鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點及在住宅上的應(yīng)用

李文波

摘 要:2001年經(jīng)國家經(jīng)貿(mào)委批準,將“輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑通用體系的開發(fā)和應(yīng)用”作為我國建筑業(yè)用鋼的突破點,正式列入國家級重點技術(shù)創(chuàng)新項目,鋼結(jié)構(gòu)住宅引起社會各界廣泛關(guān)注。本文簡單介紹了鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點及其在住宅上的應(yīng)用,期望對工程設(shè)計人員有一定的幫助。

關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu);優(yōu)點;住宅應(yīng)用

1 鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

一般來說,材料的特性是推出新型建筑形式的出發(fā)點。鋼結(jié)構(gòu)是用鋼板、熱軋型鋼或冷加工成型的薄壁型鋼制造而成的。和其它材料的結(jié)構(gòu)相比,鋼結(jié)構(gòu)有如下一些特點。

材料的強度高,塑性和韌性好鋼材和其它建筑材料諸如混凝土、磚石和木材相比,強度要高得多。因此,特別適用于跨度大或荷載很大的構(gòu)件和結(jié)構(gòu)。鋼材還具有塑性和韌性好的特點。塑性好,結(jié)構(gòu)在一般條件下不會因超載而突然斷裂;韌性好,結(jié)構(gòu)對動力荷載的適應(yīng)性強。良好的吸能能力和延性還使鋼結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的抗震性能。另一方面,由于鋼材的強度高,做成的構(gòu)件截面小而壁薄,受壓時需要滿足穩(wěn)定的要求,強度有時不能充分發(fā)揮。

材質(zhì)均勻,與力學(xué)計算的假定比較符合鋼材內(nèi)部組織比較接近于勻質(zhì)和各向同性,而且在一定的應(yīng)力幅度內(nèi)幾乎是完全彈性的。因此,鋼結(jié)構(gòu)的實際受力情況和工程力學(xué)計算結(jié)果比較符合。鋼材在冶煉和軋制過程中質(zhì)量可以得到嚴格控制,材質(zhì)波動的范圍小。

鋼結(jié)構(gòu)制造簡便,施工周期短鋼結(jié)構(gòu)所用的材料單純而且是成材,加工比較簡便,并能使用機械操作,因此,大量的鋼結(jié)構(gòu)一般在專業(yè)化的金屬結(jié)構(gòu)廠做成構(gòu)件,精確度較高。構(gòu)件在工地拼裝,可以采用安設(shè)簡便的普通螺栓和高強度螺栓,有時還可以在地面拼裝和焊接成較大的單元再行吊裝,以縮短施工周期。此外,對已建成的鋼結(jié)構(gòu)也比較容易進行改建和加固,用螺栓連接的結(jié)構(gòu)還可以根據(jù)需要進行拆遷。

鋼結(jié)構(gòu)的重量輕鋼材的密度雖比混凝土等建筑材料大,但鋼結(jié)構(gòu)卻比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)輕,原因是鋼材的強度與密度之比要比混凝土大得多。以同樣的跨度承受同樣荷載,鋼屋架的重量最多不超過鋼筋混凝土屋架的1/3至1/4,冷彎薄壁型鋼屋架甚至接近1/10,為吊裝提供了方便條件。對于需要遠距離運輸?shù)慕Y(jié)構(gòu),如建造在交通不便的山區(qū)和邊遠地區(qū)的工程,重量輕也是一個重要的有利條件。

當然任何一種材料都不是十全十美的,鋼材的耐腐蝕性和耐火性就較為欠缺,在對結(jié)構(gòu)進行防護時費用比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)高。不過在沒有侵蝕性介質(zhì)的一般廠房中,構(gòu)件經(jīng)過徹底除銹并涂上合格的油漆,銹蝕問題也并不嚴重。近年來出現(xiàn)的耐大氣腐蝕的鋼材具有較好的抗銹性能,已經(jīng)逐步推廣應(yīng)用,并取得了良好的效果。鋼材長期經(jīng)受100℃輻射熱時,強度沒有多大變化,具有一定的耐熱性能,但溫度達150℃以上時,就須用隔熱層加以保護。鋼材不耐火,重要的結(jié)構(gòu)必須注意采取防火措施。例如,利用蛭石板、蛭石噴涂層或石膏板等加以防護。

2 鋼結(jié)構(gòu)在住宅上的應(yīng)用以及推廣價值與磚混結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)相比,在住宅中應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)主要具有以下幾方面優(yōu)點:

2.1 結(jié)構(gòu)自重輕。

根據(jù)比較,相同的建筑造型,六層鋼結(jié)構(gòu)住宅重量僅相當于四層磚混結(jié)構(gòu)住宅的重量。建筑總質(zhì)量小,地震力效應(yīng)小,且延性好,相應(yīng)抗震性能優(yōu)良。歷次大地震災(zāi)害資料對比都說明了這一點。

2.2 材料各向同性,符合力學(xué)假定,提高了設(shè)計精度。

2.3 由于工廠化加工制造,精度高,易于保證質(zhì)量,與混凝土相比,更符合結(jié)構(gòu)設(shè)計要求。同時施工速度快,工期縮短40%以上,可使建筑物更早的投入使用,提早產(chǎn)生效益。

2.4 在設(shè)計中由于業(yè)主的要求,經(jīng)常要進行變更,采用鋼結(jié)構(gòu)較易配合變更。施工時干式作業(yè)減少了對環(huán)境的污染,且構(gòu)件運輸方便,費用低。

2.5 可在梁腹板處開孔走管道,不像混凝土結(jié)構(gòu)在梁底通過。因此在樓層高度一樣的情況下,采用鋼結(jié)構(gòu)可提高層間凈高。

2.6 對新疆而言,鋼結(jié)構(gòu)住宅的優(yōu)勢更為明顯。鋼材的耐腐蝕性較差,而新疆氣候干燥,降水少,蒸發(fā)量大,對于鋼材的“濕腐蝕”具有天然的防護作用。此外,新疆冬季較長,不利于施工。鋼結(jié)構(gòu)施工速度快的優(yōu)勢就明顯地體現(xiàn)了出來,既保證了建筑結(jié)構(gòu)的工期質(zhì)量,又減少了因冬季施工所帶來的溫度等方面的問題。

2.7 輕質(zhì)高強,簡單實現(xiàn)大跨與復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu),創(chuàng)造開放式住宅。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)(磚混、混凝土)由于受材料限制,其開間一般在3.0m、3.3m、3.6m、4.2m。如果需要更大開間,則會造成“肥梁胖柱”,房高也會受到影響。而在梁高相同的情況下,鋼結(jié)構(gòu)開間可比混凝土大50%。在梁柱等強度條件下,可增加建筑有效使用面積5%～7%。新疆冬季時間長,室外溫度低,因此室內(nèi)都通過暖氣來取暖,采暖期長達半年。這就要求外墻要有良好的保溫措施,否則對能源是一種很大的浪費。鋼結(jié)構(gòu)住宅的墻體一般選用與之配套的板材,與傳統(tǒng)的磚墻相比具有較好的保溫性能,在建筑節(jié)能方面有明顯的優(yōu)勢。由此可見,鋼結(jié)構(gòu)住宅不僅加快了國家和城市的發(fā)展速度,帶動了與之相關(guān)的其它行業(yè)的發(fā)展,還提高了住宅質(zhì)量和人們的居住水準,而且它作為一種商品綜合經(jīng)濟效益高,可使買賣雙方都獲得利益。鋼結(jié)構(gòu)住宅還促進了住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展進程,尤其是使用材料的環(huán)保性,給社會帶來良好的綜合效益,而與之相比的鋼混和磚混等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)住宅越來越暴露出它們的缺點,和對發(fā)展的阻礙,取而帶之的鋼結(jié)構(gòu)已經(jīng)到了勢在必行的階段,這也正是現(xiàn)階段發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅的原因。

3 鋼結(jié)構(gòu)布置鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則是:

結(jié)構(gòu)必須有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性,整個結(jié)構(gòu)安全可靠;結(jié)構(gòu)應(yīng)符合建筑物的使用要求,有良好的耐久性;結(jié)構(gòu)方案盡可能節(jié)約鋼材,減輕鋼結(jié)構(gòu)重量;盡可能縮短制造、安裝時間,節(jié)約勞動工日;結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)便于運輸、便于維護;在可能條件下,盡量注意美觀,特別是外露結(jié)構(gòu),有一定建筑美學(xué)要求。按照上述原則,根據(jù)實際案例原建筑設(shè)計的布置和功能要求,綜合考慮了結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性、建筑設(shè)計的特點和施工合理性等因素,采用鋼框架-支撐和鋼框架——剪力墻結(jié)構(gòu)體系,并分別進行了布置。

梁柱體系平面采用普通梁格體系。梁采用熱軋焊接H形截面鋼梁,柱為焊接箱型鋼柱。整個結(jié)構(gòu)設(shè)計成剛性框架結(jié)構(gòu),豎向荷載由梁、板、柱承擔?？蚣艿牧号c梁、梁與柱、柱與基礎(chǔ)均按剛性連接設(shè)計,現(xiàn)場連接采用高強螺栓與焊接共同作用。次梁為H形截面單跨簡支梁,設(shè)計主次梁時均不考慮樓蓋與鋼梁的組合作用。

抗剪體系分析計算表明,在全部水平風(fēng)荷載和地震力作用下,上述結(jié)構(gòu)體系局部剛度較弱,因此鋼框架——支撐結(jié)構(gòu)體系通過布置中心支撐來抵抗水平荷載。鋼框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系的中間部分電梯井與樓梯間布置鋼筋混凝土剪力墻,來抵抗水平外力的沖擊。

樓蓋體系一般各層樓(屋)蓋均采用鋼筋混凝土樓(屋)蓋,樓板厚度依結(jié)構(gòu)計算定為110mm,140mm。在結(jié)構(gòu)計算中,認為樓蓋剛度足夠大,符合平面內(nèi)無限剛性的假定。

基礎(chǔ)形式鋼框架——支撐采用柱下獨基,鋼框架-剪力墻采用柱下獨基與筏板基礎(chǔ)。

內(nèi)外墻體系框——剪采用蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土板材(簡稱ALC板材),外墻板厚為 200mm,內(nèi)墻板厚100mm?？?支采用陶粒砼砌塊。

總之,鋼結(jié)構(gòu)住宅符合國家住宅產(chǎn)業(yè)化的目標,符合可持續(xù)性發(fā)展的戰(zhàn)略,并對保護耕地、提高城市建設(shè)水平有較大作用。有了國家政策的支持、技術(shù)的保證,鋼結(jié)構(gòu)住宅具有光明的前景。

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