二级结构之钢结构住宅建筑体系设计

1 概况
　　80年代以来，空间网架结构普遍在飞机库、侯机搂、体育场馆等高、空、大(高度、空间、跨度)建筑物中使用；幕墙建筑和节能门窗在大型公建和民用住宅中广泛采用；改革开放以来发展起来的高层钢结构(包括钢骨混凝土结构)，大量进入民用建筑领域，使得钢结构建筑，在技术上更加成熟，在质量上更加稳定。
　　由于钢结构住宅具有以下优点：①结构自重轻。比砖混结构轻30%，比混凝土剪力墙结构轻20%；②耐震性能好。钢梁、钢柱组成柔性框架，可以吸收部分地震能量；③施工速度快。和混合结构相比，工期可缩短一倍；④工业化程度高。便于形成标准化建筑体系，实现构件工厂化和施工机械化。因此，钢结构住宅具备广阔的前景。
　　钢结构属于框架结构，以钢框架和钢筋混凝土框架做比较：在跨度相同情况下，钢梁高度是钢筋混凝土梁高度的一半。在承载力相同的情况下，钢柱外围面积是钢筋混凝土面积的1/4。这使“肥梁胖柱”的钢筋混凝土框架结构的弊端在一定程度上有所缓解，但是“藏梁包柱”仍然是钢结构住宅设计的一项主要内容。
　　去年，我们接受了北京市建委下达的钢结构住宅体系研究项目，并列人建设部科技攻关重点实验项目。通过试点工程，探索钢结构住宅产业化道路。试点工程位于北京东郊十里堡晨光家园，长72m、宽13m，地下一层、地上九层，总建筑面积11280m2，一梯两户，开间3.3m，4.2m，进深5.4m+7.2m。
　　2 结合住宅的功能特点，发挥钢结构的优势
　　2.1 平面布置和结构选型
　　钢结构适合于平面布置基本规正、匀称、凹凸变化较少的建筑平面，不适宜轴线错开较多，形心和质心距离较大和易于产生较大扭转的住宅平面
　　钢结构住宅设计需要对风荷载和地震荷载作用下的水平位移进行控制，因此，抗侧力结构的考虑是非常重要。在住宅结构设计中常常把楼梯间、电梯间墙体设计为抗侧力结构。如果位移仍然不能控制在允许值范围内时，可以把单元之间的分户墙或厨房、卫生间的部分墙体(不动墙)也做为抗侧力结构。这些剪力墙(或核心筒)在平面内要求分布均匀、横纵轴向兼顾，通过剪力墙的数量和长短控制建筑物总体刚度。
　　2.2 变形限值的讨论
　　抗侧力结构可以是钢结构，也可以是钢筋混凝土结构。当采用钢桁架作为抗侧力结构组成纯钢结构时，规范规定：在风力作用下，层间位移1/400，顶点位移1/500；在地震作用下，层间位移1/250，顶点位移1/300。因此，采用钢桁架作抗侧力结构可能造成用钢指标有较大提高，从而增加造价。当采用钢筋混凝土剪力墙(或核心筒)作为抗侧力结构，组成钢框架一钢筋混凝土剪力墙(或核心筒)组合结构时，水平位移极限值应该以规范中的钢结构限值1/300取值？还是按钢筋混凝土结构限值1/800取值？
　　我们在计算中发现，在垂直荷载作用下：钢框架承担85%，剪力墙承担15%；在水平荷载作用下：钢框架承担不足10%，剪力墙承担高于90%。2.3 层数和层高的确定
　　任何一种结构形式都有它的适用范围、建造高度。钢结构正是在高层、超高层建筑中具有独到的优势，但是在八度地震区，高层住宅由于地震设防，梁、柱断面虽然与同条件钢筋混凝土梁、柱相比要小的多，但在寻常百姓家的居室中，梁柱的存在仍然是十分尴尬的事。相比之下，我们认为钢结构用于多层和“小高层”，是具备一定优势的。
　　大空间自由分割历来是住宅的希望，在墙体结构中大空间的获得，只有以大开间大进深来实现，其结果是楼板厚度增加造成用钢量和结构自重加大，结构重量加大又造成地震力加大，反过来影响剪力墙的厚度、强度和配筋。
　　在钢结构框架体系中，利用小开间获得大空间的优势要大的多。常常利用吊顶把开间梁、进深梁隐藏起来，这种做法层高一般要求在3.1m以上。在试点工程中，由于户内分隔墙和分户墙拆移的可能性很小，墙上部梁可以包在墙内，因此层高仅设计为2.8m。
　　2.4 柱网确定和柱断面型式的选择
　　柱网的确定一般根据乎面分割情况，结合梁的位置和截面高度，以及钢梁的隐蔽方法来决定。外墙处的柱距是柱网确定的关键，把沿外墙钢梁和外墙窗上皮的高度关系处理好，柱网也就基本确定了。
　　近年来，国内各大中城市相继进行钢结构住宅试点，其钢梁截面一般为Ⅰ型，分轧制和钢板焊接两种。
　　钢柱的截面型式大体分为三种：圆管柱、方管(箱形)柱和H型钢柱。其中，管柱内浇注混凝土，形成钢管混凝土柱，承载力比钢筋混凝土柱大幅度提高，因此用钢量较省。在节点构造作法上，方管柱构造简单合理。但是，管柱在与钢梁连接上下翼缘部位，须加横隔板以形成贯通式节点，这一要求增加了加工难度，因而也提高了工程造价。H型钢柱，当外包钢筋混凝土时形成钢骨混凝土柱。H型钢柱加工和施工都比较方便，但钢柱用钢量较多。
　　在试点工程中选择H型钢柱，柱长三层一根，截面外形尺寸300×350(进深方向)和200×250(开间方向)，采用16Mn型钢，分两次变截面，位于三层、六层顶板处。之所以采用H型钢柱是因为H型钢生产厂家多、货源足、规格全、加工方便、现场施工也比较方便、易于保证质量，对形成建筑体系有现实的有利条件。
　　2.5 抗震设防和建筑场地土影响
　　按照规范规定，北京地区抗震设防烈度为八度，地震力比七度区大两倍，比六度区大四倍。试点楼建在北京东四环，建筑场地土为Ⅲ类土，相当于把八度的地震力又加大了30%，这对试点工程的各项指标不利。
　　按照建筑物宽13m，长72m，地上九层，地下一层，经过数次计算调整，X方向地震周期为0.87s，地震力为11257kN；Y方向地震周期为0.98s，地震力为1545OkN。
　　2.6 指标控制
　　在试点工程中，根据同类建筑材料指标，结合北京住宅造价，对如下指标进行了控制：结构自重<60kg/㎡，建筑自重<850kg/㎡，结构用钢量(包括梁、柱、剪力墙、楼板)<5Okg/㎡，建筑总用钢量<65kg/m’，建筑造价<1700元/㎡<钢筋混凝土剪力墙住宅造价+250元/㎡。
　　2.7 节点构造
　　节点构造直接影响钢材用量，在试点住宅中集中力量解决了两个部位的节点做法。
　　2.7.1 柱脚生根部位
　　试点工程地下层结构按钢筋混凝土框架—剪力墙结构考虑，柱脚位于地下室顶板标高处，柱脚与顶板预埋钢板用高强螺栓连接。首层超市用钢筋混凝土包柱按钢骨混凝土框架—钢筋混凝土剪力墙结构考虑，二层以上钢框架—钢筋混凝土剪力墙结构。
　　2.7.2 钢框架的钢梁和钢筋混凝土剪力墙 (核心筒)的连接
　　为了确保试点工程安全可靠，设计中没有采用单纯在剪力墙中预埋钢板的连接方法，而是在剪力墙端部和核心筒拐角处自柱脚标高起，设置上下贯通的Ⅰ型芯柱，并且，在钢梁高度处用钢桁架作为芯柱与芯柱之间的横向连接，以确保该部位节点的工作状态和计算假定相吻合　2.8 钢结构防腐与防火
　　钢结构的防腐在工厂对梁、柱加工时以涂料方式解决。
　　钢结构的防火须经过政府主管部门审批，尽管防火处理是直接影响造价的因素之一，设计中必须同时考虑防火材料的阻燃和隔热性能。
　　经过北京市消防局审批。在对钢结构住宅没有明确消防规定的情况下，试点工程按提高1级防火考虑，即按Ⅰ级防火等级，钢柱耐火时间为3h，钢梁为2h，楼板为1.5h，经与耐火材料厂家初定，采用钢丝网外抹防火材料厚层做法，厚度2.5～3.Ocm，费用约85元/㎡。
　　3 “三板”配套做法和构配件的工业化生产
　　“三板”指外墙板、内墙板和楼板。三板的设计、制作和施工也反映出钢结构住宅建筑体系的水平。
　　3.1 外墙板
　　外墙板在功能上最为复杂，要求具有防水、防火、隔声、保温、隔热、美化和具有一定强度等功能。有承重、承自重和不承重三种类型。在钢结构住宅中，外墙板多属于后两种，其中以不承重(挂板)居多，当前各地作法有砌筑砌块和预制大板两种作法。
　　在试点工程中，我们采用按层高和开间分隔的预制钢筋混凝土大板，板厚1OOmm。外保温采用6Omm厚聚苯乙烯，连同构件在预制厂做好，吊装后在现场完成聚合物砂浆的外饰面。
　　3.2 内墙板
　　内墙板按功能要求有分户墙与户内隔墙之分。分户墙在抗冲击、防盗、隔声等方面比户内隔墙要求更高。为了提高工业化水平，试点工程采用空心陶粒混凝土预制条板，同时正在计划引进澳大利亚技术，生产UAC预制墙板。这是一种密度<5OOkg/m3，连同外筛面一次成型的方便施工的新型墙体材料。
　　3.3 楼板
　　楼板是大开间的关键，楼板的厚度在结构自重中占40%～50%。成型钢板固然是一种方便施工的楼板做法，但单向受力和造价偏高，使设计者不得不探索新的做法。
　　现浇楼板优点不言而喻，但不适宜钢结构工业化施工。双钢筋迭合板是北京住总集团80年代的成熟技术，在钢结构住宅中正可发挥它的优势。
　　此外，整体厨房和整体卫生间等成套技术也是钢结构住宅值得考虑的配套产品。
　　4 尽力实现设计标准化、平面系列化、节点构件通用化、配套设备集成化
　　钢结构住宅在设计上有别于一般住宅设计，它需要参与设计的各专业打破传统的专业界线，特别在北方采暖地区，不考虑吊顶时，管线的布置和梁柱的处理需要结合精装修进行考虑。另外，梁柱还应开发新的截面型式，使之受力更为合理，节点构造更加简单 钢结构住宅要产业化，另外还需要统一编制专门的设计规范，施工技术质量验收标准;需要各地区根据施工技术特点研制配套的施工机具，组建钢结构住宅的专业化施工队伍
　　若按钢结构限值1/300控制结构整体刚度，在地震中待钢结构参加工作时，钢筋混凝土剪力墙己经产生了结构破坏，这种考虑不够安全。
　　若按钢筋混凝土剪力墙限值1/800控制结构整体刚度时，钢梁、钢柱截面会因地震力加大而大幅度增加。根据抗震规范提出的“第二水准烈度大体相当于现行地震区划图规定的基本烈度”，在这一烈度下，“结构进大非弹性工作阶段，但非弹性变形或结构体系的损坏控制在可修复范围”设防目的，我们做了大量的试算，提出了1/650的极限值，做为试点工程刚度控制值，并在专家讨论会上初步得到认可。
　　按照这个限值进行设计，示范工程设计值：X方向1/699；Y方向1/661。