鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢及其在住宅工程中的應(yīng)用淺析

摘要：鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑是住宅建筑的一個(gè)分支，由于具備其他結(jié)構(gòu)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)住宅已經(jīng)給住宅產(chǎn)業(yè)和建筑行業(yè)帶來了一場深層次的革命，從設(shè)計(jì)、施工、到一系列新材料的使用都出現(xiàn)了革命性的變化，因而在國際范圍內(nèi)代表了未來的住宅發(fā)展新模式。本文簡單介紹了鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)及其在住宅上的應(yīng)用，給了給工程設(shè)計(jì)人員一定的幫助。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；優(yōu)勢；應(yīng)用；原則

一、鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

一般來說，材料的特性是推出新型建筑形式的出發(fā)點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)是用鋼板、熱軋型鋼或冷加工成型的薄壁型鋼制造而成的。和其它材料的結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)有如下一些特點(diǎn)。

1 材料的強(qiáng)度高，塑性和韌性好鋼材和其它建筑材料諸如混凝土、磚石和木材相比，強(qiáng)度要高得多。因此，特別適用于跨度大或荷載很大的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)。鋼材還具有塑性和韌性好的特點(diǎn)。塑性好，結(jié)構(gòu)在一般條件下不會(huì)因超載而突然斷裂；韌性好，結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)力荷載的適應(yīng)性強(qiáng)。良好的吸能能力和延性還使鋼結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的抗震性能。另一方面，由于鋼材的強(qiáng)度高，做成的構(gòu)件截面小而壁薄，受壓時(shí)需要滿足穩(wěn)定的要求，強(qiáng)度有時(shí)不能充分發(fā)揮。

2 材質(zhì)均勻，與力學(xué)計(jì)算的假定比較符合鋼材內(nèi)部組織比較接近于勻質(zhì)和各向同性，而且在一定的應(yīng)力幅度內(nèi)幾乎是完全彈性的。因此，鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況和工程力學(xué)計(jì)算結(jié)果比較符合。鋼材在冶煉和軋制過程中質(zhì)量可以得到嚴(yán)格控制，材質(zhì)波動(dòng)的范圍小。

3 鋼結(jié)構(gòu)制造簡便，施工周期短鋼結(jié)構(gòu)所用的材料單純而且是成材，加工比較簡便，并能使用機(jī)械操作，因此，大量的鋼結(jié)構(gòu)一般在專業(yè)化的金屬結(jié)構(gòu)廠做成構(gòu)件，精確度較高。構(gòu)件在工地拼裝，可以采用安設(shè)簡便的普通螺栓和高強(qiáng)度螺栓，有時(shí)還可以在地面拼裝和焊接成較大的單元再行吊裝，以縮短施工周期。此外，對(duì)已建成的鋼結(jié)構(gòu)也比較容易進(jìn)行改建和加固，用螺栓連接的結(jié)構(gòu)還可以根據(jù)需要進(jìn)行拆遷。

4 鋼結(jié)構(gòu)的重量輕鋼材的密度雖比混凝土等建筑材料大，但鋼結(jié)構(gòu)卻比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)輕，原因是鋼材的強(qiáng)度與密度之比要比混凝土大得多。以同樣的跨度承受同樣荷載，鋼屋架的重量最多不超過鋼筋混凝土屋架的1/3至1/4，冷彎薄壁型鋼屋架甚至接近1/10，為吊裝提供了方便條件。對(duì)于需要遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)，如建造在交通不便的山區(qū)和邊遠(yuǎn)地區(qū)的工程，重量輕也是一個(gè)重要的有利條件。

當(dāng)然任何一種材料都不是十全十美的，鋼材的耐腐蝕性和耐火性就較為欠缺，在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行防護(hù)時(shí)費(fèi)用比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高。不過在沒有侵蝕性介質(zhì)的一般廠房中，構(gòu)件經(jīng)過徹底除銹并涂上合格的油漆，銹蝕問題也并不嚴(yán)重。近年來出現(xiàn)的耐大氣腐蝕的鋼材具有較好的抗銹性能，已經(jīng)逐步推廣應(yīng)用，并取得了良好的效果。鋼材長期經(jīng)受100℃輻射熱時(shí)，強(qiáng)度沒有多大變化，具有一定的耐熱性能，但溫度達(dá)150℃以上時(shí)，就須用隔熱層加以保護(hù)。鋼材不耐火，重要的結(jié)構(gòu)必須注意采取防火措施。

二、鋼結(jié)構(gòu)在住宅上的應(yīng)用以及推廣價(jià)值與磚混結(jié)構(gòu)，混凝土結(jié)構(gòu)相比，在住宅中應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)主要具有以下幾方面優(yōu)點(diǎn)：

1 結(jié)構(gòu)自重輕。

根據(jù)比較，相同的建筑造型，六層鋼結(jié)構(gòu)住宅重量僅相當(dāng)于四層磚混結(jié)構(gòu)住宅的重量。建筑總質(zhì)量小，地震力效應(yīng)小，且延性好，相應(yīng)抗震性能優(yōu)良。歷次大地震災(zāi)害資料對(duì)比都說明了這一點(diǎn)。

2 材料各向同性，符合力學(xué)假定，提高了設(shè)計(jì)精度。

3 由于工廠化加工制造，精度高，易于保證質(zhì)量，與混凝土相比，更符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。同時(shí)施工速度快，工期縮短

40％以上，可使建筑物更早的投入使用，提早產(chǎn)生效益。

4 在設(shè)計(jì)中由于業(yè)主的要求，經(jīng)常要進(jìn)行變更，采用鋼結(jié)構(gòu)較易配合變更。施工時(shí)干式作業(yè)減少了對(duì)環(huán)境的污染，且構(gòu)件運(yùn)輸方便，費(fèi)用低。

5 可在粱腹板處開孔走管道，不像混凝土結(jié)構(gòu)在梁底通過。因此在樓層高度一樣的情況下，采用鋼結(jié)構(gòu)可提高層間凈高。

6 輕質(zhì)高強(qiáng)，簡單實(shí)現(xiàn)大跨與復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造開放式住宅。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)(磚混、混凝土)由于受材料限制，其開間一般在3.0m、3.3m、3.6m、4.2m，如果需要更大開間，則會(huì)造成“肥梁胖柱”，房高也會(huì)受到影響。而在梁高相同的情況下，鋼結(jié)構(gòu)開間可比混凝土大50％。在粱柱等強(qiáng)度條件下，可增加建筑有效使用面積5％～7％。

三、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的原則

穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)的一個(gè)突出問題。在各種類型的鋼結(jié)構(gòu)中，都會(huì)遇到穩(wěn)定問題。對(duì)于這個(gè)問題處理不好，將會(huì)造成不應(yīng)有的損失。

根據(jù)穩(wěn)定問題在實(shí)際設(shè)計(jì)中的特點(diǎn)提出了以下三項(xiàng)原則并具體闡明了這些原則，以更好地保證鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)中構(gòu)件不會(huì)喪失穩(wěn)定。

1、結(jié)構(gòu)整體布置必須考慮整個(gè)體系以及組成部分的穩(wěn)定性要求。

目前結(jié)構(gòu)大多數(shù)是按照平面體系來設(shè)計(jì)的，如桁架和框架都是如此。保證這些平面結(jié)構(gòu)不致出平面失穩(wěn)，需要從結(jié)構(gòu)整體布置來解決，亦即設(shè)計(jì)必要的支撐構(gòu)件。這就是說，平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的出平面穩(wěn)定計(jì)算必須和結(jié)構(gòu)布置相一致。就如上述的1988年加拿大一停車場的屋蓋結(jié)構(gòu)塌落，i985年土耳其某體育場看臺(tái)屋蓋塌落，這兩次事故都和沒有設(shè)置適當(dāng)?shù)奈膿味斐沙銎矫媸Х€(wěn)。

2、結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖和實(shí)用計(jì)算方法所依據(jù)的簡圖相一致，這對(duì)框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算十分重要。

目前任設(shè)計(jì)單層和多層框架結(jié)構(gòu)時(shí)，經(jīng)常不作框架穩(wěn)定分折而是代之以框架柱的穩(wěn)定計(jì)算。在采用這種方法時(shí)，計(jì)算框架柱穩(wěn)定時(shí)用到的柱計(jì)算長度系數(shù)，自應(yīng)通過框架整體穩(wěn)定分析得出，才能使柱穩(wěn)定計(jì)算等效于框架穩(wěn)定計(jì)算。然而，實(shí)際框架多種多樣，而設(shè)計(jì)中為了簡化計(jì)算工作，需要設(shè)定一些典型條件。

3、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造和構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算必須相互配合，使二者有一致性。

結(jié)構(gòu)計(jì)算和構(gòu)造設(shè)計(jì)相符合，一直是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大家都注意的問題。對(duì)要求傳遞彎矩和不傳遞彎矩的節(jié)點(diǎn)連接，應(yīng)分別賦與它足夠的剛度和柔度，對(duì)桁架節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量減少桿件偏心這些都是設(shè)計(jì)者處理構(gòu)造細(xì)部時(shí)經(jīng)常考慮到的。但是，當(dāng)涉及穩(wěn)定性能時(shí)，構(gòu)造上時(shí)常有不同于強(qiáng)度的要求或特殊考慮。例如，簡支梁就抗彎強(qiáng)度來說，對(duì)不動(dòng)鉸支座的要求僅僅是阻止位移，同時(shí)允許在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。然而在處理梁整體穩(wěn)定時(shí)上述要求就不夠了。支座還需能夠阻止梁繞縱軸扭轉(zhuǎn)，同時(shí)允許梁在水平平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)和梁端截面自由翹曲，以符合穩(wěn)定分析所采取的邊界條件。

四、鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題：

1 鋼結(jié)構(gòu)，有低層和多層之分。低層一般不超過3層，用于別墅；多層用于公寓。本文介紹多層公寓住宅鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一些問題。

2 超過9層為高層。10-12層又稱小高層。抗震規(guī)范GB50011對(duì)12層以下和12層以上的房屋提出不同要求。住宅鋼結(jié)構(gòu)一般不宜超過12層。

3 結(jié)構(gòu)抗震性能與結(jié)構(gòu)布置規(guī)則性有很大關(guān)系。結(jié)構(gòu)布置不規(guī)則，地震時(shí)易損壞，而且除彈性設(shè)計(jì)外還要作彈塑性層間位移驗(yàn)算。因此應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)布置符合規(guī)則性要求。

4 住宅鋼結(jié)構(gòu)的平面布置應(yīng)力求規(guī)則、對(duì)稱。住宅鋼結(jié)構(gòu)常見的布置不規(guī)則，主要是平面不規(guī)則。如平面形狀不規(guī)則，L形等，特別是支撐剪力墻偏置，明顯不對(duì)稱等。若樓層的最大彈性水平位移超過質(zhì)心水平位移的1.2倍就屬于平面不規(guī)則此時(shí)需對(duì)支撐剪力墻的配置進(jìn)行調(diào)整。

目前，國內(nèi)高層鋼結(jié)構(gòu)鋼材幾乎都從國外進(jìn)口，工程總承包由國外承擔(dān)，制造和安裝則由國內(nèi)廉價(jià)勞動(dòng)力承包，隨著我國鋼產(chǎn)量的增加，鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用必然會(huì)越來越廣泛，也必然會(huì)產(chǎn)生越來越深遠(yuǎn)的影響。

總之，鋼結(jié)構(gòu)住宅符合國家住宅產(chǎn)業(yè)化的目標(biāo)，符合可持續(xù)性發(fā)展的戰(zhàn)略，并對(duì)保護(hù)耕地、提高城市建設(shè)水平有較大作用。有了國家政策的支持、技術(shù)的保證，鋼結(jié)構(gòu)住宅具有光明的前景。