钢结构住宅的发展

钢结构住宅的未来发展摘要：随着钢结构建筑的蓬勃发展，钢结构建筑作为一种新型的节能环保的建筑体系在住宅领域也得到了迅速的发展。本文分析了钢结构住宅的特点以及发展的展望。关键词：钢结构住宅可持续发展钢结构建筑是一种新型的节能环保的建筑体系，被誉为21世纪的绿色建筑之一，是一种节能环保型、能循环使用的建筑结构，符合发展省地节能建筑和经济持续健康发展的要求，在高层建筑、大型工厂、大跨度空间结构中得到了广泛的应用。一．钢结构住宅在中国的现状近年来，随着城市建设的发展和高层建筑的增多，我国钢结构发展十分迅速，钢结构住宅作为一种绿色环保建筑，已被建设部列为重点推广项目。特别是在我国大中城市中，人多、土地资源少，而人们对住宅密度、环境绿地等要求越来越高的情况下，较大范围应用钢结构住宅，是我国生产力发展到一定阶段的必然产物。1985年在上海建造的金沙江大酒店，是第一幢自己设计并使用国产H型钢材料制造和安装的高层钢结构建筑。1996年，深圳建成了高度325米的帝王大厦，是国内第一幢超高层钢结构大厦。2002年3月，一座高达18层、采用H型钢建造的钢结构住宅楼在安徽省马鞍山市动工建设。它是我国住宅产业从钢筋混凝土跨进钢结构模式的重要第1页共10页标志。上海同时有6幢钢结构高层住宅在建设，最终他们将建到100米、34层，这在国内还是首次。北京住宅也启用了钢结构，位于朝阳区十里堡的晨光家园B区，全部采用H型钢钢梁、钢柱。2002年9月开盘的北京金宸公寓，填补了国内高层住宅钢结构体系建筑的空白。同时，也标志着我国住宅的开发和建设已步入了全新的住宅钢结构体系时代。二．国外钢结构住宅的发展在许多工业发达国家如美国、日本、英国、澳洲等,钢结构住宅已较为普及。澳大利亚钢框架住宅占全部住宅数量50%;日本钢结构建筑占全部建筑50%以上;芬兰、瑞典、丹麦以及法国均已形成了相当规模的产业化钢结构住宅体系。美国多层轻钢结构主要用于多层公寓、酒店，最早一幢多层轻钢住宅于1990年开始设计。目前为止多层轻钢结构总面积发展到约30万平方米。美国的多层轻钢结构住宅技术是一项综合的技术，集轻钢结构、建筑节能保温、建筑防火、建筑隔声、新型建材、设计施工于一体的集成化技术，社会化分工明确，各种产品的生产商、施工方、设计方紧密合作，在北美金属结构协会的促进下，依靠新编的轻钢结构设计标准与广泛的宣传发展很快。在美国普遍的低层住宅中,钢结构住宅所占比例从90年代的5%已经发展到现在的25%以上,而且应用技术日趋成熟、完善。在目前的美国工业化住宅市场中，主要以工厂预制住宅为主。日本钢结构建筑的历史有100多年。近几年日本的钢结构建筑发展很快，建筑物施工面积中的钢结构所占比例从1965年起，每年不断增加，目前约占50%左右。而低层建筑采用钢结构的已十分普遍，如5层以下的低层建筑物，采用钢结构的占到90%以上，平均面积300平方米，每幢建筑约使用钢结构30吨左右。一般3—5层的钢结构住宅柱子，大多采用冷弯加工成型的钢管，所以在日本，HOT(热轧钢卷=第2页共10页冷弯型钢)的使用量不断增加；高层建筑中，焊接箱柱及焊接H型钢梁的使用量较大，因此，厚板的需求量在不断增多；而低层的钢结构建筑，则普遍采用H型钢。加拿大轻型钢结构（lightweightsteelframing，LST）工业已经有50多年的历史。加拿大公司可为单幢住宅、中层建筑和高层建筑的应用生产全线的轻型钢结构产品。壁骨和地面托梁是加拿大轻型钢结构建筑系统中的主要产品。加拿大可以提供任意长度的壁骨和托梁，其强度和建筑选择范畴超过其它建筑产品。在加拿大轻型钢结构的壁骨和托梁最常用于单层家庭住宅中，大型住宅建筑中也逐渐越来越多地选用这些产品。对于高层建筑中不承重的内部应用，此类产品可谓是价廉而防火的选择。由此可见我国在钢结构住宅领域还有广阔的空间。三．钢结构住宅的特点钢结构住宅与传统结构相比,在使用功能、设计、施工以及综合经济方面具有优势,主要体现在以下方面。1.设计制造周期短,设计生产一体化现代结构设计借助于计算机和专业化结构分析软件,使得设计周期大大缩短,设计中的修改和调整非常方便。同时,由于钢结构具有工厂预制、现场安装的特点,可以将前期设计和现场的生产手段相结合,通过网络计算机和数控机床结合,使设计人员在工作室中完成设计后,即由工厂的生产线完成产品制作,具有极高的效率和精确度,可以大大减少项目建设周期。2.能够合理布置功能区间在居住建筑中,建筑师和居民一直希望能够有大跨的无竖向结构的空间,这样,第3页共10页可以根据需求进行灵活隔断,使室内布置呈多样化。传统住宅由于所用材料的性质,限制了空间布置的自由。如果开间过大,就会造成楼板厚度大,梁柱截面过大,不但影响室内美观,而且加大结构重量,增加土建投资。居民在二次装修时经常自行改变墙体布置,既增加了经济负担,又因破坏承重墙而增加了危险隐患。钢结构住宅可以利用钢材强度高的特点,采用大开间柱网布置,使建筑平面分隔灵活,既为建筑师提供了设计的回旋余地,又给用户提供了根据不同用途改变结构的可能,可以利用非承重墙体灵活分隔室内空间,形成开放式住宅。同时,利用钢结构连接简单的特点,在垂直平面内比传统结构能更好地应用错层、跃层结构。由于钢结构住宅的构件截面尺寸小,可以增加使用面积,提高得房率。3.承载强度高,抗震性能优越相同的荷载,钢结构截面最小，相同的截面,钢结构承载力最大。在抗震设防区,钢筋砼结构有许多不足之处,而钢结构重量轻,六层轻钢住宅的重量仅相当于四层砖混结构的重量,因此,本身所受的地震作用小;而且,钢材具有高延性,有较好的耗能能力,因此,抗震性能好,结构安全度高。4.施工方面优势突出现浇砼需要连续施工,在我国北方地区受到施工季节的影响。钢结构的大部分构件在工厂生产,运往现场通过焊接或螺栓进行整体组装,可全天候作业。施工现场作业量小,减少了施工临时用地,与传统建筑材料相比,对周围环境污染小,提高了施工的机械化水平。由于钢结构本身可作为劲性结构承担结构荷载和施工荷载,施工时可以节省支模、拆模的材料,由此降低成本,大大加快施工速度。资金价值在施工中充分体现,减少资金成本,对开发商的销售和资金回笼极为有利。5.综合造价低钢结构承载力高,可以实现结构的大开间布置,构件截面小,与砼结构和砖混结构相比,自重比较轻,地基的处理比较容易,可以采用天然基础型式。由于基础在工程第4页共10页造价中占有比重比较大,上部结构重量轻可以降低基础的造价,从而减少整个项目的投资。钢结构施工机械化高的特点,从另一方面减少了人工费用和模板等其它辅助材料费用。钢结构住宅的工程造价是个很敏锐的问题，从目前的情况看，钢结构住宅的造价要略高于钢筋砼剪力墙住宅。有专家测算，小高层住宅钢结构用钢量可控制在每平方米50公斤以下，工程造价增幅即可控制在10％左右，但综合效益十分可观，并将推进住宅生产经营方式的变革，拉动住宅产业的发展。而随着体系化、产业化水平的提高，性能价格比也会提高，成本将会有所降低。6.符合住宅产业化和可持续发展的要求钢结构适宜工厂大批量生产,工业化、商品化程度高。它能将节能、防水、隔热、门窗等先进的成品集合在一起,实现综合成套应用,将设计、生产、施工安装一体化,提高住宅的产业化水平。今后随着城市建设的发展,城市改造需要拆除大量的旧建筑,钢结构比传统结构的拆除更容易实施,钢材回收利用率高、拆除成本低、污染较小,符合可持续发展的要求。四．钢结构的结构体系1．低层和钢结构住宅的结构体系对低、多层住宅，目前国内外常用的结构体系主要有：1．弯薄壁型钢体系构件用薄钢板冷弯成C形、Z形构件，可单独使用，也可组合使用，杆件间连接采用自攻螺钉。这种体系节点刚性不易保证，抗侧能力较差，一般只用于1～2层住宅或别墅。笔者处理的几个旧房加层，如蓟县国税局、天津港派出所等改造工程，使用了该体系，效果较好。2．框架目前，这种体系在多层钢结构住宅中应用最广。纵横向都设成钢框架，门窗设置灵活，可提供较大的开间，便于用户二次设计，满足各种生活需求。钢框架考虑楼盖的组合作用，运用在低多层住宅中，一般都能满足抗侧要求。但是由于目前框架柱以H型钢为主，弱轴方向梁柱连接的刚性难以保证，因此设计施工时须慎重处理。3.框架支撑体系在风载或地震作用较大区域，为提高体系的抗侧刚度，增加轴交支撑第5页共10页或偏交支撑效果很好。这种体系为多重抗侧体系，而且梁柱节点，柱脚节点可设计成铰接、半刚接，施工构造简单，基础主要承受轴力，体形较小，因此成为人们青睐的对象。4.框架剪力墙体系在低多层住宅中，可以应用传统的剪力墙体系，如钢筋混凝土剪力墙或钢板剪力墙。目前正在研究的空腔结构板是一种理想的抗侧结构。空腔结构板是一种新型的轻质板材，采用黄纸制成具有众多等边空腔结构的板状基架，然后经浸渍而成。该板材与钢框架可靠连接，便可形成新型剪力墙。另外美国，澳大利亚等国还开发了交错桁架体系，比较新颖。2．主要构件设计1.柱前已述及，钢结构住宅一般为大开间，框架柱在两个方向都承受较大的弯矩，同时应该考虑强柱弱梁的要求。而目前广泛使用的焊接H型钢或I字热轧钢截面，强弱轴惯性矩之比3～10，势必造成材料浪费。因此对于轴压比较大，双向弯矩接近，梁截面较高的框架柱采用双轴等强的钢管柱或方钢管混凝土柱是适宜的。对于方钢管混凝土柱，不仅截面受力合理，同时可以提高框架的侧向刚度，防火性能好，而且结构破坏时柱体不会迅速屈曲破坏。因此，尽管平面受力结构中，选用H型钢或I字钢在受力上还是合理的但总体上，箱形钢管柱尤其是方钢管混凝土柱应得到广泛应用。方钢管混凝土柱将是钢结构住宅发展的主要方向，但由于缺乏相应的规范、规程，目前在住宅中应用还很少。尤其钢管砼梁、柱的连接较为复杂，不利于工厂制作和现场施工，应加大力度开发研究。2.楼盖在多层轻钢房屋中，楼盖结构的选择至关重要，它除了将竖向荷载直接分配给墙柱外，更主要的作用是保证与抗侧力结构的空间协调作用；另外从抗震角度来看，还应采用相应的技术和构造措施减轻楼板自重。常用的楼盖结构有：压型钢板－现浇混凝土组合楼板，现浇钢筋混凝土板以及钢－混凝土叠合板，而以第一种最为常用。目前，在多层轻钢房屋整体分析时，还普遍不考虑楼盖与钢梁的组合作用，即使设置抗剪键，也偏保守地假设钢结构承受全部荷载，这样不仅增加材料用量和结构自重，反而会造成强梁弱柱的不利情况。有一6层算例，考虑楼盖组合作用对梁刚度以及结构整体刚度的影响。算例表明，考虑组合作用后主梁的刚度第6页共10页大大增加，使得梁的挠度和地震作用下柱顶的侧移大为减少，此考虑组合作用应予关注。为使楼层高度减到最小，提供更大的空间，组合扁梁楼盖也成为一种趋势。3.支撑体系支撑分轴交支撑和近年发展起来的偏交支撑两种，前者耐震能力较差，后者在强震作用下具有良好的吸能耗能性能，而且为门窗洞的布置提供了有利条件，目前国内用的还很少，建议在高烈度区首选偏交支撑。常用的EBF偏交支撑形式此所示。剪切型耗能梁段，加劲肋按以下公式设计：a＝29tw－d/5,（γp＝±0.09rad）（1）a＝38tw－d/5,（γp＝±0.06rad）（2）a＝56tw－d/5,（γp＝±0.03rad）（3）式中，a―――加劲肋间距，d―――梁高，―――腹板厚度，γp―――塑性转角；弯曲型耗能梁段还需在梁段端点外1.5bf处加设加劲肋。4.节点抗震计框架梁柱节点一般采用两种连接方法，根据常用设计法，即翼缘连接承受全部弯矩，梁腹板只承受全部剪力的假定进行设计。震害表明，这种设计不能有效满足强节点弱杆件的抗震要求，在高烈度区隐患很大。改进框架节点设计，在梁端上下翼缘加焊楔形盖板或者将梁端上下翼缘局部加宽盖板面积或加大的翼缘截面面积主要由大震下的验算公式确定：式中：为基于极限强度最小值的节点连接最大受弯承载力，全部由局部加大后的翼缘连接承担；为梁件的全塑性受弯承载力；为基于极限强度最小值的节点连接最大受剪承载力，仅由腹板的连接承担；为梁的净跨；为梁在重力荷载代表值作用下按简支梁分析的梁端截面剪力设计值。五．钢结构住宅的发展前景住宅产业化是我国住宅业发展的必