多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)探討

鄔茂盛

（湖南中規(guī)設(shè)計(jì)院有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410000）

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)體系是一種綠色環(huán)保建材，具有極佳的抗震性能，其安裝施工工期較短。運(yùn)用該結(jié)構(gòu)建立起來(lái)的建筑，具有不同于傳統(tǒng)混凝土、磚混等建筑材料的有效承載力。多高層鋼結(jié)構(gòu)在住宅建筑中的實(shí)際應(yīng)用仍然處于初級(jí)階段，因而需要采取進(jìn)一步的探討。

2 多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅概述

2.1 歷史背景

多高層鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)的實(shí)際發(fā)展歷史約有20多年，在其發(fā)展過(guò)程中，由于科技、經(jīng)濟(jì)等社會(huì)因素的限制，導(dǎo)致多層鋼結(jié)構(gòu)在住宅建設(shè)中的應(yīng)用被滯后。我國(guó)最早的輕鋼住宅為八層的輕鋼結(jié)構(gòu)住宅，其建造采用的為冷彎型U型鋼，與矩形鋼管混凝土組合成框架。我國(guó)的住宅產(chǎn)業(yè)化采用鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行住宅建設(shè)，其墻體、樓頂均采用的是復(fù)合結(jié)構(gòu)（見圖1），這些鋼結(jié)構(gòu)都需要提前預(yù)制，從而縮短工程的工期。

圖1 柱梁輕鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)局部示意圖

2.2 多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的優(yōu)勢(shì)

（1）抗震性好。我國(guó)目前運(yùn)用的多層輕鋼住宅，大多采用了輕型的，具有優(yōu)良特性的鋼材，其剛度和承載力都優(yōu)于傳統(tǒng)的建筑材料，且具有良好的抗震性能，因而節(jié)約了大量材料與成本，尤其適用于一些多地震地區(qū)，抗震效果顯著。

（2）運(yùn)用多層輕鋼結(jié)構(gòu)的住宅，其造型簡(jiǎn)潔美觀，構(gòu)件的截面尺寸小，增加了使用凈面積。如果樓板設(shè)計(jì)采用組合扁梁，可進(jìn)一步有效增加凈使用面積，由于多層輕鋼住宅鋼材具有高強(qiáng)度，因而能夠提供較大的柱網(wǎng)布置空間。

（3）該住宅結(jié)構(gòu)施工材料供貨迅速，安裝方便，工期短。當(dāng)前的許多建筑企業(yè)都需要依靠貸款來(lái)實(shí)施建筑物的建造工程，而貸款利率的升高導(dǎo)致許多企業(yè)采取早投產(chǎn)、早投資的模式，以降低工程總造價(jià)，以提高企業(yè)的投資收益，運(yùn)用該結(jié)構(gòu)，則能夠有效減少工程的資金成本，從而幫助企業(yè)獲取效益。

（4）多層輕鋼住宅的施工過(guò)程中，裝備化程度較高，施工過(guò)程快速、高效，能夠有效保障工程質(zhì)量。結(jié)合現(xiàn)代發(fā)達(dá)的科學(xué)技術(shù)，相關(guān)的施工裝備日益先進(jìn)，為工程的建設(shè)提供了技術(shù)保障和便利。

（5）鋼結(jié)構(gòu)還是一種重要的綠色環(huán)保結(jié)構(gòu)，不論是用于建筑物的施工、生產(chǎn)過(guò)程中，都具有良好的利用性，能源的消耗也相對(duì)較低，施工產(chǎn)生的污染物也較少，噪音小，因而是具有很高利用率和循環(huán)性的綠色環(huán)保結(jié)構(gòu)。

3 多層輕鋼住宅體系與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

3.1.1 冷彎薄壁型鋼體系

冷彎薄壁型鋼體系（見圖2），其構(gòu)件通常采用的是將薄鋼板冷彎成C形或Z形的構(gòu)件，此類構(gòu)件既可以單獨(dú)使用，也可形成組合來(lái)使用。桿件之間的連接，則主要采用的是自攻螺釘。冷彎薄壁型鋼體系需要注意的是其節(jié)點(diǎn)剛性較為脆弱，抗側(cè)能力也相對(duì)較差，因而該體系通常應(yīng)用于1～2層的住宅或別墅建造。

圖2 冷彎薄壁型鋼體系

3.1.2 框架支撐體系

在一些存在特殊天氣的地區(qū)，要求住宅建筑能夠承擔(dān)較大的風(fēng)載或地震作用，因此需要提升體系的抗側(cè)剛度，而框架支撐體系的優(yōu)勢(shì)即在于具有良好的軸交支撐、偏交支撐效果。該體系為多重抗側(cè)體系，實(shí)際運(yùn)用中通常會(huì)將梁柱的節(jié)點(diǎn)、柱腳節(jié)點(diǎn)等，設(shè)計(jì)為半剛接或鉸接式。

3.1.3 鋼框架-混凝土剪力墻體系

鋼框架-混凝土剪力墻通常運(yùn)用于一些小型高層住宅的設(shè)計(jì)建造中，通常會(huì)將建筑物的樓梯、電梯設(shè)計(jì)成為鋼筋混凝土墻，能夠在加強(qiáng)建筑物的側(cè)向剛度的同時(shí)，有效解決建筑的火災(zāi)問(wèn)題。需要注意的是，如果在應(yīng)用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)中心發(fā)生了偏移問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)及時(shí)通過(guò)設(shè)置鋼支撐的方法，解決此類問(wèn)題。

3.1.4 抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系

抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系用于高層的純框架體系，大多由工字型梁、箱型柱共同組成，其側(cè)向剛度不強(qiáng)，其空間的布局較為靈活，其結(jié)構(gòu)采用的為雙向剛接純框架，能夠有效增加側(cè)移剛度，從而優(yōu)化建筑物自身延性。但是，因?yàn)殡p向剛接結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其節(jié)點(diǎn)的布置也較為復(fù)雜，會(huì)嚴(yán)重地影響到建筑物的外觀。

3.1.5 周圍抗側(cè)力體系

該體系目前大多運(yùn)用于美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的建筑工程建設(shè)中，其主要適用于一些正方形結(jié)構(gòu)的建筑，最大的特征在于其構(gòu)件采用的是建筑軸線、剛架柱強(qiáng)軸等。該體系還可應(yīng)用于框架支撐體系，將梁柱的鉸接轉(zhuǎn)變?yōu)閯偨?，將剛架柱扭轉(zhuǎn)90°，然后以此為基礎(chǔ)，去掉其縱向支撐，讓鋼架柱能夠起到豎向支撐、抗風(fēng)柱等作用。

3.2 樓面屋蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多層鋼結(jié)構(gòu)住宅建造中，其樓面、屋蓋結(jié)構(gòu)都應(yīng)具有良好的強(qiáng)度，樓面屋蓋結(jié)構(gòu)通常可運(yùn)用壓型鋼板混凝土樓蓋，能夠在提高建筑物室內(nèi)凈高度的同時(shí)，拓展室內(nèi)空間，因而廣泛應(yīng)用于我國(guó)的居民住宅設(shè)計(jì)建造中，成為我國(guó)主要的樓蓋形式之一。

3.3 墻體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

許多住宅建筑物的墻體結(jié)構(gòu)所采用的施工材料，是經(jīng)由輕型墻體材料進(jìn)行進(jìn)一步加工制作而成，這種材質(zhì)具有良好的隔音效果，能夠有效隔離外音，因此受到住宅居民的青睞。常見的墻體結(jié)構(gòu)可以分為以下兩種形式：①自承重式的墻體結(jié)構(gòu)，該墻體結(jié)構(gòu)通常應(yīng)用于內(nèi)墻石膏板設(shè)計(jì)，以及外圍護(hù)結(jié)構(gòu)太空板的設(shè)計(jì)建造；②非自承重式的墻體結(jié)構(gòu)，該種形式的墻體結(jié)構(gòu)，其主要制作材料是彩色的壓型鋼夾芯板，該墻體結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用往往采取的是懸掛外圍式結(jié)構(gòu)。

3.4 設(shè)計(jì)防火要求

鋼材的耐溫性能通常較差，當(dāng)遭遇400～600℃的溫度時(shí)，鋼材就會(huì)發(fā)生變形；而如果溫度達(dá)到了600℃甚至以上，鋼材將會(huì)完全喪失其剛度。針對(duì)這種情況，必須通過(guò)相關(guān)的研究人員，研究出具備較高抗溫性能的鋼材，從而能夠讓鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑物具備良好的防火效果，維護(hù)建筑質(zhì)量和使用安全。我國(guó)當(dāng)前所采用的鋼結(jié)構(gòu)住宅防火措施包括隔離法、涂料法、實(shí)心包裹法以及膨脹漆覆蓋法。

4 多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅具體設(shè)計(jì)要點(diǎn)

高層建筑因?yàn)榫邆涔?jié)約土地資源的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)逐漸在建筑行業(yè)中占據(jù)重要地位，而鋼結(jié)構(gòu)在其中的應(yīng)用，要求具備良好的穩(wěn)定性能，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)注意的要點(diǎn)包括以下方面：

4.1 高度問(wèn)題

在設(shè)計(jì)建筑物時(shí)，首先要求從外觀上滿足視覺要求，對(duì)于建筑物高度的設(shè)計(jì)必須滿足視覺效果，對(duì)于一些超限建筑的設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)以謹(jǐn)慎為基本原則，設(shè)計(jì)過(guò)程中重點(diǎn)考慮地震、偶然荷載作用等潛在因素，嚴(yán)格審查多高層鋼結(jié)構(gòu)高度、建筑重心的合理設(shè)計(jì)與布局。

4.2 穩(wěn)定性問(wèn)題

對(duì)于多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定性是其質(zhì)量和安全的重要保障，因而在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要將建筑穩(wěn)定性作為核心內(nèi)容，利用一些專業(yè)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)輔助，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)工具，測(cè)算鋼結(jié)構(gòu)的各方面功能，確定其控制荷載、阻尼等各種相關(guān)參數(shù)，為建筑的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提供重要參數(shù)保證。

4.3 經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題

多高層建筑的鋼結(jié)構(gòu)需要運(yùn)用大量的鋼材，因而容易出現(xiàn)造價(jià)成本超支的問(wèn)題，因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要設(shè)計(jì)者以保證建筑穩(wěn)定性、安全性為前提，以節(jié)約資源為原則，充分考慮到鋼材的合理應(yīng)用與布局，盡可能確保建筑的經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)一步優(yōu)化鋼結(jié)構(gòu)用材設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)總體的協(xié)調(diào)性。

4.4 防火問(wèn)題

由于鋼結(jié)構(gòu)在遭遇高溫、火焰炙烤的情況下，會(huì)出現(xiàn)變形甚至燃燒的現(xiàn)象，因此需要從設(shè)計(jì)階段，就考慮到相關(guān)防護(hù)措施的實(shí)施。例如通過(guò)合理降低鋼結(jié)構(gòu)膨脹系數(shù)的方式，防止鋼結(jié)構(gòu)在高溫處境下的變形失穩(wěn)，甚至爆炸等嚴(yán)重后果。此外，還可以采用設(shè)置防火層的方式，降低鋼結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，延長(zhǎng)其耐火性能。設(shè)計(jì)者還可以合理優(yōu)化建筑的電路設(shè)計(jì)，強(qiáng)化鋼結(jié)構(gòu)消防穩(wěn)定性和火災(zāi)安全性，從而達(dá)到降低火災(zāi)發(fā)生概率的目的。

4.5 抗震問(wèn)題

對(duì)于多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的抗震設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)增多對(duì)稱、規(guī)則結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)抗震性能，從而平衡其支撐剪力墻和高樓層的彈性水平位移，以及質(zhì)心水平位移等。必須從設(shè)計(jì)階段，就充分地考慮到鋼材連接構(gòu)造的穩(wěn)定，從而減少安全隱患的存在。

4.6 荷載問(wèn)題

對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，還需要重視建筑物樓板的設(shè)計(jì)，這將關(guān)系到樓面承載能力是否符合要求。樓板平面剛度、整體性以及承載能力等，會(huì)傳至框架外部，水平力也會(huì)延伸至各個(gè)支撐柱上，所以，為了保證樓板的整體性能，需要將鋼梁進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，同時(shí)在梁上設(shè)置鋼釘。對(duì)于一些強(qiáng)震地區(qū)，應(yīng)當(dāng)預(yù)先將鋼結(jié)構(gòu)與預(yù)制埋件焊接起來(lái)，加強(qiáng)樓板的抗震能力。同時(shí)，還要求通過(guò)合理的計(jì)算，設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)支撐度和傳力路線維持一致。

4.7 環(huán)保性

多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計(jì)指標(biāo)之一，就是其環(huán)保性要求，在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意控制建筑與自然環(huán)境之間的關(guān)系，以及鋼結(jié)構(gòu)與周邊生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)系，通過(guò)提升鋼結(jié)構(gòu)環(huán)保性，提高建筑品質(zhì)，在鋼結(jié)構(gòu)中運(yùn)用輕質(zhì)墻板的環(huán)保材料等措施，解決資源問(wèn)題，達(dá)到環(huán)保目的。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)在建筑行業(yè)中迅速發(fā)展起來(lái)，尤其在多層房屋的設(shè)計(jì)建造中，具有良好的前景，而設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步重視對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的深入研究、開發(fā)和總結(jié)，從而使鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)、制作和安裝技術(shù)，都能夠在未來(lái)得到較好的應(yīng)用。

[1]施 剛，班慧勇，石永久，等.高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展綜述[J].工程力學(xué)，2013（1）：1～13.

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[3]施剛，班慧勇，石永久，等.高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用及研究進(jìn)展[J].工業(yè)建筑，2012，42（01）：1～7.