高層鋼結構住宅設計方案研究

甘 昱

（佳兆業(yè)集團控股有限公司惠州分公司，廣東 惠州 516000）

0 引言

2019年3月29日，住房和城鄉(xiāng)建設部印發(fā)《住房和城鄉(xiāng)建設部建筑市場監(jiān)管司2019年工作要點》明確提出：要開展鋼結構裝配式住宅建設試點，積極推動鋼結構在住宅市場的重點應用，充分發(fā)揮鋼結構在住宅上的優(yōu)點，加快住宅產(chǎn)業(yè)技術升級、技術革新、技術迭代；消耗國內鋼鐵產(chǎn)能，拉動經(jīng)濟增長，促進內循環(huán)。

1 高層鋼結構住宅的特點

傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結構在高層建筑中已具有成熟且完善的設計施工技術。但混凝土結構通常存在現(xiàn)場濕作業(yè)較多、節(jié)點連接強度難以保證等問題，并且在施工過程中產(chǎn)生較多建筑垃圾，給環(huán)境造成污染，導致施工質量難以得到根本保證?；炷裂b配式建筑發(fā)展較慢，受客觀因素限制過多。為減少混凝土結構的不利影響，發(fā)展鋼結構在住宅建筑中的應用非常必要。

1）鋼結構建筑的優(yōu)點 ①建筑功能性較好，抗震性能強；②自重較輕，可以減少基礎的成本；③產(chǎn)業(yè)化程度較高，施工速度較快，生產(chǎn)周期較短；④鋼結構綠色環(huán)保，污染較少。

2）鋼結構的缺點 ①鋼結構住宅設計在我國缺乏完善的理論研究以及實際應用的能力，發(fā)展較慢；②鋼結構住宅的套型設計、結構形式、構件選取及配套的圍護結構的選擇尚未形成完整的共識；③關于鋼結構高層住宅的結構力學性能認知不夠深入，未能形成較為廣泛認同且行之有效的設計及施工體系；④原材料價格較高，造價明顯高于混凝土結構。以上問題限制了鋼結構在高層住宅的大范圍使用和推廣。

2 我國常用高層鋼結構住宅體系

2.1 主體鋼結構體系

傳統(tǒng)高層建筑結構中常用的結構形式為鋼筋混凝土剪力墻結構，具有較好的剛度，空間內部梁柱不外露，通常采用砌體進行分割圍護，可更好地實現(xiàn)建筑物使用功能。

傳統(tǒng)的鋼結構建筑構件較細長，一般用于鋼框架（支撐或延性板）結構體系，框架柱明顯突出，因此對建筑裝修工藝要求較高。比較常用的高層住宅鋼結構體系有鋼板組合剪力墻結構、鋼框架結構、模塊化、空間網(wǎng)格、交錯桁架等。

2.1.1 鋼板組合剪力墻結構體系

鋼板組合剪力墻是通過將混凝土墻體外部包鋼板，并在的構造準則進行初步預估。在對柱截面進行預估時，一般按照長細比展開，基本在50<<150，通常取約100的數(shù)值。

3）對結構進行分析 關鍵在于確定計算模型，計算要考慮手算與電算的有機融合。目前，在設計分析鋼結構時，一般通過線彈性分析的方式。但對于部分有限元軟件，可以考慮其彈塑功效，這為更精準地分析打下了良好的基礎。需要注意的是，并非任何結構都能利用軟件進行設計分析。如典型結構需利用查閱相關工具書獲取內力與變形；對于復雜結構鋼板內部填充混凝土的新型連接構造。該組合剪力墻利用混凝土與外包的鋼板，形成與混凝土剪力墻結構比較相似的結構體系。

常用的鋼板組合剪力墻體系主要有以下3種。

1）束管鋼板組合墻體系 鋼板剪力墻構件替換混凝土剪力墻作為抗側構件，鋼板墻墻厚一般為130～250mm，板厚大于4mm的鋼板采用高頻焊接工藝加工成剪力墻，可通過裁剪焊接生產(chǎn)任意尺寸的產(chǎn)品。

2）波形鋼板剪力墻結構體系 為增加板件的面外剛度，一般將鋼板彎折成波形板，板件之間對扣形成組合式剪力墻。該結構的優(yōu)點是焊接量較少，成本較低。

3）PSC組合剪力墻結構體系 把鋼板焊接成一定形狀，混凝土外包在鋼板外側，形成組合式剪力墻。這種結構的剪力墻防火、防腐、耐久性能優(yōu)越，但箍筋的用量較大，需同時采用鋼結構和混凝土結構的施工工藝，技術要求較高。

2.1.2 鋼框架結構體系

為降低鋼材用量，鋼框架體系中構件設計更加細長，為增強豎向構件的強度和穩(wěn)定，鋼結構柱多為矩形鋼管，內填混凝土，鋼梁多采用熱軋或者焊接的H型鋼。

鋼框架結構在設計時一般遵循以下4個步驟。

1）確定結構布置方案 鋼框架結構層數(shù)越多、高度越高，承受的豎向荷載越大，抗側力是鋼框架結構重點考慮因素。同時需充分考慮建筑性質、荷載分布等多種因素。結構布置需遵循剛度均勻、受力清晰的原則。

2）對截面進行預估 預估的范圍主要是梁、柱和支撐的形狀及尺寸等。鋼梁的選擇范圍較廣，槽鋼、H型鋼截面等均可。根據(jù)荷載以及支座尺寸，截面高度的范圍一般是跨度的0.02～0.05倍。而翼緣寬度則依照梁間側向支撐的間距按1/b限制進行確定。以上數(shù)據(jù)確定后，板件厚度可依照局部穩(wěn)定則需通過建模進行設計。

4）對節(jié)點進行設計 節(jié)點設計需考慮兩方面內容：焊接和栓接。焊接時要嚴格按照規(guī)范要求進行施工。在選擇焊條時，要注意與被連接的金屬材質彼此對應。E43與Q235彼此對應，E50與Q345彼此對應。Q235與Q345連接時，應使用強度較低的E43，在焊接設計時，焊縫不能隨意更改，應保證焊縫的重心與被連接構件的重心無限接近。栓接是建筑工程中應用最廣泛的連接形式。但普通螺栓在抗剪性方面并不強，可應用在次要部位。高強度螺栓最常利用的強度等級是8.8S與10.9S。

2.1.3 模塊化結構體系

1）盒子結構體系 依據(jù)功能需求將建筑切分成若干簡單的模塊，通過單元分塊制作后進行現(xiàn)場組裝，其施工速度較快、工業(yè)化程度較高。

2）裝配式斜支撐框架結構體系 梁與柱的節(jié)點采用螺栓連接并通過增加隅撐加強連接的強度，管線設備一體化可實現(xiàn)現(xiàn)場的全裝配化。

2.2 樓板結構體系

樓層板結構調整整層樓的抗側力構件，與框架梁均是重要的水平受力構件。在鋼結構住宅計算的模型中一般假定樓板為剛性板，故樓板應具有一定的面外剛度。

鋼結構住宅常用的樓板結構為疊合板和PK疊合板。疊合板總厚度大于140mm，底面板厚為60mm。PK疊合板厚度一般小于120mm，明顯小于混凝土疊合板，對建筑凈空要求有著較明顯的優(yōu)勢。

混凝土疊合板中常用的還有SP疊合板，可實現(xiàn)較大跨度的應用，但缺點是板較厚。

普通的桁架類的混凝土疊合板是最常用的板，因采用鋼筋制作的桁架可以有效地固定受力筋，使前后澆筑的混凝土能夠更好地協(xié)調工作。缺點在于施工后的脫模較困難，造價較高。

樓承板在鋼結構建筑中使用較早，因其質量輕、連接簡單，廣泛用于鋼結構的板及圍護結構中，但由于板局部穩(wěn)定的問題，板件經(jīng)常需要彎折，因此建筑的觀感較差，需要后期裝修吊頂。

2.3 圍護結構體系

圍護墻主要的維護結構種類有幕墻、板材、整體式墻板及輕鋼龍骨、PC類等多種形式。隨著技術進步，維護結構在性能、生產(chǎn)速度及工藝、耐久性等方面具有很大進步。

1）幕墻類 幕墻是傳統(tǒng)的圍護結構，常用于裝配式建筑，適應性較好，易于加工生產(chǎn)，保溫、采光性能優(yōu)越，應用廣泛。

2）板材類 蒸壓加氣混凝土墻板（AAC板）是目前鋼結構建筑中常用的條板類幕墻板材。

3）輕鋼龍骨類 輕鋼龍骨是將保溫與建筑裝飾統(tǒng)一的承重體系，自重較輕，利于抗震。

3 高層鋼結構住宅設計存在的問題

3.1 建筑設計存在的問題

在建筑設計方面，高層鋼結構住宅主要有以下問題。

1）鋼材強度較高，建筑套型設計無法體現(xiàn)鋼結構的優(yōu)勢；戶型尺寸設計不符合裝配式生產(chǎn)的模數(shù)；套型設計未考慮未來房地產(chǎn)市場的實際需求。

2）建筑外立面復雜，不利于模數(shù)化設計制作和安裝。

3）與裝配式建筑相配套的專業(yè)設備發(fā)展滯后。

3.2 結構設計應注意的問題

在結構方面，高層鋼結構住宅應注意以下4個問題。

1）結構體系的選擇 應當選擇與建筑相匹配的主體結構方案，并對結構方案進行優(yōu)化。

2）圍護結構的選擇 應當選擇與主體結構及建筑相匹配的圍護結構。滿足建筑和結構的相關需求，力求安全、簡單、便宜。

3）節(jié)點設計 結構中節(jié)點的強度設計具有舉足輕重的地位，應當加強節(jié)點設計，確保節(jié)點擁有足夠的強度。

4）防腐防火設計 鋼結構具有易腐蝕及對溫度較敏感的特點，因此防腐防火設計是鋼結構設計中應重點關注內容。

4 結語

鋼結構由于自身的優(yōu)點，已在國外的高層住宅中廣泛應用，我國相關部門也在大力推廣應用。因此，在未來的結構設計中，高層鋼結構住宅的應用會越來越廣泛。對設計與施工人員均提出更高的要求。對此，相關單位必須提高技術水平和現(xiàn)場管理能力，積極推動鋼結構設計產(chǎn)業(yè)化、綠色化、信息化發(fā)展。發(fā)揮群聚效應，從而形成規(guī)模平攤成本、降低造價。