高层钢结构住宅设计方法

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【摘要】随着建筑技术水平不断提高，钢结构体系由于其强度高、抗震性能好、环保等方面的优点，在高层住宅中得到快速发展。论文结合某工程实例，介绍了钢结构住宅结构设计参数，主要围绕结构设计方法展开分析，提出相应的设计方案，并将其与混凝土结构进行比较，以期给类似工程提供参考。

【关键词】高层住宅；钢结构；结构设计

1引言

由于高层建筑的总体规模较大，因此，确保其整体稳定性、提高抗震性成为设计工作中的重点目标。相比于传统钢筋混凝土结构，现阶段新型的钢结构是较好的取代形式，其稳定性表现更为优良，抗震性能好，且解决了传统技术工期长的问题[1]。

2工程概况

某高层住宅项目工程，总建筑面积约为12×104m2，主体部分共设计16层，总高48m，为单元式一梯两户布局形式。在本工程中，主体部分采用钢管混凝土柱-钢框梁体系，以满足高层住宅建设需求。

3钢结构住宅结构设计参数

3.1建筑设计分类

本工程建筑结构安全等级为二级，结构重要性系数为1.0，结构设计使用年限为50a，建筑抗震设防类别为丙类。3.2楼面荷载标准值根据规划要求主体结构选择“钢管混凝土柱-钢框梁”形式。在设计结构时，应注重如下几项指标。1）楼面荷载：（1）标准层活荷载2.0kN/m2，电梯机房为7.0kN/m2；（2）消防楼梯3.5kN/m2；标准层恒载4.50kN/m2。2）风荷载和雪荷载：（1）考虑到建筑高度较高的特点，为确保在风荷载作用下整体结构具有足够的稳定性，要注重对基本风压的控制，若重现期为50a时，要求风荷载=0.30kN/m2；（2）考虑重现期为10a的使用条件，此时风荷载=0.20kN/m2；（3）地面粗糙度B类，建筑体形系数=1.3；（4）该工程中雪荷载的基本雪压按50a重现期考虑，取0.3kN/m2。3）地震荷载：（1）考虑到地震灾害易对建筑稳定性造成影响，应确保建筑在地震环境中维持稳定性；（2）具体要求即抗震设防等级为Ⅲ级、地震加速度0.20g、特征周期Tg=0.40s、阻尼比为0.04。

3.2结构计算

本工程采用中国建筑科学研究院编制的STS-SETWE计算软件（高层钢结构设计计算-高层建筑结构空间有限元分析软件），结构分析采用三维空间建模体系，水平地震力采用振型分解反应谱法，并考虑扭转、耦联等因素的影响。其软件计算结果见表1。在设计中，由于假定侧向力由钢管混凝土柱-钢框梁自身承担，所以，其结构的层间位移、顶点位移参照JGJ3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中“框架-剪力墙”结构的位移为标准，将其控制在Δu/H=1/650、u/H=1/700，其中，Δu为结构顶点屈服位移；u为结构顶点延性系数；H为楼体高度，m[2]。通过结构整体稳定验算得知，本工程中钢结构刚重比明显大于10，满足整体稳定验算标准。但如果该结构中刚重比正好小于20，则在计算时应将重力二阶效应的方法考虑在内。因此，本工程在通过特定的方法对钢结构进行验算之后，得出的结果数值与JGJ99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》第5.4.4条规定中的整体稳定验算标准相吻合，工程的抗震等级也基本满足相关规范要求[3]。

4钢结构住宅的结构设计方法

4.1基础设计

在施工过程中，本工程选择人工挖孔桩，桩端的持力层为强风化泥岩，整栋建筑的基础部分较稳定，实现了高效的荷载传递。

4.2主体结构设计

主体选择的是钢框架结构，材料为Q355B钢材，同时，依据设计图纸搭建钢管体系并内浇混凝土，以形成稳定性良好的钢管混凝土框架柱。由于管内不同区段的混凝土强度等级存在差异，其对下部强度要求更高，为C40，而上部为C35。

4.3楼盖体系

在楼盖施工中，选择钢筋桁架楼承板结构，并对厚度进行了针对性优化，以更好地保证标准层及屋面楼板保持一致，均设为120mm。在形成完整的钢筋混凝土板后，可利用抗剪栓钉连接，使其与钢梁形成稳定的整体，从而进一步加强组合楼盖。由于“钢-混凝土”这一组合方式在力学表现上更优良，且能够兼并发挥出钢和混凝土两部分材料的性能优势，因此，在采取此方式时，次梁截面会明显减小，且还具有加大楼层净高的效果。

4.4围护墙体结构设计

在建筑工程倡导环保理念的背景下，轻型材质的优势得到了充分发挥，并相继被应用于高层建筑施工中。这其中，尤其典型的是复合夹心板墙，因为其相较于传统材料，具有更轻便、保温效果更好的优势，可有效减少材料用量。在钢结构住宅工程中，如黏土砖等材料缺乏适应性，因此更为合适的是加气混凝土砌块等结构。在本工程中，为了给用户提供舒适的居住体验，外墙部分统一采用ALC墙板，而内隔墙选择100mm厚轻质复合墙板材料。

4.5节点设计

钢结构要在建筑整体结构中形成完整的体系，则节点设计显得尤为关键。因为这是整个设计工作中的要点。从钢结构节点的类别来看，其主要包含梁柱节点、柱脚节点等多个部分。在设计中，可以将安全可靠作为基本前提，选择具有便捷化特性的工艺，从而最大化减少焊缝连接。从传力特性的角度来看，以刚性节点和铰接节点的应用较广泛，其工艺较成熟。对于方钢管柱施工，将钢管柱直接埋入基础结构中，利用钢骨混凝土柱结构纵筋起到传递弯矩的效果。

4.6除锈和防火设计

4.6.1除锈与涂装全方位检验钢结构的质量情况，并在各方面都满足要求后除锈，当足够洁净时方可涂装。本工程选择喷砂除锈的方式，除锈等级控制标准为Sa2.5级。涂装操作的具体步骤为：1）刷涂无机富锌底漆1道，经此环节处理后产生的干膜厚度至少达60μm。2）防锈部位均匀涂上环氧云铁漆，颜色根据实际情况灵活选择，厚度30μm。3）在钢结构搭建过程中，由于该环节含有部分焊接作业，因此该处需刷涂防腐漆。4）在运输过程中加强防护，不可出现涂层受损的情况，若部分区域存在损伤，则需选择相适应的技术修补。5）全面清理焊接后产生的焊渣。4.6.2钢结构的稳定使用要保证钢结构的稳定使用，则还要建立在耐火性能优良的基础上。本工程采取的是二级防火标准，所有构件的耐火性能足够良好，具体见表2。此外，为体现高层钢结构住宅的优越性，需尽可能减轻结构的自重，而墙体应采用轻质材料。在本工程中，选用蒸压轻质砂加气混凝土砌块，其优越性主要体现在：1）轻质。该产品的计算容重仅为400～650kg/m2，为混凝土的1/4，可以有效减轻建筑物的自重。2）保温。该产品在做外围护结构时，不用辅助材料即可满足严格的保温节能要求，而用50mm厚的蒸压轻质砂加气混凝土砌块能达到240mm普通砖墙的保温效果。3）抗渗。该产品内部小孔均为独立的封闭孔，直径约1～2mm，不仅能阻止水分扩散，而且在同等条件下抗渗性比普通黏土砖高85%。4）防火。该产品的原材料和产品本身均为无机物，绝不燃烧，其100mm厚的墙体耐火极限≥4.0h。

5钢结构与混凝土结构相比

由于钢结构工程具有自重轻、施工速度快、建筑产业化和利于环境保护等特点，因而已越来越被人们所重视，因此，在全国各地陆续出现了一批钢结构住宅。与普通的混凝土结构相比，其应用于住宅建筑中时，具有的优点主要包括：1）钢结构建筑总质量小、地震力效应小且延性好，相应抗震性能优良。历次大地震灾害资料对比说明了这一点。2）由于工厂化加工制造，施工速度快，工期可缩短20%以上，使建筑物更早地投入使用，提早产生效益。3）钢结构采用干法施工，这不仅有效减少了对环境的污染，而且构件运输方便、费用低，可在梁腹板处开孔走管道，避免了如混凝土结构在梁底通过的情况。因此，在楼层高度相同的情况下，采用钢结构，可较好地提高层间的净高。4）钢结构容易实现大跨度与复杂结构，创造开放式住宅，因此建筑设计灵活、丰实。对此采取大开间设计，可让户内空间可多方案分割，以满足用户的不同需求。5）建筑空间利用率及使用系数高。具体来说，在梁高相同的情况下，钢结构开间可比混凝土大30%，且在梁柱等强度条件下，可增加建筑有效使用面积5%～8%。6）绿色环保效果好。据相关数据表明，钢结构住宅施工时减少了砂、石、灰的用量，且所用的材料主要是绿色、可回收或降解的材料，因此在建筑物拆除时不会造成垃圾，在真正意义上实现了绿色建筑。

6结语

钢结构住宅是现阶段建筑领域的重要应用形式，其在行业内具有推动性作用，是创造高品质工程项目的重要途径，能够为用户提供高品质的居住体验。总体而言，钢结构住宅在质量、成本等方面都具有优良的表现，在未来将取得更广泛的应用，因此，值得工程人员在此方面深入探讨，以进一步推动钢结构住宅建设事业的发展。

【参考文献】

[1]王海骄，王海燕.钢结构设计在房屋设计中的重要性与策略探讨[J].工程建设与设计，2019（22）：22-23.

[2]朱炳寅.高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ3—2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.高层民用建筑钢结构技术规程:JGJ99—2015[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.

作者：卢宇 单位：中建八局第一建设有限公司