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鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展現(xiàn)狀的評(píng)述
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http://m.t3home.cn 發(fā)表日期：2011-7-26 14:05:48
蘭格鋼鐵 |
摘要：鋼結(jié)構(gòu)住宅是十五期間我國(guó)將重點(diǎn)推廣的項(xiàng)目，其具有強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)尺寸小、自重輕、施工速度快抗震性能好及工業(yè)化程度高的特點(diǎn)。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外主要的鋼結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了回顧和總結(jié)，對(duì)各種結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了評(píng)述，并對(duì)鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)中存在的主要問(wèn)題提出了建議。
關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系
一、概述
改革開放以來(lái)，我國(guó)的鋼產(chǎn)量有了很大的提高，特別是從1997年以后，我國(guó)的鋼產(chǎn)量連續(xù)四年超過(guò)億噸，但我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)用鋼量占總鋼產(chǎn)量的比例僅為2%，而在鋼結(jié)構(gòu)用鋼量中，建筑鋼結(jié)構(gòu)用鋼量又僅占10%，這與我國(guó)作為產(chǎn)鋼大國(guó)的地位是很不相稱的，為此，國(guó)家外經(jīng)貿(mào)委會(huì)同冶金部制定了在建筑工程中推廣使用鋼結(jié)構(gòu)的一系列政策措施，爭(zhēng)取在"十五"期間建筑鋼結(jié)構(gòu)的用量達(dá)到總鋼產(chǎn)量的3%，至2010年建筑鋼結(jié)構(gòu)的用量達(dá)到總鋼產(chǎn)量的6%，而建設(shè)部將鋼結(jié)構(gòu)住宅體系的開發(fā)和應(yīng)用作為我國(guó)建筑業(yè)用鋼的突破點(diǎn)，并且制定了《鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑體系產(chǎn)業(yè)化技術(shù)導(dǎo)則》和《鋼框架核心筒住宅建筑體系技術(shù)導(dǎo)則》。鋼結(jié)構(gòu)住宅具有強(qiáng)度高、自重輕、抗震性能好、施工速度快、結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸小、工業(yè)化程度高的特點(diǎn)，同時(shí)鋼結(jié)構(gòu)又是可重復(fù)利用的綠色環(huán)保材料，因此鋼結(jié)構(gòu)住宅是符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策的推廣項(xiàng)目。隨著國(guó)家禁用實(shí)心粘土磚和限制使用空心粘土磚的政策的推出，加快住宅產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程、積極推廣鋼結(jié)構(gòu)住宅體系已迫在眉睫。但我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)住宅尚處于探索起步階段，這種體系在鋼結(jié)構(gòu)防火、梁柱節(jié)點(diǎn)做法、樓板形式、配套墻體材料、經(jīng)濟(jì)性及市場(chǎng)可接受程度上尚有許多不完善之外。從前幾年開始，全國(guó)陸續(xù)現(xiàn)了一批鋼結(jié)構(gòu)住宅試點(diǎn)項(xiàng)目，如山東萊鋼的櫻花間住宅小區(qū)、天津的鋼框架一剪力墻高層住宅、北京賽博思金屬結(jié)構(gòu)有限公司的鋼框架核心筒多層住宅、上海冶金設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的陸海城、中福城項(xiàng)目、馬鞍山鋼鐵股份有限公司設(shè)計(jì)的18層示范實(shí)驗(yàn)住宅樓等。我院的鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計(jì)剛剛起步，為使大家對(duì)鋼結(jié)構(gòu)住宅有一全面了解，為今后的設(shè)計(jì)積累必要的技術(shù)資料，現(xiàn)對(duì)國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)住宅體系作一介紹。
二、結(jié)構(gòu)體系
鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系大致可分為以下幾種形式：
(1)鋼框架與混凝土筒體(墻體)的混合結(jié)構(gòu)體系
(2)鋼框架加支撐的結(jié)構(gòu)體系
(3)鋼框架與預(yù)制混凝土墻體的框剪結(jié)構(gòu)體系
(4)純鋼框架結(jié)構(gòu)體系
(5)錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)體系
(6)輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系
1鋼框架與混凝土筒體(墻體)的混合結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)
鋼一混凝土混合結(jié)構(gòu)的平面布置一般為樓電梯或衛(wèi)生間采用鋼筋混凝土，形成主要的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，而外周的框架則采用鋼框架，這種結(jié)構(gòu)體系將鋼材的強(qiáng)度高、重量輕、施工速度快和混凝土的抗壓強(qiáng)度高、防火性能好、抗側(cè)剛度大的特點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，外周梁柱連接一般采用剛性連接，而樓面鋼梁與混凝土墻則采用鉸結(jié)，由于混凝土承擔(dān)了絕大部分的水平力，故而混合結(jié)構(gòu)的位移控制指標(biāo)可參照鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用，但框架部分承擔(dān)的地震力不得小于結(jié)構(gòu)底部剪力的20%和樓層最大剪力的1.8倍二者的較小值，在大多數(shù)情況下，后者往往起控制作用，這種體系的住宅平面上應(yīng)限制無(wú)剪力墻部分框架的長(zhǎng)度，否則樓面無(wú)限剛的假定將很難滿足。這種的受力特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)整體破壞屬于彎剪型，結(jié)構(gòu)破壞主要集中于
混凝土芯筒，特別是結(jié)構(gòu)下部的混凝土筒體四角，對(duì)這部位應(yīng)予加強(qiáng)，保證筒體的延性，此外鋼梁與混凝土墻體的連接部位受力復(fù)雜，也是最易遭受破壞的地方，該節(jié)點(diǎn)應(yīng)保證能承受鋼梁可能出現(xiàn)的軸向力。這種體系的不足之處為芯筒為混凝土，重量減少不是很多，現(xiàn)場(chǎng)澆搗混凝土的工作量仍然較大。從建筑平面布置的角度來(lái)看，柱子一般布置在陽(yáng)臺(tái)或轉(zhuǎn)角部件，以利于住戶的裝修處理。
2鋼框架支撐體系
對(duì)于多層及小高層建筑，可以建筑的外墻，結(jié)合門窗位置雙向交叉支撐，支撐采用角鋼、槽鋼成圓鋼，可按拉桿設(shè)計(jì)，而且在輕鋼住宅結(jié)構(gòu)中，支撐也不一定必須從下到上同一位置設(shè)置，也可跳格布置，其目的主要是為了增加結(jié)構(gòu)的剛度，對(duì)于外墻開有門窗時(shí)，也可在窗臺(tái)高度范圍內(nèi)布置，形成類似周邊帶狀桁架的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度進(jìn)行加強(qiáng)。對(duì)高層住宅，可選擇山墻和內(nèi)墻布置中心支撐或偏心支撐，值得注意的是，當(dāng)采用單斜柱體系時(shí)，應(yīng)設(shè)置不同傾斜方向的兩組單斜桿，以抵抗雙向地震作用，在節(jié)點(diǎn)方面，若支撐足以承受建筑物的全部側(cè)向力作用，則梁柱可部分或全部做成剛接。
在高烈度地區(qū)，如果柱子比較細(xì)長(zhǎng)，則大多采用偏心框架體系，這種體系的特點(diǎn)是，在小震或中等烈度地表作用下剛度足以承受側(cè)向水平力，在強(qiáng)震作用下又具有很好的延性和耗能能力。支撐框架在水平力作用下，類似于豎向懸臂桁架，柱子像弦桿一樣承擔(dān)外部荷載產(chǎn)生的彎矩，斜支撐和梁如同腹桿承受水平力，腹桿承擔(dān)水平剪力，弦桿的軸向變形對(duì)框架側(cè)向變形的影響使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生"彎曲"的形狀，而腹桿的變形對(duì)框架側(cè)向變形的影響使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生"剪切"的形狀，最終形成的側(cè)向變形形狀是彎、剪兩種曲線效果的組合，彎、剪效果的相對(duì)大小，主要取決了耗能支撐的剛度，一般在均衡的低層支撐結(jié)構(gòu)中，剪切變形最為重要，有時(shí)它基本決定了結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形，因此這種結(jié)構(gòu)的底層層間變形較大；在中高層結(jié)構(gòu)中，柱子中較大的軸向力和變形以及二者沿高度的大量積累使彎曲變形占主導(dǎo)地位，在高寬比大于8的單對(duì)角支撐區(qū)格中，全部水平位移的60%～70%通常是彎曲變形引起的，因此這種結(jié)構(gòu)的頂端或接近頂端的層間變形最大，據(jù)此認(rèn)為，對(duì)于剪切型的低層結(jié)構(gòu)，應(yīng)注意在結(jié)構(gòu)的底部設(shè)置耗能支撐；對(duì)于彎曲型的中高層結(jié)構(gòu)，不能忽視在結(jié)構(gòu)的頂部設(shè)置耗能支撐，支撐布置時(shí)，不得采用支撐點(diǎn)在柱中的K形支撐，同時(shí)對(duì)支撐構(gòu)件應(yīng)控制其軸壓比，7度時(shí)一般不得大與/fy。如果作為住宅結(jié)構(gòu)層高較低，構(gòu)件節(jié)間尺寸較小，導(dǎo)致支撐構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)數(shù)量均較多，而且傳力路線較長(zhǎng)，抗側(cè)效果差，支撐結(jié)構(gòu)體系也可考慮采用跨層支撐。
3鋼框架一預(yù)制混凝土墻體
這種體系一般預(yù)制混凝土墻體中均埋有鋼板支撐，它只有在支撐點(diǎn)處于鋼框架相連，而且混凝土墻板與框架梁柱留有空隙，從受力上來(lái)說(shuō)，它仍是一種支撐。但其特點(diǎn)是內(nèi)藏鋼板按強(qiáng)度控制設(shè)置，不考慮屈曲。
對(duì)混凝土墻體應(yīng)雙面配筋，且雙面鋼筋應(yīng)互相拉結(jié)，在鋼支撐端部范圍內(nèi)，應(yīng)設(shè)置加強(qiáng)構(gòu)造鋼筋，如采用梅花形鋼筋、螺旋形鋼筋、鋼箍等。這種體系受力性能好，支撐構(gòu)件相對(duì)較經(jīng)濟(jì)，且能與隔墻布置相結(jié)合。但現(xiàn)場(chǎng)安裝比較困難，制作比較復(fù)雜。
4鋼框架結(jié)構(gòu)體系
這種體系受力明確，使用靈活，制作安裝簡(jiǎn)單，施工速度較快，但為抵抗側(cè)向力所需梁柱截面較大，一般可用于6層以下的多層建筑，且一般情況下，梁柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)采用剛接。這種體系用于高層建筑經(jīng)濟(jì)性較差。
錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代，由美國(guó)麻省理工學(xué)院首先提出，并成功用于多個(gè)公寓及旅館建筑中。該體系是由房屋外側(cè)的柱子和跨度等于房屋寬度的桁架組成，桁架高度等于層高，在相鄰柱上為上下層交錯(cuò)布置，樓板一端擱置在桁架的上弦，另一端擱置在相鄰桁架的下弦。由于兩開間布置一榀桁架，且中間無(wú)柱子，所以非常適合住宅、旅館建筑各單元的靈活布置要求。這種體系的受力特點(diǎn)為：水平力主要通樓板傳至相鄰桁架的斜腹桿，如此水平荷載最終通過(guò)落地桁架的斜腹桿或底層支撐傳至基礎(chǔ)，樓層間的柱子主要承受軸力，其所受的剪力和彎矩很小。由于桁架有整層高，所以整個(gè)體系剛度較大，一般不需要增加柱子剛度以控制位移，由錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)體系中柱子主要承受軸力，其柱截面強(qiáng)軸可布置在縱向，故其縱向側(cè)移剛度亦較大，這種體系的用鋼量可較框架結(jié)構(gòu)減少30～40%，因此該體系是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、高效的新型結(jié)構(gòu)體系，目輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系主要用于中低層住宅或別墅，大致可分為兩類，一類為以冷彎C型鋼組成的龍骨體系，另一類
以小型熱軋型鋼組成的龍骨結(jié)構(gòu)體系。輕鋼龍骨體系一般由柱、梁、天龍骨、地龍骨及中腰支撐通過(guò)配套扣件和
加勁件用自攻螺釘連接而成，梁柱構(gòu)件厚度在1～3mm之間，柱子間距約為400～600mm。
其主要受力機(jī)理為：柱子與上下龍骨及支撐或隔板組成受力墻壁，豎向力由樓面梁傳至墻壁的龍骨，再通過(guò)柱子
傳至基礎(chǔ)；水平力由作為隔板的樓板傳至受力墻壁再傳至基礎(chǔ)。由于在傳力過(guò)程中，墻面板承受了一定的剪力，
并提供了必要的剛度，故墻面板應(yīng)滿足一定的要求。樓板可采用樓面輕鋼龍骨體系，上覆刨花板及樓面面層，下
部設(shè)置石膏板吊頂，既可便于管線的穿行，又滿足了隔聲要求。該體系的優(yōu)點(diǎn)為組成體系的構(gòu)件尺寸較小，可將
結(jié)構(gòu)構(gòu)件隱藏在墻體內(nèi)部，有利于建筑布置和室內(nèi)美觀，且保溫性能良好，梁柱均為鉸接，省卻現(xiàn)場(chǎng)焊接及高強(qiáng)
螺栓的費(fèi)用，而且受力墻體也可在工廠整體拼裝，加快了施工進(jìn)度。其缺點(diǎn)為梁柱鉸接不適合于強(qiáng)震區(qū)的高層建
筑，國(guó)內(nèi)該體系尚缺乏工程經(jīng)驗(yàn)，冷彎型鋼品種較少。
三、柱子形式
用于鋼結(jié)構(gòu)住宅柱子的形式有以下幾種：①圓鋼管混凝土、②方鋼管混凝土、③方鋼管、④熱軋H型鋼。
1圓鋼管混凝土：圓鋼管混凝土有受力性能好、柱子截面尺寸小、耐火性能好且便于加工的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于圓鋼管
混凝土我們一般不控制其軸壓比，而控制其長(zhǎng)細(xì)比，以使鋼管混凝土柱具有必要的延性，要求延性大于5時(shí)一
般控制其長(zhǎng)細(xì)比L/D小于8.25即可達(dá)到要求，對(duì)于層高小于2.9米的住宅，如果梁高取為400，鋼管取為300，則
L/D前湖南大學(xué)正對(duì)該體系作系統(tǒng)研究。 |
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文章編輯：【蘭格鋼鐵網(wǎng)】m.t3home.cn |
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