吳勇軍，章 因

（1.南京長(zhǎng)江都市建筑設(shè)計(jì)股份有限公司，江蘇 南京210000；2.保利江蘇房地產(chǎn)發(fā)展有限公司，江蘇 南京210000）

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)在大跨度和超高層建筑等民用建筑工程中應(yīng)用廣泛。結(jié)合國(guó)家建筑產(chǎn)業(yè)政策和建筑工業(yè)化規(guī)劃，以及先進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念、配套產(chǎn)品的研發(fā)和改進(jìn)，多層輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋以其諸多優(yōu)良的性能，成為建筑工業(yè)化發(fā)展的主力。本文針對(duì)多層輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋的設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行分析闡述。

1 多層輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋的優(yōu)勢(shì)分析

鋼結(jié)構(gòu)在居住建筑設(shè)計(jì)使用方面，相較于普通混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，具有很多優(yōu)異的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下方面。

1）結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化 鋼結(jié)構(gòu)房屋所使用結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度高、延性好、桿件薄，經(jīng)合理優(yōu)化設(shè)計(jì)后，通常低層房屋用鋼量在30kg/m2以內(nèi)，多層建筑用鋼量在50kg/m2以內(nèi)。結(jié)構(gòu)自重的降低可減少運(yùn)輸和吊裝費(fèi)用，還可減輕基礎(chǔ)負(fù)載，從而降低基礎(chǔ)造價(jià)。同時(shí)，因運(yùn)輸、吊裝及安裝的簡(jiǎn)便及對(duì)基礎(chǔ)承載的適應(yīng)性，鋼結(jié)構(gòu)房屋特別適合山區(qū)、沙地、河灘、海島等交通不便的地區(qū)快速建造。

2）安全性高、自重輕、剛度好、變形能力強(qiáng) 多層輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋一般采用輕型鋼構(gòu)件或冷彎薄壁構(gòu)件所組成的結(jié)構(gòu)體系，圍護(hù)由輕質(zhì)肋板結(jié)構(gòu)的墻體、屋架與內(nèi)外墻板組成。這種房屋自重輕（約為混凝土結(jié)構(gòu)體系自重的1/5～1/3），結(jié)構(gòu)剛度好、變形能力強(qiáng)，擁有優(yōu)異的抗震和風(fēng)載承受能力。

3）耐久性強(qiáng) 輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋主要由表面處理后的薄壁鋼構(gòu)件體組成，裝配時(shí)采用合適的連接方式，可減少漆膜薄弱點(diǎn)并有效保護(hù)鋅膜完好，能顯著提高抗腐蝕能力。經(jīng)表面處理后的薄壁桿件再外敷圍護(hù)板材封閉后，不易腐蝕、霉變，能有效延長(zhǎng)鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命。事實(shí)證明，合理維護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)建筑物使用壽命均可達(dá)100年以上。

4）保溫隔熱性能好 由于金屬的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，主體及墻體中的輕鋼龍骨易形成冷橋，會(huì)加快室內(nèi)外熱量的傳遞，從而增加房屋的使用能耗。而且冷橋的形成還容易在鋼結(jié)構(gòu)的表面結(jié)露，加快鋼構(gòu)件腐蝕。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研單位對(duì)輕鋼圍護(hù)墻體的保溫性能、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、組合方式等方面進(jìn)行了大量研究，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑的保溫、隔熱、冷凝等問(wèn)題已提出系統(tǒng)的解決方案。目前，鋼結(jié)構(gòu)房屋已具備良好的保溫隔熱性能。

5）隔聲性能優(yōu)異 對(duì)于住宅建筑來(lái)說(shuō)，是否隔聲是住宅舒適性的一個(gè)重要指標(biāo)。目前輕鋼龍骨復(fù)合墻體的隔聲性能已非常優(yōu)異。這是因?yàn)槁曇糇矒舻綇?fù)合墻體后，在不同材質(zhì)和空腔間來(lái)回反射和折射，使墻板系統(tǒng)逐層消耗聲音的能量，尤其在腔體中填入玻璃棉等吸聲材料后，聲音傳播的能量在腔體中來(lái)回反射時(shí)被大大消減，隔聲性能顯著提高。國(guó)內(nèi)外的測(cè)試與統(tǒng)計(jì)表明，鋼結(jié)構(gòu)房屋同時(shí)采用輕鋼龍骨復(fù)合板和中空玻璃窗等材料，其隔聲效果能夠達(dá)到60dB以上。

6）舒適性較高 輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋建造所采用的基本是滿足綠色標(biāo)準(zhǔn)要求的高效節(jié)能材料，這些材料具有呼吸功能，能對(duì)室內(nèi)空氣的干濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)在這種房屋的屋頂增加通風(fēng)裝置，能夠在不開(kāi)窗的情況下，讓室內(nèi)形成不斷循環(huán)的氣流，從而有效保證房屋內(nèi)部的通風(fēng)及散熱。

7）節(jié)能、環(huán)保、易維護(hù) 輕鋼結(jié)構(gòu)的主體構(gòu)件可100%循環(huán)再利用，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)濕法作業(yè)，建造過(guò)程低排放。輕鋼結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異的墻、屋面組合方案，能提供卓越的保溫、隔聲、防水性能，與傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)相比耗能減少60%以上。

輕鋼結(jié)構(gòu)房屋的所有材料均可工廠化批量生產(chǎn)和預(yù)制，機(jī)械化程度高，真正實(shí)現(xiàn)住宅建筑工業(yè)化。輕鋼構(gòu)件通用性強(qiáng)、易于更換，輕鋼結(jié)構(gòu)房屋還具有施工周期短、施工過(guò)程簡(jiǎn)便、節(jié)約造價(jià)等優(yōu)點(diǎn)。

2 多層輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

2.1 結(jié)構(gòu)體系選型

多層輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋常采用框架結(jié)構(gòu)體系，框架結(jié)構(gòu)體系的最大優(yōu)點(diǎn)是柱網(wǎng)尺寸靈活可變，方便建筑功能的布置和改造。鋼框架結(jié)構(gòu)體系的剛度均勻，自振周期較長(zhǎng)，自重較輕，地震作用小。為提高房屋結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，可結(jié)合梯井、實(shí)墻等位置設(shè)置支撐，形成支撐-框架抗側(cè)力體系，提高房屋抗側(cè)剛度，抵抗水平風(fēng)荷載和地震作用。

2.2 樓蓋體系設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)房屋一般采用鋼梁+組合樓板的樓蓋體系，即在鋼梁上鋪設(shè)壓型鋼板，壓型鋼板與鋼梁之間用栓釘可靠連接，栓釘傳遞樓層剪力并確保樓板和鋼梁協(xié)同工作。壓型鋼板上澆筑厚60～90mm的鋼筋混凝土，形成壓型鋼板組合樓板。壓型鋼板在施工時(shí)作為模板，施工后與混凝土樓板形成整體并參與受力，可降低樓板用鋼量。如果考慮鋼梁和樓板的組合作用，即按組合梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，能提高鋼梁穩(wěn)定承載力的同時(shí)，還能顯著降低鋼梁的截面用鋼量。

此外，鋼結(jié)構(gòu)樓蓋體系設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)調(diào)整主次鋼梁連接、樓板與鋼梁的連接等構(gòu)造方法，能有效降低樓層結(jié)構(gòu)高度，增加樓層凈高或減少層高，可獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 支撐體系設(shè)計(jì)

框架結(jié)構(gòu)自振周期較長(zhǎng)、剛度較弱，側(cè)向位移大。較高的多層鋼結(jié)構(gòu)房屋要增設(shè)支撐，以提高其抗側(cè)剛度，減少水平位移。支撐布置的原則是“周邊、均勻，對(duì)稱”，通常在平面的縱、橫2個(gè)方向上設(shè)置2道或多道支撐。支撐與框架的連接可為鉸接，支撐桿件根據(jù)受力狀態(tài)按拉桿或壓桿設(shè)計(jì)。支撐體系可以采用X形、單斜撐、人字形、W形等形式，為保證強(qiáng)震作用下支撐體系具有良好的耗能性能，還可采用偏心支撐和屈曲約束支撐（見(jiàn)圖1）。

圖1 屈曲約束支撐工作方式

2.4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是提高住宅裝配率的重要環(huán)節(jié)，該部分設(shè)計(jì)質(zhì)量的優(yōu)劣將直接關(guān)系到人們?cè)谑褂眠^(guò)程的舒適程度，影響人們對(duì)鋼結(jié)構(gòu)房屋的接受意愿。

內(nèi)隔墻可供選擇的材料較多，一般采用空心砌塊、加氣混凝土等輕質(zhì)填充墻或輕鋼龍骨石膏板等。外墻墻體除有保溫、隔聲等性能要求外，還有防水和耐久性要求。

屋面建筑防水基本采用“排”和“堵”2種方式，屋面結(jié)構(gòu)找坡就是“排”的防水措施，一般為建筑首選；油氈瀝青或卷材防水等是“堵”的方式。當(dāng)然，屋頂也可以采用保溫層建筑找坡的保溫防水方式，但建筑材料找坡會(huì)增加自重，而且坡度小時(shí)會(huì)積水。

2.5 基礎(chǔ)形式設(shè)計(jì)

一般多層混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)成本占總建筑成本的15%～30%。得益于主體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料輕質(zhì)高強(qiáng)，鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)相比普通結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)成本會(huì)低很多。如對(duì)5層左右輕型鋼結(jié)構(gòu)房屋來(lái)說(shuō)，地基承載力在100～110kPa時(shí)便可采用天然地基解決基礎(chǔ)問(wèn)題，而不需要采用樁基。如果土質(zhì)稍差，也可只進(jìn)行較低強(qiáng)度的改造處理即可。

多層鋼結(jié)構(gòu)房屋的基礎(chǔ)形式通?？刹捎弥陋?dú)立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)，有時(shí)也可采用筏板基礎(chǔ)。地基土質(zhì)條件很差時(shí)，也可采用樁基。條形基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)的基礎(chǔ)剛度較大且有一定調(diào)節(jié)不均勻沉降的能力，樁基礎(chǔ)一般的沉降及沉降差都較小。采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)時(shí)，應(yīng)注意復(fù)核基礎(chǔ)的沉降差，確保小于GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)條文的限值，必要時(shí)還須考慮不均勻沉降對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響。

2.6 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)

焊接和軋制構(gòu)件的梁柱一般采用剛接的連接形式；主次梁連接一般采用鉸接連接，以減少次梁梁端彎矩傳給主梁成為對(duì)主梁截面不利的扭矩。冷彎薄壁截面構(gòu)件的連接大多采用鉸接的連接方式，通過(guò)加腋、加支撐的方式保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，提高結(jié)構(gòu)剛度和抗側(cè)移能力。

鋼結(jié)構(gòu)焊接連接構(gòu)造簡(jiǎn)單，不削弱截面，結(jié)構(gòu)剛度大。缺點(diǎn)是：在焊縫熱影響區(qū)內(nèi)材質(zhì)變脆，焊接殘余應(yīng)力和殘余變形使受壓構(gòu)件承載力降低。高強(qiáng)度螺栓連接的優(yōu)點(diǎn)是施工方便，可拆換，耐疲勞、韌性與塑性好，能承受動(dòng)荷載，缺點(diǎn)是截面有削弱、施工精度要求和連接成本較高。輕鋼結(jié)構(gòu)的緊固件連接主要指自攻螺栓、鋼拉鉚釘?shù)葯C(jī)械式緊固的連接方式，主要用于壓型鋼板、冷彎型鋼等構(gòu)件的連接。

2.7 防火、防腐設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)由建筑和結(jié)構(gòu)工程師按照建筑物的耐火等級(jí)及構(gòu)件的耐火時(shí)限選用合適的涂料及構(gòu)造方法。重要的構(gòu)件如承重鋼柱應(yīng)采用厚型防火涂料、防火板或外包混凝土等方法進(jìn)行防火處理。鍍鋅鋼板本身具有一定的防腐能力，在用于樓蓋時(shí)可借助于防火涂料解決防腐問(wèn)題，但用于屋面和外墻面時(shí)還要涂有機(jī)涂料，增加其耐久年限。室外鋼構(gòu)件只需考慮防腐而不考慮防火保護(hù)。

防火涂料噴涂前應(yīng)對(duì)鋼材表面進(jìn)行除銹，并進(jìn)行1～2道底漆防腐涂裝，防火涂料不應(yīng)與底漆發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)防火涂料有防銹功能時(shí)，可除銹后直接噴涂防火涂料。目前防腐涂料的有效期為10～20年，需定期維護(hù)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，輕鋼結(jié)構(gòu)房屋的發(fā)展符合國(guó)家產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)，輕鋼結(jié)構(gòu)房屋以其眾多的優(yōu)點(diǎn)，必定會(huì)越來(lái)越多的應(yīng)用。在建筑工業(yè)化浪潮中，通過(guò)精心的計(jì)算、合理的設(shè)計(jì)，必將創(chuàng)造出越來(lái)越多的輕鋼房屋建筑精品。