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摘要：浅析高层住宅轻钢结构体系及设计，并结合实例说明特点和优势。
关键词： 轻钢结构体系；高层住宅；特点；合理设计方法
中图分类号：TU392.5
上世纪60年代国外就出现了钢结构高层住宅。它具有结构合理、空间分割灵活、便于工厂化生产制作、建造周期短、翻改便利、施工時使用场地小、对周围环境污染少和建设成本较低等特点，因而得到广泛应用。我国此类建设一直受传统砖混结构及钢筋混凝土结构经济耐用思路的排斥，同时受钢材价格、配套新型轻体保温隔热、高强墙体材料还达不到国际标准等原因限制，加上建筑施工队伍科技水平低、素质差，专业工程配套不全，不能适应钢结构施工，使推广该结构住宅发展较慢。
1 高层住宅轻钢结构体系及设计
住宅体系多年沿用“秦砖汉瓦”的旧模式。该模式陈旧，施工环境难以保证。钢结构住宅是以工厂化生产的钢梁、钢柱为骨架，配以新型轻体的保温隔热、高强墙体材料作为围护结构，克服了许多传统模式的缺点。
1）结构方案。高层轻型钢结构住宅常用结构体系为框架结构，按照建筑方案需要可采用悬挂式结构体系。梁、柱通常选用热轧H型钢，有的柱也采用焊接箱型截面、圆形或方形钢管混凝土截面，梁也可采用组合截面，或为满足大空间的需要，平面的部分区域主梁用析架代替。2）楼盖体系。为增强结构抗侧刚度，高层轻钢住宅的楼盖必须有足够的承载力、刚度和整体性，常采用钢筋混凝土组合楼板。即在钢梁上铺镀铝压型钢板，上层浇筑100-150mm厚混凝土，压型板与钢梁间用栓钉连结，也可采用预应力薄板加混凝土现浇层、普通钢筋混凝土、轻钢密肋梁加现浇钢筋混凝土复合楼板等。但应保证楼板和钢梁之间的可靠连结。主梁和次梁的连接一般采用简支等高连接，有时也采用不等高连接。采用组合楼板时，为了便于铺设压型钢板，主次梁顶面应相差压型钢板厚度的高度，还可以增大建筑净层高。钢筋混凝土组合楼板的形式的确能满足楼盖在结构构造方面的基本要求，但在屋顶上人、隔热保温方面的技术措施还有待提高。坡顶屋盖美化了高层建筑的立面，增加了使用面积的空间，还会带来屋顶隔热、防雨水渗漏方面的改进，但增强整体结构的抗侧刚度还有待探索。3）支持体系。为加强其结构住宅侧向刚度，抵抗水平荷载和地震作用，通常用普通型钢或薄壁方钢在墙体平面内布置垂直支撑体系。按要求可沿纵、横向单向布置或双向布置，支撑与框架铰接，按拉杆或压杆设计。考虑门窗布置，可采用X型、单斜杆型、人字型、倒人字型，W型、倒W型、门式等形式。在不影响功能的前提下，平面上支撑应均匀布置，对后五种支撑应验算梁上支撑轴力引起的附加弯矩，还可采用偏心支撑。能在较小或中等的水平荷载作用下有足够的刚度，而在严重超载（如大地震）时具有良好的延性。4）围护结构。为减轻其结构的自重，围护结构多采用轻质填充材料，有时可采用压型钢板加轻质保温层组成的复合墙体，也有再房屋外墙采用既轻质又美观的玻璃幕墙结构。内墙可采用空心砌块、加气混凝土等轻质填充墙或轻钢龙骨石膏板，现有采用铝合金框玻璃隔断的。较为理想的围护结构用材如“伊通”（YTONG）加气混凝土等。其材料比重较小，在抗压强度、块体容重、含水率、收缩抗冻、抗渗、隔声和耐火方面都达到并超过国家标准。ALC材料与高层轻型钢结构相结合，是解决围护结构的较好途径。轻型钢结构房屋，其屋面大多采用卷材防水，采用轻质保温材料，使屋面防水隔热质量有保证。5）基础形式。其结构房屋基础常用柱下独立基础、条形基础、十字型基础，有时也采用片筏型基础。独立基础时，应注意各基础相对不均匀沉降对上部结构的影响。基础梁常用现浇或预制钢筋混凝土结构，有时根据要求也可采用钢基础梁，但通常将埋置在地面下的柱脚和钢梁外包混凝土，主要是防腐。6）节点构造。其结构柱多采用焊接工形或箱形截面。由于工型截面腹板比较薄，故在此弱轴方向与梁的连接多采用铰接，而强轴方向采用刚接形式。采用刚性连接时受力特性较复杂，通过试验取得较准确的设计数据。高层房屋钢结构的构件相对较薄，应尽量避免工地现场焊缝连接。为加强整体刚度，有时将次梁做成连续梁的形式。7）防火和防腐措施。钢结构防水主要采用防水涂料、发泡防火漆和外挂防火板等方法。外露钢结构构件，采用涂料，耐火极限可达1.5h-3h。隐藏的构件，珍珠岩和蛙石防火喷涂或防火板是经济有效的方法，防火喷涂可实现1.5h的耐火极限，并兼有一定的防腐能力。暴露钢构件采用耐腐蚀涂料或由底漆和面漆组成的防火油漆防腐。
2 轻钢住宅的设计实例
目前钢结构住宅定位在十一层左右的小高层比较合理，主要理由：①小高层住宅能充分发挥钢结构强度高的材料特性，钢材的力学性能完全得到利用；②与高层相比，它提高了土地的利用系数，综合经济效益好；③在消防等辅助设施上的投资大大降低，综合投资比较适中，有较强的生命力。实例如下：1）工程概况。某小高层轻钢结构设计为住宅长42m，宽12m，共12层，楼梯开间为2.7m，其余开间均为3.6m；所有层高为3m。总建筑面积5990m，采用跃层式布置，设室内楼梯一部，在住宅两端各设楼梯和电梯一部。为节约投资，电梯每隔一层设一停靠站点，另设一条通长过道将两端的楼梯连接起来。2）结构体系。结构形式采用钢框架支撑，结构体系的组成为：竖向体系由楼板和框架梁、柱组成；侧向体系是以竖向贯通的钢支撑为主要抗侧力构件，与楼板、框架梁、柱共同组成。3）楼面体系。楼面采用轻钢混凝土组合楼板。楼板结构分三层，底层为冷轧薄壁矩形方管次梁，间距为800mm-900mm，垂上方向设加筋，间距lm左右，上部铺设混凝土刨花板兼作模板，其上浇注50mm厚细石混凝土，内配钢丝网。4）围护体系。外墙及分户墙支撑结构为冷轧薄壁型钢龙骨的钢支架，既作围护墙体的支撑结构，又兼作框架的横向支撑，且每层为闭合体，增强结构体水平方向的整体刚度。墙体选用轻质复合墙体形式，材料为稻草板和伊通板，外墙饰面为专用外墙保温防水装饰产品。5）节点连接。选用原则：①安全、可靠，连接点尽可能选择在各种应力较小处；②用钢量少、经济，优先采用焊接；③施工快速、方便、好操作，减少了拼装工作。6）结构构件的防火防腐处理。所有框架梁柱采用STI-A型防火涂料作为梁的防水层。构件的防腐与防火设计应一并考虑，当采用耐火钢时，还要考虑构件的涂装防腐。
3 结论
①轻型钢结构住宅比传统的建筑模式相比，具有便于工厂化制造，建造周期短、安全可靠、施工简便、空间分割灵活，容易满足建筑学的要求，并有较大的潜在力和市场需求，可拉动相关产业。②随着冶金事业的发展，结构用钢的品种和质量也有了较大的发展，在住宅建设中可以使用低合金高强度结构用钢材，对高层轻钢结构住宅的用钢量和造价能大幅度降低。③若使用无机房电梯，则十二层左右的轻型钢结构小高层住宅更具有综合比较经济优势，使该类住宅有更强的市场生命力。④按建设部要求组织设计、施工、材料诸方面的专业规范、规程编写是推广轻型钢结构住宅设计和应用的重要一步。
参考文献
[1]中华人民共和国国家标准.冷弯薄壁型钢结构技术规范（GBJ18-87）
[2]赵熙元.建筑钢结构设计手册.北京：冶金工业出版社，1995
[3]陈琢如.我国高层钢结构房屋及用钢概况.钢结构，1996（2）
[4]汪一骏等编.轻型钢结构设计手册.北京：中国建筑工业出版社，1996
关键词： 轻钢结构体系；高层住宅；特点；合理设计方法
中图分类号：TU392.5
上世纪60年代国外就出现了钢结构高层住宅。它具有结构合理、空间分割灵活、便于工厂化生产制作、建造周期短、翻改便利、施工時使用场地小、对周围环境污染少和建设成本较低等特点，因而得到广泛应用。我国此类建设一直受传统砖混结构及钢筋混凝土结构经济耐用思路的排斥，同时受钢材价格、配套新型轻体保温隔热、高强墙体材料还达不到国际标准等原因限制，加上建筑施工队伍科技水平低、素质差，专业工程配套不全，不能适应钢结构施工，使推广该结构住宅发展较慢。
1 高层住宅轻钢结构体系及设计
住宅体系多年沿用“秦砖汉瓦”的旧模式。该模式陈旧，施工环境难以保证。钢结构住宅是以工厂化生产的钢梁、钢柱为骨架，配以新型轻体的保温隔热、高强墙体材料作为围护结构，克服了许多传统模式的缺点。
1）结构方案。高层轻型钢结构住宅常用结构体系为框架结构，按照建筑方案需要可采用悬挂式结构体系。梁、柱通常选用热轧H型钢，有的柱也采用焊接箱型截面、圆形或方形钢管混凝土截面，梁也可采用组合截面，或为满足大空间的需要，平面的部分区域主梁用析架代替。2）楼盖体系。为增强结构抗侧刚度，高层轻钢住宅的楼盖必须有足够的承载力、刚度和整体性，常采用钢筋混凝土组合楼板。即在钢梁上铺镀铝压型钢板，上层浇筑100-150mm厚混凝土，压型板与钢梁间用栓钉连结，也可采用预应力薄板加混凝土现浇层、普通钢筋混凝土、轻钢密肋梁加现浇钢筋混凝土复合楼板等。但应保证楼板和钢梁之间的可靠连结。主梁和次梁的连接一般采用简支等高连接，有时也采用不等高连接。采用组合楼板时，为了便于铺设压型钢板，主次梁顶面应相差压型钢板厚度的高度，还可以增大建筑净层高。钢筋混凝土组合楼板的形式的确能满足楼盖在结构构造方面的基本要求，但在屋顶上人、隔热保温方面的技术措施还有待提高。坡顶屋盖美化了高层建筑的立面，增加了使用面积的空间，还会带来屋顶隔热、防雨水渗漏方面的改进，但增强整体结构的抗侧刚度还有待探索。3）支持体系。为加强其结构住宅侧向刚度，抵抗水平荷载和地震作用，通常用普通型钢或薄壁方钢在墙体平面内布置垂直支撑体系。按要求可沿纵、横向单向布置或双向布置，支撑与框架铰接，按拉杆或压杆设计。考虑门窗布置，可采用X型、单斜杆型、人字型、倒人字型，W型、倒W型、门式等形式。在不影响功能的前提下，平面上支撑应均匀布置，对后五种支撑应验算梁上支撑轴力引起的附加弯矩，还可采用偏心支撑。能在较小或中等的水平荷载作用下有足够的刚度，而在严重超载（如大地震）时具有良好的延性。4）围护结构。为减轻其结构的自重，围护结构多采用轻质填充材料，有时可采用压型钢板加轻质保温层组成的复合墙体，也有再房屋外墙采用既轻质又美观的玻璃幕墙结构。内墙可采用空心砌块、加气混凝土等轻质填充墙或轻钢龙骨石膏板，现有采用铝合金框玻璃隔断的。较为理想的围护结构用材如“伊通”（YTONG）加气混凝土等。其材料比重较小，在抗压强度、块体容重、含水率、收缩抗冻、抗渗、隔声和耐火方面都达到并超过国家标准。ALC材料与高层轻型钢结构相结合，是解决围护结构的较好途径。轻型钢结构房屋，其屋面大多采用卷材防水，采用轻质保温材料，使屋面防水隔热质量有保证。5）基础形式。其结构房屋基础常用柱下独立基础、条形基础、十字型基础，有时也采用片筏型基础。独立基础时，应注意各基础相对不均匀沉降对上部结构的影响。基础梁常用现浇或预制钢筋混凝土结构，有时根据要求也可采用钢基础梁，但通常将埋置在地面下的柱脚和钢梁外包混凝土，主要是防腐。6）节点构造。其结构柱多采用焊接工形或箱形截面。由于工型截面腹板比较薄，故在此弱轴方向与梁的连接多采用铰接，而强轴方向采用刚接形式。采用刚性连接时受力特性较复杂，通过试验取得较准确的设计数据。高层房屋钢结构的构件相对较薄，应尽量避免工地现场焊缝连接。为加强整体刚度，有时将次梁做成连续梁的形式。7）防火和防腐措施。钢结构防水主要采用防水涂料、发泡防火漆和外挂防火板等方法。外露钢结构构件，采用涂料，耐火极限可达1.5h-3h。隐藏的构件，珍珠岩和蛙石防火喷涂或防火板是经济有效的方法，防火喷涂可实现1.5h的耐火极限，并兼有一定的防腐能力。暴露钢构件采用耐腐蚀涂料或由底漆和面漆组成的防火油漆防腐。
2 轻钢住宅的设计实例
目前钢结构住宅定位在十一层左右的小高层比较合理，主要理由：①小高层住宅能充分发挥钢结构强度高的材料特性，钢材的力学性能完全得到利用；②与高层相比，它提高了土地的利用系数，综合经济效益好；③在消防等辅助设施上的投资大大降低，综合投资比较适中，有较强的生命力。实例如下：1）工程概况。某小高层轻钢结构设计为住宅长42m，宽12m，共12层，楼梯开间为2.7m，其余开间均为3.6m；所有层高为3m。总建筑面积5990m，采用跃层式布置，设室内楼梯一部，在住宅两端各设楼梯和电梯一部。为节约投资，电梯每隔一层设一停靠站点，另设一条通长过道将两端的楼梯连接起来。2）结构体系。结构形式采用钢框架支撑，结构体系的组成为：竖向体系由楼板和框架梁、柱组成；侧向体系是以竖向贯通的钢支撑为主要抗侧力构件，与楼板、框架梁、柱共同组成。3）楼面体系。楼面采用轻钢混凝土组合楼板。楼板结构分三层，底层为冷轧薄壁矩形方管次梁，间距为800mm-900mm，垂上方向设加筋，间距lm左右，上部铺设混凝土刨花板兼作模板，其上浇注50mm厚细石混凝土，内配钢丝网。4）围护体系。外墙及分户墙支撑结构为冷轧薄壁型钢龙骨的钢支架，既作围护墙体的支撑结构，又兼作框架的横向支撑，且每层为闭合体，增强结构体水平方向的整体刚度。墙体选用轻质复合墙体形式，材料为稻草板和伊通板，外墙饰面为专用外墙保温防水装饰产品。5）节点连接。选用原则：①安全、可靠，连接点尽可能选择在各种应力较小处；②用钢量少、经济，优先采用焊接；③施工快速、方便、好操作，减少了拼装工作。6）结构构件的防火防腐处理。所有框架梁柱采用STI-A型防火涂料作为梁的防水层。构件的防腐与防火设计应一并考虑，当采用耐火钢时，还要考虑构件的涂装防腐。
3 结论
①轻型钢结构住宅比传统的建筑模式相比，具有便于工厂化制造，建造周期短、安全可靠、施工简便、空间分割灵活，容易满足建筑学的要求，并有较大的潜在力和市场需求，可拉动相关产业。②随着冶金事业的发展，结构用钢的品种和质量也有了较大的发展，在住宅建设中可以使用低合金高强度结构用钢材，对高层轻钢结构住宅的用钢量和造价能大幅度降低。③若使用无机房电梯，则十二层左右的轻型钢结构小高层住宅更具有综合比较经济优势，使该类住宅有更强的市场生命力。④按建设部要求组织设计、施工、材料诸方面的专业规范、规程编写是推广轻型钢结构住宅设计和应用的重要一步。
参考文献
[1]中华人民共和国国家标准.冷弯薄壁型钢结构技术规范（GBJ18-87）
[2]赵熙元.建筑钢结构设计手册.北京：冶金工业出版社，1995
[3]陈琢如.我国高层钢结构房屋及用钢概况.钢结构，1996（2）
[4]汪一骏等编.轻型钢结构设计手册.北京：中国建筑工业出版社，1996