多層輕鋼住宅的結(jié)構(gòu)體系與設(shè)計

摘要多層輕鋼住宅是一種新型建

筑體系，也是目前國內(nèi)住宅研究和開發(fā)的方

向。但是它的設(shè)計方法，結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)特

點，常用經(jīng)濟指標(biāo)不為設(shè)計者所熟悉，因此

多層輕鋼住宅示范樓的設(shè)計與施工是推廣

這種新型體系的最好方式。本文結(jié)合某輕鋼

住宅示范樓介紹了它的結(jié)構(gòu)體系，布置特點,

計算方法等。

關(guān)鍵詞多層民用住宅輕鋼結(jié)構(gòu)

1.輕鋼住宅在我國的發(fā)展我國輕型

鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)過20多年的發(fā)展歷史，雖然起步

并不晚，主要由于經(jīng)濟與技術(shù)的原因使得多

層輕鋼住宅的發(fā)展受到制約。國內(nèi)最早出現(xiàn)

的輕鋼結(jié)構(gòu)住宅是94年11月建于上海浦東

北蔡的8層鋼結(jié)構(gòu)住宅，采用冷彎成型的矩

形鋼管混凝土柱和U型冷彎型鋼組合梁組成

框架。其特點是采用稻草板作外墻和樓板的

組件，單位面積用鋼量34kg/m2。天津

經(jīng)濟開發(fā)區(qū)太平村是我國住宅產(chǎn)業(yè)化的探

索基地之一，來自中國，日本，美國，加拿

大等15個國家和地區(qū)的95名參展商展示了

各自的產(chǎn)品，其中鋼結(jié)構(gòu)住宅均采用框架結(jié)

構(gòu)。樓板及墻體、屋頂均采用復(fù)合結(jié)構(gòu)，工

廠預(yù)制，現(xiàn)場安裝，縮短了施工工期。

長沙遠(yuǎn)大集團建造的8層鋼結(jié)構(gòu)公寓，稱之

為集成化建筑。該建筑裝有中央空調(diào)一體化

機組，整體浴室，“五表”遠(yuǎn)傳系統(tǒng)等現(xiàn)代

化設(shè)備。室內(nèi)設(shè)計考究，體現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)住宅

的風(fēng)格和質(zhì)量，表明了鋼結(jié)構(gòu)住宅的良好發(fā)

展前景。表1為若干輕鋼住宅經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)。

當(dāng)前，國家將住宅產(chǎn)業(yè)作為國民經(jīng)濟新的經(jīng)

濟增長點。為居民提供高質(zhì)量的符合市場需

求的商品化住宅成為必然趨勢。國家鼓勵發(fā)

展表1輕鋼住宅經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)工程名稱

馬鋼住宅試驗樓北京西三旗水電工程宿舍

涿州中鐵紫荊關(guān)鋼結(jié)構(gòu)公司試驗樓保定太

行集團輕鋼住宅示范樓結(jié)構(gòu)體系12層框

架一支撐體系6層框剪體系6層鋼框架一

性核心筒體系空間框架結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)型式熱

軋H型鋼H型鋼，壓型鋼板組合樓板焊接工

型梁柱H形柱，工形梁用鋼量(kN/m2)52

634652單位造價110011001200900

“新型建筑體系”，已將其列入優(yōu)先發(fā)展的

高新技術(shù)領(lǐng)域中。國務(wù)院1999年頒發(fā)的72

號文件提出要發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅產(chǎn)業(yè)，

在沿海大城市限期停止使用粘土磚。建設(shè)部

標(biāo)準(zhǔn)定額研究司正在編制與修改與多層鋼

結(jié)構(gòu)房屋密切相關(guān)的技術(shù)規(guī)程。建設(shè)部科技

司在今年上半年分別召開了“鋼結(jié)構(gòu)住宅

產(chǎn)業(yè)化技術(shù)導(dǎo)則編制研討會”和“鋼結(jié)構(gòu)

住宅建筑體系及關(guān)鍵技術(shù)研究課題立項評

審會”。通過了18個包括鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑

體系及其關(guān)鍵和試點工程的立項。國家政策

為鋼結(jié)構(gòu)住宅開發(fā)創(chuàng)造了條件，鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)

化住宅有望在最近取得突破性進展。2.

多層輕鋼住宅的優(yōu)勢過去我國大量開

發(fā)的是以小開間磚混結(jié)構(gòu)為主的住宅。這種

住宅體系由于使用實心粘土磚，浪費土地資

源，建筑物自重大，對抗震不利。另一方面，

由于結(jié)構(gòu)體系自身的限制，住宅平面布局多

為封閉式的小開間，不能適應(yīng)不斷變化的居

住模式的要求。與傳統(tǒng)住宅相比，多層輕鋼

用性和可循環(huán)性，因此是一種綠色環(huán)保結(jié)構(gòu)。

3.多層輕鋼住宅的體系與結(jié)構(gòu)特點抗

側(cè)力結(jié)構(gòu)體系主要應(yīng)用于多層輕鋼住

宅的體系可分為：純鋼框架體系，框架一支

撐體系，鋼框架一混凝土剪力墻體系，周圍

抗側(cè)力體系等。（1）純框架體系常用于

4?8層住宅。它主要由寬翼緣的H型或箱形

柱和工字型梁組成，亦可采用熱軋H型鋼。

這種體系具有較為靈活的空間布局，但側(cè)向

剛度較弱。相對于框架一支撐體系，用鋼量

較大。純框架體系多采用雙向剛接，這樣可

以加大結(jié)構(gòu)自身的側(cè)移剛度，減少抗側(cè)移構(gòu)

件內(nèi)力，加強耗能機制，提高建筑物的延性。

但節(jié)點形式較為復(fù)雜。由于建筑美觀的要求,

端板連接不宜于多層輕鋼住宅。（2）框

架一支撐體系主要由焊接工字型梁柱組成。

多數(shù)情況下，這種體系為橫向承重。梁柱節(jié)

點在橫向上，為剛接；縱向為校接。因此，

結(jié)構(gòu)在縱向相當(dāng)于排架，抗側(cè)移剛度很低，

需設(shè)置側(cè)向支撐抵抗水平荷載，限制結(jié)構(gòu)的

水平變形。支撐可用槽鋼，角鋼或圓鋼桿，

具體形式可結(jié)合建筑立面或門窗洞口需要

采用單斜桿、X型、K型或偏心支撐。單斜

桿簡單明快，但必須設(shè)置兩組不同傾斜支撐,

以保證結(jié)構(gòu)在兩個方向具有同樣抗側(cè)力能

力。X型支撐具有很好的側(cè)向剛度，但是交

叉點處的細(xì)部構(gòu)造比較復(fù)雜。偏心支撐具有

非常好的抗震耗能效果。它的工作原理是：

在中、小地震作用下，支撐提供主要的抗側(cè)

力剛度，與中心支撐相似；在大地震作用下，

保證支撐不發(fā)生受壓屈曲，而讓耗能梁段屈

服消耗能量。它是專為抗震設(shè)計提供的支撐

形式。(3)框架一鋼筋混凝土剪力墻體

系。用鋼筋混凝土剪力墻部分或全部代替鋼

支撐，就形成了框架一鋼筋混凝土剪力墻體

系。它適用于小高層住宅。一般將樓梯或電

梯間設(shè)計成鋼筋混凝土墻。這樣即有效的加

強了建筑物的側(cè)向剛度，又解決了樓梯間的

防火問題。如果結(jié)構(gòu)剛心偏移過大，出現(xiàn)扭

轉(zhuǎn)的問題，可在適當(dāng)部位設(shè)置鋼支撐。

(4)周圍抗側(cè)力體系。這種體系在歐美國家

的商業(yè)和民用建筑中十分流行。它的特點是

剛架柱強軸與其相交的建筑軸線垂直，形成

外筒，抵抗水平荷載，將之傳遞到基礎(chǔ)。它

適用于建筑外型接近于正方型的結(jié)構(gòu)?？梢?/p>

將這種思路應(yīng)用到框架一支撐體系中。把縱

向的支撐去掉，將原有位置的剛架柱扭轉(zhuǎn)90

度，梁柱由較接變?yōu)閯偨?。這樣，剛架柱同

時起到抗風(fēng)柱與豎向支撐的作用。對

于多層輕鋼民用住宅體系的選擇，不必拘泥

于某一種特定的體系?？梢愿鶕?jù)建筑平面設(shè)

計的要求，靈活處理，綜合使用不同的抗側(cè)

力體系。樓面屋蓋結(jié)構(gòu)樓面和屋

蓋必須有足夠的強度，剛度和穩(wěn)定性，同時

應(yīng)當(dāng)盡量減少樓板厚度，增加室內(nèi)凈高。壓

型鋼板一混凝土組合樓蓋是目前應(yīng)用較為

廣泛的形式。它具有施工速度快，平面剛度

大，增加房屋凈高的優(yōu)點。具體做法是在鋼

梁上鋪設(shè)壓型鋼板，再現(xiàn)澆100?150mm混

凝土。在鋼梁上焊接足夠的剪力連接件，使

鋼梁與混凝土協(xié)同工作構(gòu)成組合樓蓋。這種

做法耗鋼量較大，且需防火處理?？梢杂妙A(yù)

應(yīng)力鋼筋混凝土薄板取代壓型鋼板。此外,

預(yù)應(yīng)力圓孔板、迭合板、組合扁梁也是常用

形式。墻體結(jié)構(gòu)各種輕質(zhì)墻體材

料以其良好的保溫、隔熱、隔聲性能受到開

發(fā)商的青睞。目前，墻體主要分為自承重式

和非自承重式。自承重墻體主要包括用于外

圍護結(jié)構(gòu)的加氣混凝土塊、太空板、輕鋼龍

骨加強板等，以及用于內(nèi)墻的輕混凝土板、

石膏板、水泥刨花板、稻草板等。外掛的非

自承重式墻體材料主要有彩色壓型鋼板、彩

色壓型鋼夾芯板、玻璃纖維增強外墻板等。

采用非自承重式墻體材料，需設(shè)置墻梁用以

懸掛外圍護結(jié)構(gòu)。門窗洞口上下要布置。墻

梁多采用C或Z型冷彎薄壁型鋼，尺寸取決

于跨度和墻距。多層輕鋼住宅的防火

鋼材屬于不耐火材料，溫度為400°C時,

鋼材的屈服強度將降為常溫的一半，溫度達

到6000C時，鋼材基本喪失全部強度和剛

度。所以，鋼結(jié)構(gòu)不僅要進行結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)

計，還要采用防火措施保護。目前常用的防

火措施有以下四種方法⑴防火涂料法。將

具有一定厚度的防火涂料直接噴在鋼結(jié)構(gòu)

構(gòu)件上。防火涂料主要兩類：涂層8?50mm,

粒狀表面，密度較小，耐火極限1?3h的為

厚涂型防火隔熱材料；涂層3?7nim,遇火膨

脹增厚，耐火極限?2h的為薄涂型防火隔熱

材料。噴涂法造價較低，操作簡便，施工速

度快，但是構(gòu)件表面不平整，影響美觀。隔

離法。將防火材料或防火石專沿構(gòu)件的外圍,

將構(gòu)件包裹，與外界隔離。這種方法美觀,

無污染，但施工速度較慢，適用于外露的構(gòu)

件。實心包裹法。將鋼構(gòu)件澆注到混凝土中。

膨脹漆覆蓋法。將具有一定厚度的膨脹漆噴

涂、抹、刷在經(jīng)過處理的構(gòu)件表面?？够饦O

限最高達2h。覆蓋法施工容易，但不適用于

潮濕的環(huán)境，僅適用于干燥的室內(nèi)。

4.工程實例工程背景介紹

某示范樓建筑面積4665nl2,5層純鋼框架結(jié)

構(gòu)，長67m,寬，層高3m。焊接工字形梁,

縱橫雙向剛接H形柱。樓面活荷載為/m2,

屋面活荷載/缶2,輕型屋面恒荷載/ni2；基本

風(fēng)壓kN/m2；設(shè)計地震烈度為7度，II類場

地。屋面為冷彎薄壁C型楝條鋪雙層鍍鋅壓

型鋼板夾100mm厚保溫棉屋面系統(tǒng)，外墻采

用200mm厚陶?；炷量招钠鲶w墻，分戶墻

為180mm厚菱鎂土板，戶內(nèi)隔墻為90mm厚

菱鎂土板。條型基礎(chǔ)，柱與基礎(chǔ)為剛接。

示范樓共有四個居住單元，兩種建筑平面布

置形式，建筑面積分別為143M2,102M2o

一單元為大兩室兩廳，二、三、四單元為小

兩室兩廳。一單元的大客廳使用了組合扁梁,

從而實現(xiàn)了梁與樓蓋的一體化，減少了結(jié)構(gòu)

層高。對于正常極限狀態(tài)下的組合扁梁，將

鋼和混凝土兩種材料組成的組合梁截面換

算成同一種材料的截面，再按照彈性理論計

算。為了樓板的放置，扁梁的下翼緣一般較

寬，需驗算施工時產(chǎn)生的偏心荷載。為了減

少設(shè)計工作量，通常把扭矩簡化為己對大小

相等、方向相反的力分別作用于扁梁的上下

翼緣。詳細(xì)分析方法見文獻。4.2計

算方法與基本要求對于多層輕鋼住宅,

盡管采用單向板，但由于縱橫向均有墻體荷

載分布，宜采用三維空間計算模型。本工程

采用的是普通樓板，不考慮樓蓋對鋼架梁剛

度增大的作用，忽略樓板的空間聯(lián)系作用，

空間模型為純框架結(jié)構(gòu)。計算分析是采用有

限元分析軟件ANSYS完成。在結(jié)構(gòu)計算中采

用三維梁單元，質(zhì)量單元計算結(jié)構(gòu)自振周期

以及靜力分析。相對于工業(yè)建筑而言，多層

民用建筑的荷載工況簡單明了。主要考慮以

下三種工況：工況一：X恒載標(biāo)準(zhǔn)值+X

活荷載標(biāo)準(zhǔn)值工況二：X恒載標(biāo)準(zhǔn)值+

XX標(biāo)準(zhǔn)值工況三：X重力代表值+義水

平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值對于多層輕鋼住宅地震

荷載計算，由于樓層較低，結(jié)構(gòu)布置對稱,

采用底部剪力法就可滿足要求。多層輕鋼

住宅側(cè)向位移具體要求如下：(1)在風(fēng)

荷載作用下的頂點水平位移與總高度之比

不宜大于l/500o(2)層間相對位移與

層高之比不宜大于l/400o(3)在常遇

地震作用下，層間側(cè)移不超過樓層高度

l/250o對于多層輕鋼住宅,還要滿足

剛架柱構(gòu)件穩(wěn)定性與鋼框架的整體穩(wěn)定性

要求。表2兩種方案比較柱截面柱

用鋼量(t)單位用量縱向主自振周期(s)

地震作用下縱向最大層間位移橫向主自振

周期地震作用下橫向最大層間位移(mm)

方案一300x300x12x81/4261/633

方案二300x300x10x101/7001/632

方案比較節(jié)省19%節(jié)?。セ鞠嗤?.

3計算分析由于活荷載與基本風(fēng)壓

較小，所以工況三為控制工況。計算設(shè)計時

將兩種方案進行了比較，不改變剛架梁的截

面形式，只對剛架柱進行改動。方案一，剛

架柱為工字形；方案二，剛架柱為箱形。表

2給出兩種方案空間模型的主要計算結(jié)果，

可得到以下結(jié)論：（1）兩種方案的剛架

柱在強軸方向慣性矩相同，即在橫向結(jié)構(gòu)的

剛度相同，因此橫向主自振周期以及地震作

用下橫向最大層間位移基本一致。（2）

本工程長寬比5,縱橫雙向剛接，因此對于

方案一，當(dāng)橫向側(cè)向剛度滿足要求時，縱向

剛度也能達到要求。（3）在滿足規(guī)范要

求的前提下，方案一節(jié)約鋼材用量，單位面

積用鋼量減少約10%,經(jīng)濟性好。因此，在

設(shè)計中選擇了工字形剛架柱。表3示范樓主

要構(gòu)件尺寸及其用鋼量。但是由于輕鋼體系

剛架柱的腹板很薄，為了防止局部失穩(wěn)引起

的結(jié)構(gòu)失效，剛架柱宜在縱向梁柱剛