鋼—混凝土結(jié)構(gòu)體系住宅的發(fā)展前景

鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院 楊衛(wèi)忠 王 茜

鋼—混凝土結(jié)構(gòu)體系住宅的發(fā)展前景

鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院 楊衛(wèi)忠 王 茜

近年來，我國建筑業(yè)發(fā)展很快，尤其是住宅產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2010年城鎮(zhèn)新建住宅面積近13億m2。但是，不容忽視的是，目前我國住宅建筑傳統(tǒng)的粗放式生產(chǎn)模式并未改變，技術(shù)創(chuàng)新能力弱，資源消耗大，可再生能源利用率低，建筑壽命短，環(huán)境負(fù)荷重，這些都與國家提出的節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的要求還有很大的差距。與傳統(tǒng)的砌體結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)建筑相比，近年發(fā)展的鋼-混凝土結(jié)構(gòu)體系建筑則較好地利用了混凝土及鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，為多、高層建筑的發(fā)展開辟了一條新途徑。

一、鋼-混凝土結(jié)構(gòu)體系住宅的優(yōu)勢

1.該體系建筑可充分利用鋼材強(qiáng)度高的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)本身所占面積小，從而提高住宅面積使用率，同時(shí)，易于實(shí)現(xiàn)住宅的大開間、靈活分割的使用要求。而鋼材延性好，耗能能力強(qiáng)，使得結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的抗震性能。最重要的是，由于混凝土的存在而提高了結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，并增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的防火性能。

2.可以縮短施工工期，加快資金周轉(zhuǎn)，投資回報(bào)快。與傳統(tǒng)住宅相比，鋼-混凝土結(jié)構(gòu)可以縮短至少1/3的工期。結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件可以在工廠生產(chǎn)，現(xiàn)場安裝，工業(yè)化、商品化程度高，提高了生產(chǎn)效率。

3.現(xiàn)場濕作業(yè)少，產(chǎn)生的噪聲污染和建筑垃圾少。鋼-混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件易于拆卸，結(jié)構(gòu)使用期滿后，拆除的鋼材可以循環(huán)利用，幾乎不產(chǎn)生建筑垃圾。

二、鋼-混凝土結(jié)構(gòu)體系住宅的結(jié)構(gòu)組成

與其他建筑一樣，住宅結(jié)構(gòu)體系主要有豎向承重結(jié)構(gòu)、水平承重結(jié)構(gòu)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

1.豎向承重結(jié)構(gòu)。房屋的豎向承重結(jié)構(gòu)傳遞并承受豎向荷載，主要以鋼管混凝土柱為主。由于鋼管的強(qiáng)度較高而管壁較薄，而管內(nèi)部的混凝土既可參與受力，又能防止鋼管發(fā)生局部屈曲，從而提高鋼管的局部穩(wěn)定承載力。鋼管對混凝土提供了側(cè)向約束作用，使得混凝土的軸向受壓強(qiáng)度要高于一般的單軸抗壓強(qiáng)度，因此，鋼管混凝土柱的承載力要高于鋼管和混凝土的承載力之和。

由于混凝土的熱容量較大，當(dāng)有火災(zāi)發(fā)生時(shí)，一方面，鋼管內(nèi)澆筑的混凝土能夠吸收熱量，從而延長了鋼管的耐火極限；另一方面，較大截面的混凝土則提供了柱殘余承載力，從而提高其抗倒塌能力。

常用的鋼管截面形狀有圓形、矩形和正方形，比較而言，圓鋼管對管內(nèi)混凝土的約束能力最好，但其受彎性能及與其他構(gòu)件的連接不如方鋼管。當(dāng)考慮住宅建筑的不同受力時(shí)，可采用改變截面尺寸或改變鋼管壁厚，對一般的多層或小高層住宅，僅需改變管壁厚度即可，從而便于鋼結(jié)構(gòu)加工與制作。

2.水平承重結(jié)構(gòu)。樓（屋）蓋是鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系建筑的水平承重結(jié)構(gòu)，除直接承受和傳遞荷載外，也是豎向承重結(jié)構(gòu)的水平聯(lián)系和支撐。因而要求它必須有足夠的強(qiáng)度、剛度和整體穩(wěn)定性，同時(shí)也應(yīng)使樓板具有自重輕、厚度小、易于施工等特點(diǎn)。常用的形式有壓型鋼板和混凝土組合樓板、輕鋼-混凝土組合樓板、現(xiàn)澆混凝土樓板、裝配式樓板、現(xiàn)澆混凝土疊合樓板等。

采用鋼-混凝土組合樓板可省去樓面模板支撐，從而加快施工速度。肋中可布置設(shè)備管線，但用鋼量偏高，且板底一般需要做吊頂。傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土樓板雖然整體剛度大、經(jīng)濟(jì)性和耐久性好，但需要支模，而裝配式樓板雖然施工速度快，但其整體性差。最近發(fā)展起來的現(xiàn)澆空心疊合樓板則兼有上述樓板的優(yōu)點(diǎn)。

由于樓板與鋼梁屬于不同性能材料，需要通過剪力連接件將二者組成整體，共同發(fā)揮水平承重結(jié)構(gòu)的功能。由于混凝土樓板位于梁的受壓區(qū)，當(dāng)考慮樓板和鋼梁的組合作用時(shí)，可增加梁的抗彎剛度而減少結(jié)構(gòu)的層間位移，此外，與不考慮組合作用的純鋼梁相比，還可節(jié)約鋼材20%～30%。目前，鋼-混凝土組合樓板和現(xiàn)澆混凝土樓板在國內(nèi)發(fā)展已比較成熟，而現(xiàn)澆空心疊合樓板則剛剛起步。

3.圍護(hù)結(jié)構(gòu)。與其他鋼結(jié)構(gòu)建筑一樣，鋼-混凝土結(jié)構(gòu)體系住宅建筑宜采用輕質(zhì)維護(hù)材料。除采用傳統(tǒng)的加氣混凝土空心砌塊外，也可采用輕型組合墻體，如空心玻璃纖維增強(qiáng)水泥外墻板、壓型鋼板加輕型保溫隔層墻體、壓型鋼板夾芯板等?？招氖嗥鲶w也是一種適宜的墻體材料，它不僅自重小、墻體厚度薄，而且還具有隔聲防火、施工便捷等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，是一種低碳環(huán)保、健康、符合時(shí)代發(fā)展要求的新型墻體材料。國際上已公認(rèn)石膏砌塊是可持續(xù)發(fā)展的綠色建材產(chǎn)品，在歐洲占內(nèi)墻總用量的30%以上。

4.屋蓋結(jié)構(gòu)。由于住宅建筑不同于一般的工業(yè)廠房，一般采用與樓蓋相同的結(jié)構(gòu)形式，亦可采用輕型桁架加鋪輕質(zhì)保溫層和彩色壓型鋼板或拱形波紋屋頂。

5.節(jié)點(diǎn)連接。在鋼-混凝土結(jié)構(gòu)體系中，節(jié)點(diǎn)是其關(guān)鍵部位，由于結(jié)構(gòu)主要材料是鋼，因此，鋼結(jié)構(gòu)中梁柱連接形式（剛接和鉸接）可移植到此結(jié)構(gòu)體系中，即采用現(xiàn)行規(guī)范中的傳統(tǒng)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。需要注意的是，當(dāng)鋼管混凝土柱的鋼管管壁較薄時(shí)，此時(shí)要加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，如可在節(jié)點(diǎn)處的柱子部分局部采用厚壁鋼管，上、下分別與薄壁鋼管相焊接。

三、鋼-混凝土結(jié)構(gòu)體系住宅的發(fā)展前景

住宅的工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化是其發(fā)展的必由之路。鋼-混凝土結(jié)構(gòu)體系住宅綜合了鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，用于多、高層建筑具有施工方便、工期短的特點(diǎn)，同時(shí)使結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能和耐火性能。若再有新型墻體和樓板材料相配合，該結(jié)構(gòu)形式將在多層建筑中取代磚砌體而在高層建筑中取代混凝土，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的綠色環(huán)保建筑。