度地區(qū)，如果柱子比較細長，則大多采用偏心框架體系，這種體系的特點是，在小震或中等烈度地表作用下剛度足以承受側向水平力，在強震作用下又具有很好的延性和耗能能力。支撐框架在水平力作用下，類似于豎向懸臂桁架，柱子像弦桿一樣承擔外部荷載產生的彎矩，斜支撐和梁如同腹桿承受水平力，腹桿承擔水平剪力，弦桿的軸向變形對框架側向變形的影響使結構產生"彎曲"的形狀，而腹桿的變形對框架側向變形的影響使結構產生"剪切"的形狀，最終形成的側向變形形狀是彎、剪兩種曲線效果的組合，彎、剪效果的相對大小，主要取決了耗能支撐的剛度，一般在均衡的低層支撐結構中，剪切變形最為重要，有時它基本決定了結構的側向變形，因此這種結構的底層層間變形較大；在中高層結構中，柱子中較大的軸向力和變形以及二者沿高度的大量積累使彎曲變形占主導地位，在高寬比大于8的單對角支撐區(qū)格中，全部水平位移的60%～70%通常是彎曲變形引起的，因此這種結構的頂端或接近頂端的層間變形最大，據此認為，對于剪切型的低層結構，應注意在結構的底部設置耗能支撐；對于彎曲型的中高層結構，不能忽視在結構的頂部設置耗能支撐，支撐布置時，不得采用支撐點在柱中的K形支撐，同時對支撐構件應控制其軸壓比，7度時一般不得大與/fy。如果作為住宅結構層高較低，構件節(jié)間尺寸較小，導致支撐構件及節(jié)點數量均較多，而且傳力路線較長，抗側效果差，支撐結構體系也可考慮采用跨層支撐。
3鋼框架一預制混凝土墻體
這種體系一般預制混凝土墻體中均埋有鋼板支撐，它只有在支撐點處于鋼框架相連，而且混凝土墻板與框架梁柱留有空隙，從受力上來說，它仍是一種支撐。但其特點是內藏鋼板按強度控制設置，不考慮屈曲。
對混凝土墻體應雙面配筋，且雙面鋼筋應互相拉結，在鋼支撐端部范圍內，應設置加強構造鋼筋，如采用梅花形鋼筋、螺旋形鋼筋、鋼箍等。這種體系受力性能好，支撐構件相對較經濟，且能與隔墻布置相結合。但現場安裝比較困難，制作比較復雜。
4鋼框架結構體系
這種體系受力明確，使用靈活，制作安裝簡單，施工速度較快，但為抵抗側向力所需梁柱截面較大，一般可用于6層以下的多層建筑，且一般情況下，梁柱節(jié)點應采用剛接。這種體系用于高層建筑經濟性較差。
錯列桁架結構體系產生于20世紀60年代，由美國麻省理工學院首先提出，并成功用于多個公寓及旅館建筑中。該體系是由房屋外側的柱子和跨度等于房屋寬度的桁架組成，桁架高度等于層高，在相鄰柱上為上下層交錯布置，樓板一端擱置在桁架的上弦，另一端擱置在相鄰桁架的下弦。由于兩開間布置一榀桁架，且中間無柱子，所以非常適合住宅、旅館建筑各單元的靈活布置要求。這種體系的受力特點為：水平力主要通樓板傳至相鄰桁架的斜腹桿，如此水平荷載最終通過落地桁架的斜腹桿或底層支撐傳至基礎，樓層間的柱子主要承受軸力，其所受的剪力和彎矩很小。由于桁架有整層高，所以整個體系剛度較大，一般不需要增加柱子剛度以控制位移，由錯列桁架結構體系中柱子主要承受軸力，其柱截面強軸可布置在縱向，故其縱向側移剛度亦較大，這種體系的用鋼量可較框架結構減少30～40%，因此該體系是一種經濟、實用、高效的新型結構體系，目輕鋼龍骨結構體系主要用于中低層住宅或別墅，大致可分為兩類，一類為以冷彎C型鋼組成的龍骨體系，另一類
以小型熱軋型鋼組成的龍骨結構體系。輕鋼龍骨體系一般由柱、梁、天龍骨、地龍骨及中腰支撐通過配套扣件和
加勁件用自攻螺釘連接而成，梁柱構件厚度在1～3mm之間，柱子間距約為400～600mm。
其主要受力機理為：柱子與上下龍骨及支撐或隔板組成受力墻壁，豎向力由樓面梁傳至墻壁的龍骨，再通過柱子
傳至基礎；水平力由作為隔板的樓板傳至受力墻壁再傳至基礎。由于在傳力過程中，墻面板承受了一定的剪力，
并提供了必要的剛度，故墻面板應滿足一定的要求。樓板可采用樓面輕鋼龍骨體系，上覆刨花板及樓面面層，下
部設置石膏板吊頂，既可便于管線的穿行，又滿足了隔聲要求。該體系的優(yōu)點為組成體系的構件尺寸較小，可將
結構構件隱藏在墻體內部，有利于建筑布置和室內美觀，且保溫性能良好，梁柱均為鉸接，省卻現場焊接及高強
螺栓的費用，而且受力墻體也可在工廠整體拼裝，加快了施工進度。其缺點為梁柱鉸接不適合于強震區(qū)的高層建
筑，國內該體系尚缺乏工程經驗，冷彎型鋼品種較少。
三、柱子形式
用于鋼結構住宅柱子的形式有以下幾種：①圓鋼管混凝土、②方鋼管混凝土、③方鋼管、④熱軋H型鋼。
1圓鋼管混凝土：圓鋼管混凝土有受力性能好、柱子截面尺寸小、耐火性能好且便于加工的優(yōu)點，對于圓鋼管
混凝土我們一般不控制其軸壓比，而控制其長細比，以使鋼管混凝土柱具有必要的延性，要求延性大于5時一
般控制其長細比L/D小于8.25即可達到要求，對于層高小于2.9米的住宅，如果梁高取為400，鋼管取為300，則
L/D前湖南大學正對該體系作系統(tǒng)研究。 |
