多高层钢结构住宅设计探讨

2015-03-11邬茂盛

建材与装饰 2015年52期

关键词：轻钢高层钢结构

邬茂盛

（湖南中规设计院有限公司湖南长沙 410000）

1 引言

钢结构体系是一种绿色环保建材，具有极佳的抗震性能，其安装施工工期较短。运用该结构建立起来的建筑，具有不同于传统混凝土、砖混等建筑材料的有效承载力。多高层钢结构在住宅建筑中的实际应用仍然处于初级阶段，因而需要采取进一步的探讨。

2 多高层钢结构住宅概述

2.1 历史背景

多高层钢结构在我国的实际发展历史约有20多年，在其发展过程中，由于科技、经济等社会因素的限制，导致多层钢结构在住宅建设中的应用被滞后。我国最早的轻钢住宅为八层的轻钢结构住宅，其建造采用的为冷弯型U型钢，与矩形钢管混凝土组合成框架。我国的住宅产业化采用钢框架结构进行住宅建设，其墙体、楼顶均采用的是复合结构（见图1），这些钢结构都需要提前预制，从而缩短工程的工期。

图1 柱梁轻钢复合结构局部示意图

2.2 多高层钢结构住宅的优势

（1）抗震性好。我国目前运用的多层轻钢住宅，大多采用了轻型的，具有优良特性的钢材，其刚度和承载力都优于传统的建筑材料，且具有良好的抗震性能，因而节约了大量材料与成本，尤其适用于一些多地震地区，抗震效果显著。

（2）运用多层轻钢结构的住宅，其造型简洁美观，构件的截面尺寸小，增加了使用净面积。如果楼板设计采用组合扁梁，可进一步有效增加净使用面积，由于多层轻钢住宅钢材具有高强度，因而能够提供较大的柱网布置空间。

（3）该住宅结构施工材料供货迅速，安装方便，工期短。当前的许多建筑企业都需要依靠贷款来实施建筑物的建造工程，而贷款利率的升高导致许多企业采取早投产、早投资的模式，以降低工程总造价，以提高企业的投资收益，运用该结构，则能够有效减少工程的资金成本，从而帮助企业获取效益。

（4）多层轻钢住宅的施工过程中，装备化程度较高，施工过程快速、高效，能够有效保障工程质量。结合现代发达的科学技术，相关的施工装备日益先进，为工程的建设提供了技术保障和便利。

（5）钢结构还是一种重要的绿色环保结构，不论是用于建筑物的施工、生产过程中，都具有良好的利用性，能源的消耗也相对较低，施工产生的污染物也较少，噪音小，因而是具有很高利用率和循环性的绿色环保结构。

3 多层轻钢住宅体系与结构设计

3.1 结构体系设计

3.1.1 冷弯薄壁型钢体系

冷弯薄壁型钢体系（见图2），其构件通常采用的是将薄钢板冷弯成C形或Z形的构件，此类构件既可以单独使用，也可形成组合来使用。杆件之间的连接，则主要采用的是自攻螺钉。冷弯薄壁型钢体系需要注意的是其节点刚性较为脆弱，抗侧能力也相对较差，因而该体系通常应用于1～2层的住宅或别墅建造。

图2 冷弯薄壁型钢体系

3.1.2 框架支撑体系

在一些存在特殊天气的地区，要求住宅建筑能够承担较大的风载或地震作用，因此需要提升体系的抗侧刚度，而框架支撑体系的优势即在于具有良好的轴交支撑、偏交支撑效果。该体系为多重抗侧体系，实际运用中通常会将梁柱的节点、柱脚节点等，设计为半刚接或铰接式。

3.1.3 钢框架-混凝土剪力墙体系

钢框架-混凝土剪力墙通常运用于一些小型高层住宅的设计建造中，通常会将建筑物的楼梯、电梯设计成为钢筋混凝土墙，能够在加强建筑物的侧向刚度的同时，有效解决建筑的火灾问题。需要注意的是，如果在应用过程中，发现钢结构中心发生了偏移问题，应当及时通过设置钢支撑的方法，解决此类问题。

3.1.4 抗侧力结构体系

抗侧力结构体系用于高层的纯框架体系，大多由工字型梁、箱型柱共同组成，其侧向刚度不强，其空间的布局较为灵活，其结构采用的为双向刚接纯框架，能够有效增加侧移刚度，从而优化建筑物自身延性。但是，因为双向刚接结构较为复杂，其节点的布置也较为复杂，会严重地影响到建筑物的外观。

3.1.5 周围抗侧力体系

该体系目前大多运用于美国等发达国家的建筑工程建设中，其主要适用于一些正方形结构的建筑，最大的特征在于其构件采用的是建筑轴线、刚架柱强轴等。该体系还可应用于框架支撑体系，将梁柱的铰接转变为刚接，将刚架柱扭转90°，然后以此为基础，去掉其纵向支撑，让钢架柱能够起到竖向支撑、抗风柱等作用。

3.2 楼面屋盖结构设计

多层钢结构住宅建造中，其楼面、屋盖结构都应具有良好的强度，楼面屋盖结构通常可运用压型钢板混凝土楼盖，能够在提高建筑物室内净高度的同时，拓展室内空间，因而广泛应用于我国的居民住宅设计建造中，成为我国主要的楼盖形式之一。

3.3 墙体结构设计

许多住宅建筑物的墙体结构所采用的施工材料，是经由轻型墙体材料进行进一步加工制作而成，这种材质具有良好的隔音效果，能够有效隔离外音，因此受到住宅居民的青睐。常见的墙体结构可以分为以下两种形式：①自承重式的墙体结构，该墙体结构通常应用于内墙石膏板设计，以及外围护结构太空板的设计建造；②非自承重式的墙体结构，该种形式的墙体结构，其主要制作材料是彩色的压型钢夹芯板，该墙体结构的实际应用往往采取的是悬挂外围式结构。

3.4 设计防火要求

钢材的耐温性能通常较差，当遭遇400～600℃的温度时，钢材就会发生变形；而如果温度达到了600℃甚至以上，钢材将会完全丧失其刚度。针对这种情况，必须通过相关的研究人员，研究出具备较高抗温性能的钢材，从而能够让钢结构住宅建筑物具备良好的防火效果，维护建筑质量和使用安全。我国当前所采用的钢结构住宅防火措施包括隔离法、涂料法、实心包裹法以及膨胀漆覆盖法。

4 多高层钢结构住宅具体设计要点

高层建筑因为具备节约土地资源的优势，已经逐渐在建筑行业中占据重要地位，而钢结构在其中的应用，要求具备良好的稳定性能，在实际的设计过程中，应当注意的要点包括以下方面：

4.1 高度问题

在设计建筑物时，首先要求从外观上满足视觉要求，对于建筑物高度的设计必须满足视觉效果，对于一些超限建筑的设计，应当以谨慎为基本原则，设计过程中重点考虑地震、偶然荷载作用等潜在因素，严格审查多高层钢结构高度、建筑重心的合理设计与布局。

4.2 稳定性问题

对于多高层钢结构住宅建筑来说，稳定性是其质量和安全的重要保障，因而在设计的过程中，需要将建筑稳定性作为核心内容，利用一些专业的软件进行设计辅助，运用统计工具，测算钢结构的各方面功能，确定其控制荷载、阻尼等各种相关参数，为建筑的稳定性设计提供重要参数保证。

4.3 经济性问题

多高层建筑的钢结构需要运用大量的钢材，因而容易出现造价成本超支的问题，因此，在设计过程中，需要设计者以保证建筑稳定性、安全性为前提，以节约资源为原则，充分考虑到钢材的合理应用与布局，尽可能确保建筑的经济性，进一步优化钢结构用材设计，提高结构总体的协调性。

4.4 防火问题

由于钢结构在遭遇高温、火焰炙烤的情况下，会出现变形甚至燃烧的现象，因此需要从设计阶段，就考虑到相关防护措施的实施。例如通过合理降低钢结构膨胀系数的方式，防止钢结构在高温处境下的变形失稳，甚至爆炸等严重后果。此外，还可以采用设置防火层的方式，降低钢结构的传热系数，延长其耐火性能。设计者还可以合理优化建筑的电路设计，强化钢结构消防稳定性和火灾安全性，从而达到降低火灾发生概率的目的。

4.5 抗震问题

对于多高层钢结构住宅建筑的抗震设计，应当增多对称、规则结构的设计，以增强抗震性能，从而平衡其支撑剪力墙和高楼层的弹性水平位移，以及质心水平位移等。必须从设计阶段，就充分地考虑到钢材连接构造的稳定，从而减少安全隐患的存在。

4.6 荷载问题

对于钢结构的设计，还需要重视建筑物楼板的设计，这将关系到楼面承载能力是否符合要求。楼板平面刚度、整体性以及承载能力等，会传至框架外部，水平力也会延伸至各个支撑柱上，所以，为了保证楼板的整体性能，需要将钢梁进行组合设计，同时在梁上设置钢钉。对于一些强震地区，应当预先将钢结构与预制埋件焊接起来，加强楼板的抗震能力。同时，还要求通过合理的计算，设计钢结构支撑度和传力路线维持一致。