简述钢结构住宅结构设计

简述钢结构住宅结构设计

陈磊

陈磊

（天津市建筑设计院，天津300074）

摘要：本文首先阐述了钢结构工程设计原则和钢结构住宅的优点。最后，提出了钢结构住宅设计的问题对策。

关键词：钢结构；设计；原则；方法

前言

我国的钢结构主要用于工业厂房、大跨度和高层民用建筑中，钢结构住宅在全部建筑中的应用比例非常低，而瑞典、美国、日本等国的钢结构住宅面积已达到总建筑面积的40%以上。我国建筑用钢在钢材产量中的比值也仅为20%～30%，低于发达国家的40%～55%。因此，我国钢结构还是一个很年轻的行业，特别是多层民用钢结构建筑，应用前景十分广阔，有待于大力发展和支持。

1钢结构工程的设计原则

1.1钢结构工程使用目的是为了创造效益。因此，“钢结构经济性”是钢结构设计的一个重要方面。“钢结构经济性”原则应从总体上加以分析，不能仅从某方面孤立地去考察。但就总体而言，单纯以耗钢量为评价标准是不完全的，也不尽合理，全面评价结构体系的合理性应综合考虑用钢量、加工制作费、安装费、施工周期及基础费用等。因此，钢结构设计时，必须对钢结构体系的经济性进行深入分析和全面的考察，只有综合效益最佳的方案或钢结构体系才是合理的。

1.2根据实际情况，合理的结构体系应该是刚柔相济的。如果结构太刚，则变形能力差，强大的破坏力瞬间袭来时，需要承受的力很大，容易造成局部受损最后全部毁坏；同样，太柔的结构虽然可以很好的消减外力，但容易造成变形过大而无法使用甚至整体倾覆。因此，结构体系的刚度问题历来都是工程界争论的焦点。

1.3钢结构体系的“适用”原则是针对钢结构体系的功能要求而言的。因此，在结构设计时，必须把握以下方面：对建筑物的功能、特点和所处的环境条件有充分的了解，如建筑物是民用建筑还是工业建筑，民用建筑是用于展览馆还是体育馆等，工业建筑是钢结构仓库还是钢结构厂房，钢结构厂房的生产工艺对建筑结构的影响情况等；建筑物对防火、保温、隔热、隔振和防腐蚀有何要求；对建筑所在地的环境状况和气象条件应有足够的了解。

2钢结构住宅的优点

2.1钢材与其它建筑材料如混凝土、砖石和木材相比，强度要高得多，弹性模量也高，因此结构构件质量轻且截面小，特别适用于跨度大、荷载大的构件和结构。即使采用强度较低的钢材，其强度与密度的比值也比混凝土和木材大的多，从而在同样受力条件下的钢材结构自重轻。研究表明，多高层钢结构的自重一般为混凝土结构自重的1/2～3/5。此外，构件轻巧也便于运输。

2.2由于国内钢材的强度高，构件截面小，所占空间也就小。以相同受力条件的简支梁为例，钢筋混凝土梁的高度通常是跨度的1/10～1/8，而钢梁约是1/16～1/12，如果钢梁有足够的侧向支撑（比如楼板），可以达到1/20，有效增加了房屋的层间净高。在梁高相同的情况下，钢结构的开间可比混凝土结构的开间大50%，能更好的满足结构大开间、灵活分割的要求。另外，多层民用建筑中的管道很多，如果采用钢结构，可在梁腹板上开洞以穿越管道，而混凝土结构则不宜开洞。

柱子的截面尺寸也类似，在多高层建筑中，钢柱的截面面积占建筑面积的3%～5%，而混凝土柱则占6%～9%，并且由于梁截面较小，避免了“粗柱笨梁”现象，室内视觉开阔，美观方便。

2.3由于钢材组织均匀，接近各向同性，钢结构的实际工作性能比较符合目前采用的理论计算模型，因此可靠性高。同时因钢材塑性韧性好，耗能能力强，一般不会因超载而发生突然断裂，适用于承受动力合载和冲击荷载，抗震性能非常优越。

2.4钢结构所用的材料单纯，且多是成品和半成品材料，加工比较简单，并且能够使用机械操作，易于定型化、标准化，工业化生产程度高，质量稳定，劳动力强度低。结构施工周期短，使整个建筑更早投入使用，可节约投资18%。

2.5与传统的混凝土结构和砌体结构相比，钢结构属于绿色建筑结构体系。钢结构房屋的墙体均采用新型轻质复合墙板和轻质砌块，符合建筑节能和环保的要求，可以达到节能50%的目标，极大的节约资源。钢结构的施工方式为干式施工，可避免混凝土湿式施工所造成的污染。另外，对于已建成的钢结构也比较容易进行改建和加固，用螺栓连接的钢结构还可以根据需要进行拆迁，也有利于环境保护。

3钢结构住宅设计中的问题及策略

3.1在钢结构的设计中，节点设计是钢结构中最为基础，但同时也最为重要的部分，对于整个体系的构建起着相当重要的作用。在节点的设计和建造中要注意节点的可靠性与稳定性，尽量减少甚至是避免现场焊接。

3.2钢结构的特点是轻便、灵活，所以在墙体材料的选择方面，要符合其特点，不适合采用粘土砖等重量较大的材料，而应该采用空心混凝土砌块、加气混凝土和压型钢板与轻质保温材料组成的复合墙体等。这些轻质材料的防水和防渗透能力都比较好，保温效果也很好，施工较为简便，作为建筑墙体的强度也足够。

3.3防腐蚀设计在钢结构设计中占有很重要的地位。对于钢结构的防水防腐蚀问题，主要采取以下措施：（1）对钢材进行表面处理，表面处理分为清洁度处理和涂料处理。为了使防腐涂料能够更好的附着在钢材的表面，在清洁度的处理上通常会采用喷砂处理的方式来提高钢材与涂料的契合度。一般情况下对钢材提供上漆的工序在工厂制造时就能够完成，在钢结构住宅设计中需要注意的是钢材在运输使由于碰撞等问题产生的表面脱落，不同种的底漆涂料可以使钢材在不同的环境条件下得到保护。（2）添加钢材的罩面层。钢材要得到足够的保护，最好是添加一定程度的罩面层，罩面层可以选择用油漆处理，还可以有一定的装饰作用，但是要注意对罩面层进行一定的防火处理。另一种罩面层的材质是使用钢丝网抹灰外包层，这样可以增强钢材的环境耐受能力，以延长钢结构住宅的使用寿命。

3.4钢结构虽然有着各种优点，但作为一种常见的金属，它必须要考虑防火问题，钢材的耐热性比较差，一旦被热源靠近太长时间，就极易产生问题，对钢材的承载能力产生一定的损伤。

钢结构住宅的防火措施可以分为主动防火措施和被动防火措施，主动防火措施一般有防火探测和警报系统、消防喷淋系统等，而被动防火措施则主要在利用各种技术对钢材的防火性能进行强化，一般情况下主要有以下这几种形式：使用外包保护层对钢材进行保护使其耐火性增加的外包法，外包法一般有实体外包如混凝土外包或者板材外包如防火石膏板外包等；利用膨胀材料使钢材在受热时材料产生膨胀，以形成一层耐火保护层；将钢材设计成空心注水也是防火的良好方法，可是这种方法的造价和技术要求都比较高，不适合广泛应用；或者把钢结构屏蔽在耐火材料建造成的墙体中，但是这会导致建筑的有效使用面积有所减少。

4结语

现今，随着城市经济的发展和高层建筑的增多，我国钢结构发展也十分迅速，钢结构住宅作为一种绿色环保建筑，已经开始做为重点推广项目。人们的生活水平越来越高，对钢建筑结构设计也提出了更高的要求。因此，加快新型高强、轻质、环保建材的研究与应用，使建筑结构设计更加安全、适用、可靠、经济是当务之急。

参考文献：

[1]薛发．国内钢结构住宅的墙体发展状况[J]．工程建设与设计，2010（09）

[2]蔡玉春．钢结构住宅产业化的现状与进展[J]．钢结构，2011（01）

[3]姜学诗．钢结构房屋结构设计中常见问题分析[J]．建筑结构，2009（06）

[4]王元清．现代轻钢结构建筑及其在我国的应用[J]．建筑结构学报，2007（02）