高層鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)特點淺析

張曉陽

（東華工程科技股份有限公司，安徽，合肥 230024）

1 概 述

我國的高層鋼結(jié)構(gòu)住宅處在推廣發(fā)展階段，與其相關(guān)的技術(shù)標準有《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》［1］、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［2］、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［3］、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［4］、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［5］、《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》［6］等，行業(yè)和地方標準有《鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計規(guī)范》CECS261、《多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)規(guī)程》DG／TJ08－2009等，安徽省《高層鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)規(guī)程》也在編制當中，與此相關(guān)的墻、板、柱、支撐等結(jié)構(gòu)構(gòu)件和子系統(tǒng)相關(guān)的行業(yè)標準也很多。這些標準有其各自編制的適用范圍，目前還涵蓋不了“高層”、“鋼結(jié)構(gòu)”、“住宅”的全部內(nèi)容，不同的地理條件適應性也不同。有些內(nèi)容缺少標準之間的協(xié)調(diào)性，有些條款針對性不強，設(shè)計時則要參照各個標準規(guī)范，有些規(guī)定和要求需要做判斷和選擇。對高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的技術(shù)特點進行分析研究，對現(xiàn)行標準的相關(guān)內(nèi)容做針對性的探討和細化，提高針對性和適應性，結(jié)合相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展和應用情況，在依據(jù)規(guī)范標準要求的基礎(chǔ)上進行設(shè)計和建設(shè)，可以更充分地發(fā)揮高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的優(yōu)越性，充分體現(xiàn)安全性、經(jīng)濟性、舒適性，促進高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的推廣和住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

2 結(jié)合高層鋼結(jié)構(gòu)的特點住宅戶型的設(shè)計，合理選擇結(jié)構(gòu)形式和抗側(cè)力體系

住宅建筑各個房間的開間和進深因其使用功能各異而不同，布置不規(guī)則，使得結(jié)構(gòu)梁、柱和剪力墻很難在整個樓層平面內(nèi)對齊貫通。因此在高層鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計中，需要充分考慮建筑的戶型平面設(shè)計與結(jié)構(gòu)的選型布置之間的互相關(guān)系及影響。

與高層鋼筋混凝土建筑不同，在高層鋼結(jié)構(gòu)住宅中，除樓梯間和電梯井（簡稱“交通核”）采用鋼筋混凝土筒體外，結(jié)構(gòu)大部分主要構(gòu)件采用的是鋼結(jié)構(gòu)（包括梁、柱、支撐等）或者鋼－混凝土組合構(gòu)件（如鋼管混凝土柱、延性墻板等）。交通核以外的抗側(cè)力構(gòu)件主要采用鋼支撐或者延性剪力墻。

由于住宅內(nèi)外縱墻多開門窗洞的特點，內(nèi)外縱墻抗側(cè)力構(gòu)件的布置受到的限制較大。鋼支撐的受力性能較好，制作施工方便，但是會影響到門窗的布置，墻面處理面對的困難也較多；鋼板剪力墻等延性墻板可以更好地滿足墻面的處理要求，可以半跨布置減少對門窗開洞的影響，但是技術(shù)要求和造價都較高。此外，不同的抗側(cè)力構(gòu)件對建筑熱工性能的影響、對結(jié)構(gòu)的使用維護要求也不同，在建筑方案階段就需要根據(jù)這些結(jié)構(gòu)特點進行設(shè)計。建筑平面外墻的進退錯落在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中可以布置“Z”字形剪力墻，而在鋼結(jié)構(gòu)中就會使剪力墻的布置受到限制，所以高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的建筑平面布置就需要考慮這些特點，一般要比現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)更規(guī)整和規(guī)則。

3 高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的適用高度

適度超前的標準可以更好適應實際應用的發(fā)展需要，為高層鋼結(jié)構(gòu)住宅推廣提供技術(shù)支持。高層鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計的高度受到戶型平面、墻體材料、鋼結(jié)構(gòu)的耐久性和使用維護、廚衛(wèi)技術(shù)等因素的影響，目前我國的實行的幾個鋼結(jié)構(gòu)住宅標準規(guī)范基本都以100m為建筑高度的限值。隨著高層鋼結(jié)構(gòu)建造技術(shù)的快速發(fā)展和日趨成熟，住宅產(chǎn)業(yè)化的積極推進，鋼結(jié)構(gòu)住宅配套技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)不斷取得新成果，許多技術(shù)難題不斷得到解決，正在逐漸被市場所接受，超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑也逐步出現(xiàn)在一線城市以外的更多地方，建造高度超過100m的高層鋼結(jié)構(gòu)住宅和公寓在技術(shù)上成為可行。安徽省地方標準《高層鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)規(guī)程》對適用建筑高度不再作100m的限制，而采用與“高鋼規(guī)”等國家標準一致的適用建筑高度，以適應快速發(fā)展的需要。但是在具體的工程設(shè)計中，要結(jié)合建筑功能、抗震、消防等技術(shù)要求和經(jīng)濟性，合理確定建筑高度，配合戶型研究確定建筑、結(jié)構(gòu)和設(shè)備各方面都合適的平面方案，采取相應的解決方案和技術(shù)措施。

住宅建筑需要考慮日照、采光、通風等使用功能需求，常用戶型的住宅建筑平面南北寬度一般在12－18m左右，最大建筑高度也受到結(jié)構(gòu)高寬比要求的制約。在7度抗震設(shè)防區(qū)，規(guī)范規(guī)定框架剪力墻結(jié)構(gòu)和框架核心筒結(jié)構(gòu)的適用高寬比不宜大于6－7，相應的最大建筑高度為130m左右。如果要建更高的住宅建筑，就需要對建筑平面和戶型設(shè)計進行更多的深入研究和探討，增加建筑平面的寬度；也需要結(jié)構(gòu)工程師對結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)布置做更多的研究和計算，以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)構(gòu)阻尼比

影響高層鋼結(jié)構(gòu)阻尼比大小的因素很多，不同的結(jié)構(gòu)體系、建筑高度、結(jié)構(gòu)的鋼與混凝土材料比例、墻體材料、墻體與結(jié)構(gòu)主體連接方式（外墻與框架嵌砌或外掛），其阻尼比不同。荷載作用（風荷載或地震作用）和設(shè)計階段（彈性或塑性分析）的不同，其阻尼比也不同?！颁撘?guī)”、“抗規(guī)”、“高規(guī)”、“高鋼規(guī)”、《多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)規(guī)程》等標準對高層鋼結(jié)構(gòu)阻尼比的取值作了規(guī)定，在結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時，還需要根據(jù)高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的特點和工程的具體情況，綜合各種影響因素進行分析，才能比較準確確定結(jié)構(gòu)的阻尼比。結(jié)構(gòu)阻尼比隨構(gòu)件中混凝土和鋼的變形能所占比例大小而不同，剪力墻和框架柱中的鋼－混凝土組合截面越多，即混凝土用量越多，阻尼比就越大，需要進行相應的調(diào)整。外墻采用外掛整體墻板，結(jié)構(gòu)阻尼比要大于采用嵌砌砌體。

5 鋼材選用

高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)應綜合建筑高度、結(jié)構(gòu)和連接形式、制作方法、工作環(huán)境等因素合理選擇鋼材品種，材料的要求可以根據(jù)“鋼規(guī)”、“高鋼規(guī)”等標準執(zhí)行。

高層鋼結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件的鋼材可以選用Q235鋼、Q345鋼和Q390鋼，以及Q345GJ、Q390GJ建筑鋼結(jié)構(gòu)專用的高性能鋼板。Q345鋼、Q390鋼是常用的鋼號，如要采用更高強度級別的鋼材，鋼使用時要有依據(jù)，則需要有相應的延性與韌性性能保證。GJ鋼板是高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的專用高性能鋼板，比同級別低合金結(jié)構(gòu)鋼具有更好的延性、塑性與焊接性能，但是價格較高，可以根據(jù)工程的具體情況使用。

當鋼板厚度≥40mm鋼材時，厚度方向（Z向）抗撕裂性能應符合相關(guān)標準的規(guī)定。

由于住宅建筑的特殊性，及使用后較難維修的特點，其鋼構(gòu)件的耐久性和防護措施就成為非常重要的內(nèi)容。對外露承重構(gòu)件和易腐蝕構(gòu)件，除應采取噴射除銹、長效油漆涂料、加大涂層厚度等防護措施外，必要時可以考慮采用耐候鋼。

6 風荷載計算

“高層鋼結(jié)構(gòu)住宅”屬于對風荷載比較敏感的建筑，風荷載計算對其安全性、經(jīng)濟性、舒適性有很大的影響?！案咭?guī)”規(guī)定，風荷載比較敏感的、高度超過60m的高層建筑，承載力設(shè)計時的風荷載計算按基本風壓的1．1倍采用；“高鋼規(guī)”規(guī)定風荷載計算按基本風壓的1．1倍采用，有特殊要求的高層建筑按1．2倍采用；“荷載規(guī)范”規(guī)定，高層建筑、高聳結(jié)構(gòu)以及對風荷載比較敏感的其它結(jié)構(gòu)，基本風壓的取值應適當提高，并符合有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的規(guī)定，還說明了可由各設(shè)計規(guī)范根據(jù)結(jié)構(gòu)的自身特點作出規(guī)定，沒有規(guī)定的可以考慮適當提高其重現(xiàn)期來確定基本風壓。

對于高層鋼結(jié)構(gòu)住宅，當建筑高度超過60m時，可以按照“高規(guī)”規(guī)定，承載力設(shè)計時的風荷載計算按基本風壓的1．1倍采用，特殊情況按規(guī)范另行確定；當建筑高度不超過60m時，則可以按照“荷載規(guī)范”規(guī)定附錄E的計算方法，適當提高其重現(xiàn)期來確定基本風壓。在安徽地區(qū)，按70年重現(xiàn)期的基本風壓約為50年重現(xiàn)期的1．05－1．1倍。

住宅小區(qū)的高層建筑集中布置時，樓房相互之間距離較近，計算主體結(jié)構(gòu)的風荷載效應時，應該按“荷載規(guī)范”規(guī)定考慮風力的相互干擾群體效應。可以將單棟建筑的體型系數(shù)乘以1．0－1．2的相互干擾系數(shù)，復雜情況宜通過風洞試驗或參考類似條件的風洞試驗資料確定。規(guī)范給出了單個和兩個施擾建筑作用的風荷載相互干擾系數(shù)圖，但是對于住宅小區(qū)建筑數(shù)量更多的情況，風荷載相互干擾群體效應會更復雜，其相互干擾系數(shù)需要根據(jù)建筑的具體分布情況確定。

7 鋼板剪力墻、帶縫鋼板剪力墻、無粘結(jié)鋼板支撐等延性墻板的應用

在高層鋼結(jié)構(gòu)住宅適用的鋼框架、鋼框架－支撐、框架－剪力墻（核心筒）結(jié)構(gòu)體系中，抗側(cè)力構(gòu)件除各種支撐和鋼筋混凝土剪力墻（核心筒）外，根據(jù)其特點更多地采用鋼板剪力墻、帶縫鋼板剪力墻、無粘結(jié)鋼板支撐等延性墻板。

住宅的戶型平面布置形式受到氣候條件的影響，在冬冷夏熱地區(qū)，典型的框架－核心筒結(jié)構(gòu)體系通常滿足不了住宅的通風、日照等使用要求。當鋼結(jié)構(gòu)住宅的交通核偏置或建筑高度較高時，需要在交通核以外的其它位置布置抗側(cè)力構(gòu)件?？梢赃x用中心支撐、偏心支撐、屈曲約束支撐等，或者是鋼筋混凝土剪力墻、鋼板剪力墻、帶縫鋼板剪力墻、無粘結(jié)鋼板支撐等延性墻板。

采用支撐做抗側(cè)力構(gòu)件，技術(shù)成熟、設(shè)計和施工簡單方便，但是支撐的布置受到內(nèi)外墻上門窗洞口的制約很大，支撐兩側(cè)的覆蓋墻體材料和構(gòu)造問題也較多；鋼筋混凝土剪力墻因鋼結(jié)構(gòu)特點和施工等因素的影響，主要用于核心筒位置。

鋼板剪力墻、帶縫鋼板剪力墻、無粘結(jié)鋼板支撐等延性墻板不承受或較少承受豎向荷載，施工安裝可以在鋼框架形成之后進行，不影響框架的施工進度；可以半跨布置，受門窗洞的影響較?。谎有詨Π鍍擅娓惨耘浣罨炷涟?，厚度和構(gòu)造容易滿足住宅的墻體和設(shè)備管線的布置要求。因此延性墻板在高層鋼結(jié)構(gòu)住宅中具有獨特的優(yōu)點，但是造價和技術(shù)要求較高，設(shè)計中需要綜合考慮實際情況，選擇合適的結(jié)構(gòu)體系和抗側(cè)力構(gòu)件。

8 梁與剪力墻的半剛性連接

在“高規(guī)”、“抗規(guī)”等標準中，規(guī)定混合結(jié)構(gòu)中樓面鋼梁與鋼筋混凝土剪力墻（核心筒）的連接形式可采用剛接或鉸接。為減小混凝土核心筒和鋼框架柱之間的沉降差異所引起的附加內(nèi)力、考慮混凝土收縮和徐變因素的影響，樓面梁與與混凝土核心筒的連接宜采用鉸接；如需要增加結(jié)構(gòu)整體剛度時，則可以采用剛接。鉸接的受力計算和構(gòu)造比較明確、簡單；剛接則需要在混凝土剪力墻內(nèi)設(shè)置型鋼，以便于受力和構(gòu)造。

在高層住宅建筑中，由于高層住宅的平面通常都在中間部位布置有廚房、衛(wèi)生間和內(nèi)廳等房間，形成較大的凹槽，外圍框架是分段的、不連續(xù)的，對結(jié)構(gòu)外圍框架的平面內(nèi)剛度削弱較大，如果將樓面梁與混凝土核心筒的連接設(shè)為鉸接，就會影響結(jié)構(gòu)的整體剛度。因此，高層鋼結(jié)構(gòu)住宅樓面梁與混凝土核心筒之間連接方式的選擇，應該根據(jù)結(jié)構(gòu)的整體情況確定，不宜簡單地采用鉸接或剛接，并需要采取必要的措施加強結(jié)構(gòu)整體剛度。實際上混凝土剪力墻承受平面外彎距，在計算和構(gòu)造方面也還存在一定的問題，從結(jié)構(gòu)受力情況和構(gòu)造來看，樓面梁與與混凝土核心筒的連接處于鉸接和剛接之間的半剛性狀態(tài)，更符合高層住宅鋼結(jié)構(gòu)的特點和需要。雖然半剛性連接目前的理論研究還不夠、計算方法還不夠成熟，但如果進行專門的試驗研究或有可靠的依據(jù)，在實際工程中可以嘗試采用半剛性連接。

9 組合樓蓋

高層鋼結(jié)構(gòu)住宅組合樓蓋由樓面梁和樓板構(gòu)成，應根據(jù)建筑的結(jié)構(gòu)性能、使用和施工條件、防火、隔聲要求及工程造價等因素合理選用組合樓蓋和樓板形式，組合樓蓋的樓板可選擇普通混凝土現(xiàn)澆板、壓型鋼板組合樓板、鋼筋桁架組合樓板、預應力疊合板等。

組合樓板與樓面鋼梁有可靠連接時，結(jié)構(gòu)整體彈性計算可以考慮鋼梁和樓板的共同作用，對樓面梁剛度乘以放大系數(shù)?！案咪撘?guī)”規(guī)定剛度放大系數(shù)為1．2－1．5倍；“高規(guī)”規(guī)定混合結(jié)構(gòu)的剛度放大系數(shù)為1．5－2．0倍。鋼梁的承載力設(shè)計時考慮到組合樓板與梁連接的可靠程度，一般不按組合梁設(shè)計，組合樓板的翼緣作用作為鋼梁的安全儲備。組合樓板與樓面鋼梁之間連接的可靠程度，是鋼梁和樓板共同作用的保證，決定了鋼梁的剛度放大系數(shù)，不同類型的組合樓板和連接方式對鋼梁的剛度提高也有所不同，設(shè)計時可以根據(jù)實際情況依據(jù)規(guī)范或者可靠的研究成果確定樓面梁的剛度放大系數(shù)。

放大系數(shù)取值偏大或偏小都會影響結(jié)構(gòu)計算的準確性和安全性，合理確定反映組合樓蓋實際工作狀況的鋼梁剛度放大系數(shù)有很大的意義。保證組合樓板與樓面鋼梁之間的連接足夠可靠，充分發(fā)揮組合梁翼緣的作用，也能夠在鋼梁的承載力設(shè)計和撓度驗算時提高梁截面慣性矩，減小鋼梁截面尺寸，減少用鋼量。

10 樓蓋的舒適度和振動頻率

樓蓋的豎向振動頻率是高層建筑舒適度的重要指標?！案咭?guī)”規(guī)定樓蓋的豎向振動頻率不宜小于3HZ；“高鋼規(guī)”規(guī)定其值不宜小于15HZ；《鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計規(guī)范》（CECS261:2009）規(guī)定其值不宜小于8Hz。合肥工業(yè)大學的鋼筋桁架組合樓蓋剛度、承載力和舒適度系列試驗研究顯示其自振頻率達到15Hz以上。國內(nèi)外的研究結(jié)果建議的樓蓋最小自振頻率在5Hz～15Hz范圍。數(shù)據(jù)的離散性反映這項研究尚未成熟，綜合現(xiàn)行規(guī)范、研究成果和經(jīng)濟性，根據(jù)目前我國高層鋼結(jié)構(gòu)住宅實際應用情況，綜合樓板采用不小于5Hz的自振頻率是比較適合的。樓板自振頻率的限值所受影響因素很多，包括人的活動頻率、建筑結(jié)構(gòu)對自振頻率的影響、梁板連接方式、樓板振動試驗的條件、試驗與實際工程的差異等等，組合樓板的跨度都會對自振頻率產(chǎn)生影響。鋼筋小桁架混凝土組合樓板等新型樓板的研究、計算方法也不同。因此在樓蓋設(shè)計時，需要考慮各種影響因素，控制樓蓋的豎向振動頻率，滿足舒適度要求。

11 墻體材料

高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的外墻是重要的建筑圍護結(jié)構(gòu)，對其有著多方面較嚴格的功能要求，如節(jié)能、隔聲、防火、防水、保溫、抗裂等。外墻可選用輕型塊材砌筑，有條件時宜采用性能良好、裝配化程度高、連接可靠的新型復合保溫外墻板。目前研發(fā)和應用的新型復合保溫外墻板的種類繁多，有加氣混凝土墻板、薄板鋼骨復合輕質(zhì)外墻、鋼筋混凝土幕墻板現(xiàn)場復合外保溫外墻、鋼絲網(wǎng)混凝土預制保溫夾芯板外墻、輕質(zhì)芯材混凝土大板、鋼絲網(wǎng)水泥夾心板、鋼絲網(wǎng)水泥多孔墻板與纖維水泥板等，但在技術(shù)成熟度、性能保證和經(jīng)濟性等方面都還有待完善。

不同的墻體材料和連接方式，對結(jié)構(gòu)的剛度、阻尼比也有著不同的影響。結(jié)構(gòu)設(shè)計要在滿足建筑設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)墻體的材料、剛度、連接方式，合理確定結(jié)構(gòu)計算的剛度折減系數(shù)、結(jié)構(gòu)阻尼比等參數(shù)，并進行承載力驗算，采取可靠的連接構(gòu)造措施。

墻體抗裂是住宅質(zhì)量的一項重要指標，“高鋼規(guī)”規(guī)定高層建筑鋼結(jié)構(gòu)在風荷載下的最大層間位移不宜超過樓層高度的1／400，在地震作用下的最大層間位移不宜超過樓層高度的1／250，其控制值低于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的要求。在高層住宅建筑中，不太可能采用對結(jié)構(gòu)側(cè)移有較強適性的幕墻等體系做外墻，最大層間位移的控制值采用適當提高的1／400，是目前保證高層鋼結(jié)構(gòu)住宅墻體質(zhì)量的措施之一。

12 高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的建造是技術(shù)標準和相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品研究的集成

高層鋼結(jié)構(gòu)住宅受使用性質(zhì)和功能要求等諸多因素的限制和影響，在各個專業(yè)方面都體現(xiàn)出特殊的技術(shù)特點和要求，相關(guān)的理論研究、技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)非常廣泛，涉及的規(guī)范和標準也很多。在結(jié)構(gòu)方面，除了本文淺述以外，也還有許多需要不斷深入研究的課題。高層鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)的發(fā)展是一個不斷推陳出新的完善過程，還有大量的研究工作可以去做，有許多的技術(shù)問題需要研究、分析、驗證。要搞好高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計和建造，不僅需要按照標準規(guī)范執(zhí)行，還要了解掌握相關(guān)的新技術(shù)、新產(chǎn)品的研發(fā)和應用。

1 GB50011－2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］．中國建筑工業(yè)出版社，2010．

2 GB50010－2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．中國建筑工業(yè)出版社，2010．

3 JGJ3－2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］．中國建筑工業(yè)出版社，2010．

4 GB5009－2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］．中國建筑工業(yè)出版社，2012．

5 GB50017－2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］．中國建筑工業(yè)出版社，2003．

6 JGJ99－98，高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］．中國建筑工業(yè)出版社，1998．