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摘 要:本文简单介绍了钢结构的优点及其在住宅上的应用,给了工程设计人员一定的帮助。
关键词:钢结构;住宅 ; 体系结构
2001 年经国家经贸委批准,将“轻型钢结构住宅建筑通用体系的开发和应用”作为我国建筑业用钢的突破点,正式列入国家级重点技术创新项目,钢结构住宅引起社会各界广泛关注。现在,建设部科技司组织的 36 项钢结构住宅建筑体系及关键技术研究课题,正在深入开展攻克关键技术、总结试点工程经验进一步推广阶段。目前在北京、天津、山东莱芜、安徽马鞍山、南京、上海、广州和深圳等地开展低层、多层、高层钢结构住宅试点工程,已建成 100 多万平米。在钢结构住宅试点示范工程实施中,各有关设计、供应商、房地产公司等克服了各种困难,做了大量工作,取得了显著的成绩。
为了凸现钢结构住宅的优点,本文简单介绍了钢结构的优点及其在住宅上的应用。
一、钢结构的优点
一般来说,材料的特性是推出新型建筑形式的出发点。钢结构是用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢制造而成的。和其它材料的结构相比,钢结构有如下一些特点。
1、材料的强度高,塑性和韧性好
钢材和其它建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比,强度要高得多。因此,特别适用于跨度大或荷载很大的构件和结构。钢材还具有塑性和韧性好的特点。塑性好,结构在一般条件下不会因超载而突然断裂;韧性好,结构对动力荷载的适应性强。良好的吸能能力和延性还使钢结构具有优越的抗震性能。另一方面,由于钢材的强度高,做成的构件截面小而壁薄,受压时需要满足稳定的要求,强度有时不能充分发挥。
2、材质均匀,与力学计算的假定比较符合
钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性,而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此,钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合。钢材在冶炼和轧制过程中质量可以得到严格控制,材质波动的范围小。
3、钢结构制造简便,施工周期短
钢结构所用的材料单纯而且是成材,加工比较简便,并能使用机械操作,因此,大量的钢结构一般在专业化的金属结构厂做成构件,精确度较高。构件在工地拼装,可以采用安设简便的普通螺栓和高强度螺栓,有时还可以在地面拼装和焊接成较大的单元再行吊装,以缩短施工周期。此外,对已建成的钢结构也比较容易进行改建和加固,用螺栓连接的结构还可以根据需要进行拆迁。
4、钢结构的重量轻
钢材的密度虽比混凝土等建筑材料大,但钢结构却比钢筋混凝土结构轻,原因是钢材的强度与密度之比要比混凝土大得多。以同样的跨度承受同样荷载,钢屋架的重量最多不超过钢筋混凝土屋架的 1/3 至 1/4,冷弯薄壁型钢屋架甚至接近 1/10,为吊装提供了方便条件。对于需要远距离运输的结构,如建造在交通不便的山区和边远地区的工程,重量轻也是一个重要的有利条件。
当然任何一种材料都不是十全十美的,钢材的耐腐蚀性和耐火性就较为欠缺,在对结构进行防护时费用比钢筋混凝土结构高。不过在没有侵蚀性介质的一般厂房中,构件经过彻底除锈并涂上合格的油漆,锈蚀问题也并不严重。近年来出现的耐大气腐蚀的钢材具有较好的抗锈性能,已经逐步推广应用,并取得了良好的效果。钢材长期经受 100℃辐射热时,强度没有多大变化,具有一定的耐热性能,但温度达 150℃以上时,就须用隔热层加以保护。钢材不耐火,重要的结构必须注意采取防火措施。例如,利用蛭石板、蛭石喷涂层或石膏板等加以防护。
二、钢结构在住宅上的应用以及推广价值
与砖混结构、混凝土结构相比,在住宅中应用钢结构主要具有以下几方面优点:
1、 结构自重轻。
根据比较,相同的建筑造型,六层钢结构住宅重量仅相当于四层砖混结构住宅的重量。建筑总质量小,地震力效应小,且延性好,相应抗震性能优良。历次大地震灾害资料对比都说明了这一点。
2、材料各向同性,符合力学假定,提高了设计精度。
3、由于工厂化加工制造,精度高,易于保证质量,与混凝土相比,更符合结构设计要求。同时施工速度快,工期缩短 40%以上,可使建筑物更早的投入使用,提早产生效益。
4、在设计中由于业主的要求,经常要进行变更,采用钢结构较易配合变更。施工时干式作业减少了对环境的污染,且构件运输方便,费用低。
5、可在梁腹板处开孔走管道,不像混凝土结构在梁底通过。因此在楼层高度一样的情况下,采用钢结构可提高层间净高。
6、对新疆而言,钢结构住宅的优势更为明显。钢材的耐腐蚀性较差,而新疆气候干燥,降水少,蒸发量大,对于钢材的“湿腐蚀”具有天然的防护作用。此外,新疆冬季较长,不利于施工。钢结构施工速度快的优势就明显地体现了出来,既保证了建筑结构的工期质量,又减少了因冬季施工所带来的温度等方面的问题。
7、轻质高强,简单实现大跨与复杂几何结构,创造开放式住宅。传统结构(砖混、混凝土)由于受材料限制,其开间一般在 3.0m、3.3m、3.6m、4.2m。如果需要更大开间,则会造成“肥梁胖柱”,房高也会受到影响。而在梁高相同的情况下,钢结构开间可比混凝土大 50%。在梁柱等强度条件下,可增加建筑有效使用面积 5%~7%。
8、新疆冬季时间长,室外温度低,因此室内都通过暖气来取暖,采暖期长达半年。这就要求外墙要有良好的保温措施,否则对能源是一种很大的浪费。钢结构住宅的墙体一般选用与之配套的板材,与传统的砖墙相比具有较好的保温性能,在建筑节能方面有明显的优势。由此可见,钢结构住宅不仅加快了国家和城市的发展速度,带动了与之相关的其它行业的发展,还提高了住宅质量和人们的居住水准,而且它作为一种商品综合经济效益高,可使买卖双方都获得利益。钢结构住宅还促进了住宅产业化的发展进程,尤其是使用材料的环保性,给社会带来良好的综合效益,而与之相比的钢混和砖混等传统结构住宅越来越暴露出它们的缺点,和对发展的阻碍,取而带之的钢结构已经到了势在必行的阶段,这也正是现阶段发展钢结构住宅的原因。
三、钢结构布置
钢结构设计的基本原则是:结构必须有足够的强度、刚度和稳定性,整个结构安全可靠;结构应符合建筑物的使用要求,有良好的耐久性;结构方案尽可能节约钢材,减轻钢结构重量;尽可能缩短制造、安装时间,节约劳动工日;结构构件应便于运输、便于维护;在可能条件下,尽量注意美观,特别是外露结构,有一定建筑美学要求。按照上述原则,根据实际案例原建筑设计的布置和功能要求,综合考虑了结构的经济性、建筑设计的特点和施工合理性等因素,采用钢框架-支撑和钢框架——剪力墙结构体系,并分别进行了布置。
1、梁柱体系 。平面采用普通梁格体系。梁采用热轧焊接 H 形截面钢梁,柱为焊接箱型钢柱。整个结构设计成刚性框架结构,竖向荷载由梁、板、柱承担。框架的梁与梁、梁与柱、柱与基础均按刚性连接设计,现场连接采用高强螺栓与焊接共同作用。次梁为 H 形截面单跨简支梁,设计主次梁时均不考虑楼盖与钢梁的组合作用。
2、抗剪体系。分析计算表明,在全部水平风荷载和地震力作用下,上述结构体系局部刚度较弱,因此钢框架-支撑结构体系通过布置中心支撑来抵抗水平荷载。钢框架-剪力墙结构体系的中间部分电梯井与楼梯间布置钢筋混凝土剪力墙,来抵抗水平外力的冲击。
3、楼盖体系。一般各层楼(屋)盖均采用钢筋混凝土楼(屋)盖,楼板厚度依结构计算定为 110mm,140mm。在结构计算中,认为楼盖刚度足够大,符合平面内无限刚性的假定。
4、基础形式。钢框架-支撑采用柱下独基,钢框架-剪力墙采用柱下独基与筏板基础。
5、内外墙体系。框——剪采用蒸压轻质加气混凝土板材(简称 ALC 板材),外墙板厚为 200mm,内墙板厚 100mm。框-支采用陶粒硂砌块。
总之,钢结构住宅符合国家住宅产业化的目标,符合可持续性发展的战略,并对保护耕地、提高城市建设水平有较大作用。有了国家政策的支持、技术的保证,钢结构住宅具有光明的前景。
参考文献:
〔1〕 刘玉株. 钢结构住宅技术问题讨论.建筑创作,2003年2月.
〔2〕 陈禄如等.攻克关键技术推动钢结构住宅发展.建设科技,2003年12月.
〔3〕 马飞宇.钢结构住宅-我国住宅工业化的发展方向.盐城工学院学报,2003年6月.
〔4〕 张小玲.钢结构住宅建筑体现状和发展趋势.建设科技,2003年12月.
〔5〕 温耀中. 新疆地区钢结构小高层住宅结构体系应用研究,2005年11月.
关键词:钢结构;住宅 ; 体系结构
2001 年经国家经贸委批准,将“轻型钢结构住宅建筑通用体系的开发和应用”作为我国建筑业用钢的突破点,正式列入国家级重点技术创新项目,钢结构住宅引起社会各界广泛关注。现在,建设部科技司组织的 36 项钢结构住宅建筑体系及关键技术研究课题,正在深入开展攻克关键技术、总结试点工程经验进一步推广阶段。目前在北京、天津、山东莱芜、安徽马鞍山、南京、上海、广州和深圳等地开展低层、多层、高层钢结构住宅试点工程,已建成 100 多万平米。在钢结构住宅试点示范工程实施中,各有关设计、供应商、房地产公司等克服了各种困难,做了大量工作,取得了显著的成绩。
为了凸现钢结构住宅的优点,本文简单介绍了钢结构的优点及其在住宅上的应用。
一、钢结构的优点
一般来说,材料的特性是推出新型建筑形式的出发点。钢结构是用钢板、热轧型钢或冷加工成型的薄壁型钢制造而成的。和其它材料的结构相比,钢结构有如下一些特点。
1、材料的强度高,塑性和韧性好
钢材和其它建筑材料诸如混凝土、砖石和木材相比,强度要高得多。因此,特别适用于跨度大或荷载很大的构件和结构。钢材还具有塑性和韧性好的特点。塑性好,结构在一般条件下不会因超载而突然断裂;韧性好,结构对动力荷载的适应性强。良好的吸能能力和延性还使钢结构具有优越的抗震性能。另一方面,由于钢材的强度高,做成的构件截面小而壁薄,受压时需要满足稳定的要求,强度有时不能充分发挥。
2、材质均匀,与力学计算的假定比较符合
钢材内部组织比较接近于匀质和各向同性,而且在一定的应力幅度内几乎是完全弹性的。因此,钢结构的实际受力情况和工程力学计算结果比较符合。钢材在冶炼和轧制过程中质量可以得到严格控制,材质波动的范围小。
3、钢结构制造简便,施工周期短
钢结构所用的材料单纯而且是成材,加工比较简便,并能使用机械操作,因此,大量的钢结构一般在专业化的金属结构厂做成构件,精确度较高。构件在工地拼装,可以采用安设简便的普通螺栓和高强度螺栓,有时还可以在地面拼装和焊接成较大的单元再行吊装,以缩短施工周期。此外,对已建成的钢结构也比较容易进行改建和加固,用螺栓连接的结构还可以根据需要进行拆迁。
4、钢结构的重量轻
钢材的密度虽比混凝土等建筑材料大,但钢结构却比钢筋混凝土结构轻,原因是钢材的强度与密度之比要比混凝土大得多。以同样的跨度承受同样荷载,钢屋架的重量最多不超过钢筋混凝土屋架的 1/3 至 1/4,冷弯薄壁型钢屋架甚至接近 1/10,为吊装提供了方便条件。对于需要远距离运输的结构,如建造在交通不便的山区和边远地区的工程,重量轻也是一个重要的有利条件。
当然任何一种材料都不是十全十美的,钢材的耐腐蚀性和耐火性就较为欠缺,在对结构进行防护时费用比钢筋混凝土结构高。不过在没有侵蚀性介质的一般厂房中,构件经过彻底除锈并涂上合格的油漆,锈蚀问题也并不严重。近年来出现的耐大气腐蚀的钢材具有较好的抗锈性能,已经逐步推广应用,并取得了良好的效果。钢材长期经受 100℃辐射热时,强度没有多大变化,具有一定的耐热性能,但温度达 150℃以上时,就须用隔热层加以保护。钢材不耐火,重要的结构必须注意采取防火措施。例如,利用蛭石板、蛭石喷涂层或石膏板等加以防护。
二、钢结构在住宅上的应用以及推广价值
与砖混结构、混凝土结构相比,在住宅中应用钢结构主要具有以下几方面优点:
1、 结构自重轻。
根据比较,相同的建筑造型,六层钢结构住宅重量仅相当于四层砖混结构住宅的重量。建筑总质量小,地震力效应小,且延性好,相应抗震性能优良。历次大地震灾害资料对比都说明了这一点。
2、材料各向同性,符合力学假定,提高了设计精度。
3、由于工厂化加工制造,精度高,易于保证质量,与混凝土相比,更符合结构设计要求。同时施工速度快,工期缩短 40%以上,可使建筑物更早的投入使用,提早产生效益。
4、在设计中由于业主的要求,经常要进行变更,采用钢结构较易配合变更。施工时干式作业减少了对环境的污染,且构件运输方便,费用低。
5、可在梁腹板处开孔走管道,不像混凝土结构在梁底通过。因此在楼层高度一样的情况下,采用钢结构可提高层间净高。
6、对新疆而言,钢结构住宅的优势更为明显。钢材的耐腐蚀性较差,而新疆气候干燥,降水少,蒸发量大,对于钢材的“湿腐蚀”具有天然的防护作用。此外,新疆冬季较长,不利于施工。钢结构施工速度快的优势就明显地体现了出来,既保证了建筑结构的工期质量,又减少了因冬季施工所带来的温度等方面的问题。
7、轻质高强,简单实现大跨与复杂几何结构,创造开放式住宅。传统结构(砖混、混凝土)由于受材料限制,其开间一般在 3.0m、3.3m、3.6m、4.2m。如果需要更大开间,则会造成“肥梁胖柱”,房高也会受到影响。而在梁高相同的情况下,钢结构开间可比混凝土大 50%。在梁柱等强度条件下,可增加建筑有效使用面积 5%~7%。
8、新疆冬季时间长,室外温度低,因此室内都通过暖气来取暖,采暖期长达半年。这就要求外墙要有良好的保温措施,否则对能源是一种很大的浪费。钢结构住宅的墙体一般选用与之配套的板材,与传统的砖墙相比具有较好的保温性能,在建筑节能方面有明显的优势。由此可见,钢结构住宅不仅加快了国家和城市的发展速度,带动了与之相关的其它行业的发展,还提高了住宅质量和人们的居住水准,而且它作为一种商品综合经济效益高,可使买卖双方都获得利益。钢结构住宅还促进了住宅产业化的发展进程,尤其是使用材料的环保性,给社会带来良好的综合效益,而与之相比的钢混和砖混等传统结构住宅越来越暴露出它们的缺点,和对发展的阻碍,取而带之的钢结构已经到了势在必行的阶段,这也正是现阶段发展钢结构住宅的原因。
三、钢结构布置
钢结构设计的基本原则是:结构必须有足够的强度、刚度和稳定性,整个结构安全可靠;结构应符合建筑物的使用要求,有良好的耐久性;结构方案尽可能节约钢材,减轻钢结构重量;尽可能缩短制造、安装时间,节约劳动工日;结构构件应便于运输、便于维护;在可能条件下,尽量注意美观,特别是外露结构,有一定建筑美学要求。按照上述原则,根据实际案例原建筑设计的布置和功能要求,综合考虑了结构的经济性、建筑设计的特点和施工合理性等因素,采用钢框架-支撑和钢框架——剪力墙结构体系,并分别进行了布置。
1、梁柱体系 。平面采用普通梁格体系。梁采用热轧焊接 H 形截面钢梁,柱为焊接箱型钢柱。整个结构设计成刚性框架结构,竖向荷载由梁、板、柱承担。框架的梁与梁、梁与柱、柱与基础均按刚性连接设计,现场连接采用高强螺栓与焊接共同作用。次梁为 H 形截面单跨简支梁,设计主次梁时均不考虑楼盖与钢梁的组合作用。
2、抗剪体系。分析计算表明,在全部水平风荷载和地震力作用下,上述结构体系局部刚度较弱,因此钢框架-支撑结构体系通过布置中心支撑来抵抗水平荷载。钢框架-剪力墙结构体系的中间部分电梯井与楼梯间布置钢筋混凝土剪力墙,来抵抗水平外力的冲击。
3、楼盖体系。一般各层楼(屋)盖均采用钢筋混凝土楼(屋)盖,楼板厚度依结构计算定为 110mm,140mm。在结构计算中,认为楼盖刚度足够大,符合平面内无限刚性的假定。
4、基础形式。钢框架-支撑采用柱下独基,钢框架-剪力墙采用柱下独基与筏板基础。
5、内外墙体系。框——剪采用蒸压轻质加气混凝土板材(简称 ALC 板材),外墙板厚为 200mm,内墙板厚 100mm。框-支采用陶粒硂砌块。
总之,钢结构住宅符合国家住宅产业化的目标,符合可持续性发展的战略,并对保护耕地、提高城市建设水平有较大作用。有了国家政策的支持、技术的保证,钢结构住宅具有光明的前景。
参考文献:
〔1〕 刘玉株. 钢结构住宅技术问题讨论.建筑创作,2003年2月.
〔2〕 陈禄如等.攻克关键技术推动钢结构住宅发展.建设科技,2003年12月.
〔3〕 马飞宇.钢结构住宅-我国住宅工业化的发展方向.盐城工学院学报,2003年6月.
〔4〕 张小玲.钢结构住宅建筑体现状和发展趋势.建设科技,2003年12月.
〔5〕 温耀中. 新疆地区钢结构小高层住宅结构体系应用研究,2005年11月.