加拿大轻钢结构住宅体系

加拿大轻钢结构住宅体系CanadianResidentialConstructionUsingLightWeightSteelFramingUniversityofWaterloo徐磊LeiXu博士加拿大冷成型钢研究中心副主任加拿大滑铁卢大学土木工程系教授加拿大信贷及房屋集团研究报告AResearchReportforCanadaMortgageandHousingCorporation项目经理:梅里．利武臣MurrayRasmussen程乃立NellieCheng2003年3月前言这本小册子旨在根据轻钢（冷弯薄壁型钢）体系的优越性及应用现状向中国建筑行业提供有关加拿大轻钢住宅体系的基本介绍。由于加拿大所处的寒冷气候环境，加拿大轻钢住宅体系注重于先进的保温节能技术，在国际上处于领先地位。考虑到轻钢建筑技术与中国现行建筑方式的不同，因此，我希望这本小册子能促进中国建筑结构设计专业人士及承建商对加拿大的先进轻钢建筑技术的了解,同时也起到帮助中国建筑行业制定有关轻钢体系设计施工准则的作用，以促进轻钢建筑技术在中国的推广。这本小册子中所介绍的内容及方法仅为读者提供一些有关轻钢建筑技术的常规信息，其信息的来源基于加拿大及北美的现行工程实践。任何人在将这里所介绍的技术应用于工程实际之前，应首先征求有关专业人士的意见，同时也需得到当地设计规范管理部门的认可。事先声明，虽然这本小册子所提供的信息力求准确，但其作者和出版者概不承担使用这些信息所带来的任何责任和后果，任何人使用这里所介绍的内容和方法，应承担起由此所带来的相应风险、责任和后果。徐磊博士加拿大冷成型钢研究中心副主任加拿大滑铁卢大学土木工程系副教授LeiXu,Ph.D.,P.Eng.AssociateDirectoroftheCanadianColdFormedSteelResearchGroupAssociateProfessor,DepartmentofCivilEngineeringUniversityofWaterlooWaterloo,Ontario,CanadaN2L3G1版权所有@2003年3月版权所有，未经出版者同意，任何人不得翻印。加拿大信贷及房屋集团CanadaMortgageandHousingCorporation加拿大轻钢结构住宅体系引言近150年来，钢材在建筑业的应用已遍及世界。钢材至今仍然是最坚固、耐久和经济的建筑材料之一。虽然，钢结构在传统上主要用于高层建筑和桥梁建筑，然而近年来钢结构住宅建筑在加拿大、北美乃至全球范围内的发展极其迅速，越来越多的建筑商、地产商及业主开始认识并感受到钢结构住宅的优越性。这里所介绍的轻钢结构体系，一反习惯上钢材笨重的印象，给人一种轻巧坚实的新颖感觉。这种由冷弯薄壁型钢制成的轻钢结构具有强度高，重量轻及高质量又便于施工的特点，轻钢构件可由不同强度、不同厚度的板材加工成不同的截面形状及尺寸，以充分发挥其材料的特性并带来施工的便利。此外,轻钢构件的多样化，为高效、高质、高强，以及省工省时省料的轻钢住宅结构体系提供了保证，同时也为其工业化、系列化和成套生产奠定了基础。随着对环保建筑的呼声日益增长，这就促使建筑业寻求有利于环境保护，且又经济实用的建筑材料及施工方法。由于钢材可以回收利用，而且施工时废料少，这就促成轻钢结构体系在住宅建设中成为一种倍受青睐的选择。加拿大的轻钢住宅体系是由轻钢结构在其商用建筑上的长期及大量应用的基础上发展起来的，其技术是先进成熟的，质量和功能是卓越的。轻钢结构住宅体系对建筑商具有以下好处：•轻钢结构自重轻，基础负载小，在地质条件较差的地区可以大大减少基础造价；•施工周期短，可以大大缩短投资资金的占用周期，提高资金的投资效益。•轻钢构件及相应配套技术可以实现工厂化制作，形成产品化。质量有保证，有利于实现产业化；•工业化程度高，作业和现场干净，废料少，其材料可再生利用，符合环保建筑的要求；•轻钢墙体不变形，不老化，少维修。轻钢结构住宅体系对业主具有以下好处：•比起传统的砌体与钢筋混凝土结构，可以更好的满足建筑大开间，灵活分隔的要求。墙体薄，有效使用面积大，管线穿越方便并封在墙体内部，避免穿墙打洞对结构的破坏；•轻钢体系提供高强、高质和耐久的安全结构；•轻钢墙体采用高效节能体系，在保温、隔热性能方面比传统砌体要优越得多，属于新型节能建筑；•抗震、抗风性能优越；•防火性能好，不受白蚂蚁的蛀蚀；•轻钢墙体由于其龙骨完全封闭在隔水层与石膏板之间，不锈蚀，不腐蚀，不生霉菌，防潮性能好；•由自重引起的地基破坏的可能性小。总的来说，轻钢建筑的好处在于：•轻质高强，抗震性能好；•有利于环保，其回收率可达100％；•材料性能好，结构质量有保证；•工业化程度高，施工快，有利于实现产业化；•不可燃，不助燃，防火性能好；•不开裂，不生霉菌，不蠕变，少维护。工程制作及设计标准工程制作轻钢构件通常由镀锌或镀铝锌合金的薄钢板冷弯滚压成型，其截面形状通常为Ｃ型和槽型（见图1）。钢板的厚度可根据结构的要求而变化，其构件长度可视所需而决定。轻钢构件制作精确，在其制作过程中通常在构件上有规律地穿孔，以利于水电线路和管道及横向加强构件的通过。虽然，一块薄钢板本身的承载力并不高，但通过冷弯成不同形状（如Ｃ型）后,其抗弯抗压的能力成倍提高。因此,轻钢构件的承载力主要是取决于其截面形状，而不是板材的厚度。这就构成其轻质高强的特点。加劲卷边截面高度腹板翼缘翼缘截面高度腹板图1:常见C型(加劲板件)及槽型(非加劲板件)轻钢龙骨工程设计标准作为承重结构的轻钢构件是需经过严格工程设计及测试验证的。其构件的结构性能和承载能力通常是由其制作厂商所确定，并按其承载力以表格的形式给出。结构工程设计人员可以根据设计要求从承载表中选取相应的轻钢构件。此外，设计时也应考虑所需连接件（如自钻－自攻螺丝）的强度。生产连接件的厂商通常会对其产品提供所需的设计指标。轻钢构件的截面性质必须按照相应的国家规范所确定。在没有相应的国家规范或规范不完善的情况下，可以参考加拿大冷弯薄壁型钢结构构件设计规范（CAN/CSA-S136ColdFormedSteelStructuralMembers）。目前加拿大及北美建筑规范对别墅型住宅及小型房屋允许采用所谓“常规要求”的方法建造。这种“常规要求”的方法对结构的体系，施工方法，结构的尺寸及连接方式都有严格明确的规定。因此可以不需要或减少工程设计人员的参与，从而节省造价。为扩大推广轻钢在住宅建筑上的应用，并克服其障碍，加拿大钢铁工业和建筑业长期以来致力于编制和推广由加拿大国家建筑规范所认可的“轻钢住宅体系常规要求”准则。这个准则是由以下三个文件所构成。１．轻钢体系构件技术导则，由加拿大建筑材料中心编制。（TechnicalGuideforLightweightSteelFramingComponents,TheCanadianConstructionMaterialsCentre）２．轻钢住宅结构施工细则，由加拿大薄壁建筑钢结构协会编制。（ResidentialSteelFramingInstallationManual,CanadianSheetSteelBuildingInstitute）３．轻钢住宅结构构件选样标准表，由加拿大薄壁建筑钢结构协会编制。（ResidentialSteelFramingInstallationManual,CanadianSheetSteelBuildingInstitute）轻钢住宅结构体系如图2所示，住宅结构通常由楼面，墙体及房顶等体系组成。轻钢住宅的结构形式通常采用线内支承的板肋体系。轻钢构件可应用于不同的房屋构件。采用轻钢构件可以大大简化结构体系，同时又提供有效利用结构体系及构件的承载力，设计的灵活性及施工便利。目前在加拿大，各种创新的轻钢住宅体系层出不穷。低层独立及连排别墅型住宅楼面体系作为楼面托梁的轻钢龙骨其截面高度通常为150至300毫米之间，其钢板厚度大约在0.84至2.56毫米之间。楼面托梁常见支撑形式是简支或连续梁。多跨连续梁即可采用单一构件的形式，也可采取多构件搭接的形式。一般说来多构件搭接的形式较单一构件具有更大的灵活性，同时在运输上也很方便。楼面托梁龙骨的腹板通常给予等间距的冲孔，以方便水电管线的穿越。墙体用于墙体的轻钢龙骨可分为承重和非承重两种。承重的Ｃ型龙骨其截面高度一般在93至200毫米之间，钢板厚度通常界于0.80至1.91毫米之间。非承重龙骨的截面高度在41至150毫米之间，其钢板厚度为0.45至0.84毫米。作为一种非常经济实用的墙体体系，这种由轻钢龙骨与石膏板（若作外墙还需加结构板材）组成的板肋墙体也普遍地应用于高层住宅建筑。屋架不同截面形式及厚度的轻钢构件，可为各式各样的房顶形式及体系提供广泛的用途。屋架即可由轻钢椽梁直接构成，也可用轻钢桁架构成。轻钢桁架既可现场制作也适合于工厂大规模集成生产。跨度较大的情况下，采用轻钢桁架尤为经济。(C)COPYWRITERESTEK,INC&DEVCOENGINEERING,INC.OCTOBER1993楼面结构板材外圈梁天棚顶梁屋脊外墙承重龙骨内隔墙承重内墙楼面托梁线内支承的板肋体系横向支撑龙骨窗户过梁窗户立柱椽梁节点外墙结构板材屋顶结构板材轻钢椽梁图2:低层独立别墅型住宅轻钢结构体系中层住宅轻钢板肋结构体系通常适用于六层或六层以下的住宅建筑，但目前也有应用到八层的旅馆建筑实例。中层住宅建筑，其底层轻钢龙骨厚度可达2.6毫米，龙骨间距常为305毫米。上部楼层的龙骨材料厚度可随荷载的减小而减少。楼面结构可根据其跨度的长短选择下列体系：轻钢楼面体系、由压型钢板和混凝土构成的钢承复合楼板、钢筋混凝土预制或现浇楼面。特大开间可采用轻型空腹钢桁架，压型钢板和混凝土组成的复合楼面。抗侧向荷载的体系常由轻钢拉条构成X型斜向支撑体系，或由抗剪板材与轻钢龙骨组成的剪力墙体系构成。屋架多由轻钢椽梁或桁架构成。中低层轻钢结构住宅技术在加拿大是非常成熟的。顶部导梁H型钢承重梁底部锚栓底部导梁窗户立柱侧向支撑拉条幕墙轻钢龙骨窗户过梁混凝土楼板窗台过梁图3:高层住宅轻钢幕墙结构体系高层住宅在加拿大，轻钢结构已广泛地应用于在包括住宅在内的各种高层建筑，其主要用于内外填充墙、隔墙、幕墙、外维护墙及屋架、屋顶体系。高层住宅的承载结构常由H型钢或钢筋混凝土的框架体系组成，由轻钢构件构成的轻质内外墙体系非常便于与承重结构的框架体系融为一体（如图3所示）。在高层住宅中采用轻钢墙体有如下好处：•轻钢墙体自重荷载大大地小于砖石墙体，抗震性能好，且便于施工；•轻钢龙骨与悬挂护墙板结合可构成非常经济适用的外墙体系；•轻钢墙体可在工厂预制，不受气候及季节影响，现场整板吊装，施工进度快；•轻钢墙体不燃烧，不助燃，其通常耐火极限1小时以上，如必要可加厚其轻质石膏板，使其耐火极限达2.5小时以上；•轻钢墙体采用全封闭式保温防潮体系，其保温、隔热、防潮的性能大大超过传统砌体；•室内水电管线可完全封在轻钢墙体内；•轻钢墙体隔音可达60分贝；•在选择墙体外表方面，轻钢墙体给设计者提供更大的灵活性以尽其发挥各式美感。轻钢防锈由于在自然环境下未经防锈处理的钢材会锈蚀，从而影响其使用寿命。轻钢结构体系采用镀锌龙骨从而有效地克服了这一缺陷。除镀锌之外，也可以镀铝锌合金以达到防锈的目的。由锌或铝锌合金组成的金属表面镀层即可防止潮湿空气的渗透，使其钢结构表面与空气隔绝，又因其本身的锈蚀率大大低于普通钢材的锈蚀率，从而达到防锈的作用。与常用表层涂料防锈不同，在表面有损伤或刻痕使其钢材裸露的情况下，由锌或铝锌合金组成的金属表面镀层可以通过自身氧化来达到保护钢材不受锈蚀的目的。因此，采用这种金属镀层保护的钢材在其施工及使用过程中都不会锈蚀。由此可见，镀锌量是关于结构寿命的一个重要指标。轻钢结构的镀锌量可根据其不同的使用环境决定其所需的镀锌量。轻钢住宅体系的使用性能保温:象在加拿大所处的寒冷气候，住宅的保温是一个重要指标。轻钢住宅保温应注意以下两点：•由轻钢外墙体所导致的热能耗散或传递可通过在其轻钢龙