钢—混凝土结构体系住宅的发展前景

郑州大学土木工程学院 杨卫忠 王 茜

钢—混凝土结构体系住宅的发展前景

郑州大学土木工程学院 杨卫忠 王 茜

近年来，我国建筑业发展很快，尤其是住宅产业发展迅速，2010年城镇新建住宅面积近13亿m2。但是，不容忽视的是，目前我国住宅建筑传统的粗放式生产模式并未改变，技术创新能力弱，资源消耗大，可再生能源利用率低，建筑寿命短，环境负荷重，这些都与国家提出的节能减排和可持续发展的要求还有很大的差距。与传统的砌体结构、混凝土结构和钢结构建筑相比，近年发展的钢-混凝土结构体系建筑则较好地利用了混凝土及钢结构的优点，为多、高层建筑的发展开辟了一条新途径。

一、钢-混凝土结构体系住宅的优势

1.该体系建筑可充分利用钢材强度高的特点，结构本身所占面积小，从而提高住宅面积使用率，同时，易于实现住宅的大开间、灵活分割的使用要求。而钢材延性好，耗能能力强，使得结构具有优良的抗震性能。最重要的是，由于混凝土的存在而提高了结构的刚度和稳定性，并增强了结构的防火性能。

2.可以缩短施工工期，加快资金周转，投资回报快。与传统住宅相比，钢-混凝土结构可以缩短至少1/3的工期。结构的主要构件可以在工厂生产，现场安装，工业化、商品化程度高，提高了生产效率。

3.现场湿作业少，产生的噪声污染和建筑垃圾少。钢-混凝土结构构件易于拆卸，结构使用期满后，拆除的钢材可以循环利用，几乎不产生建筑垃圾。

二、钢-混凝土结构体系住宅的结构组成

与其他建筑一样，住宅结构体系主要有竖向承重结构、水平承重结构和围护结构。

1.竖向承重结构。房屋的竖向承重结构传递并承受竖向荷载，主要以钢管混凝土柱为主。由于钢管的强度较高而管壁较薄，而管内部的混凝土既可参与受力，又能防止钢管发生局部屈曲，从而提高钢管的局部稳定承载力。钢管对混凝土提供了侧向约束作用，使得混凝土的轴向受压强度要高于一般的单轴抗压强度，因此，钢管混凝土柱的承载力要高于钢管和混凝土的承载力之和。

由于混凝土的热容量较大，当有火灾发生时，一方面，钢管内浇筑的混凝土能够吸收热量，从而延长了钢管的耐火极限；另一方面，较大截面的混凝土则提供了柱残余承载力，从而提高其抗倒塌能力。

常用的钢管截面形状有圆形、矩形和正方形，比较而言，圆钢管对管内混凝土的约束能力最好，但其受弯性能及与其他构件的连接不如方钢管。当考虑住宅建筑的不同受力时，可采用改变截面尺寸或改变钢管壁厚，对一般的多层或小高层住宅，仅需改变管壁厚度即可，从而便于钢结构加工与制作。

2.水平承重结构。楼（屋）盖是钢-混凝土组合结构体系建筑的水平承重结构，除直接承受和传递荷载外，也是竖向承重结构的水平联系和支撑。因而要求它必须有足够的强度、刚度和整体稳定性，同时也应使楼板具有自重轻、厚度小、易于施工等特点。常用的形式有压型钢板和混凝土组合楼板、轻钢-混凝土组合楼板、现浇混凝土楼板、装配式楼板、现浇混凝土叠合楼板等。

采用钢-混凝土组合楼板可省去楼面模板支撑，从而加快施工速度。肋中可布置设备管线，但用钢量偏高，且板底一般需要做吊顶。传统的现浇混凝土楼板虽然整体刚度大、经济性和耐久性好，但需要支模，而装配式楼板虽然施工速度快，但其整体性差。最近发展起来的现浇空心叠合楼板则兼有上述楼板的优点。

由于楼板与钢梁属于不同性能材料，需要通过剪力连接件将二者组成整体，共同发挥水平承重结构的功能。由于混凝土楼板位于梁的受压区，当考虑楼板和钢梁的组合作用时，可增加梁的抗弯刚度而减少结构的层间位移，此外，与不考虑组合作用的纯钢梁相比，还可节约钢材20%～30%。目前，钢-混凝土组合楼板和现浇混凝土楼板在国内发展已比较成熟，而现浇空心叠合楼板则刚刚起步。

3.围护结构。与其他钢结构建筑一样，钢-混凝土结构体系住宅建筑宜采用轻质维护材料。除采用传统的加气混凝土空心砌块外，也可采用轻型组合墙体，如空心玻璃纤维增强水泥外墙板、压型钢板加轻型保温隔层墙体、压型钢板夹芯板等。空心石膏砌体也是一种适宜的墙体材料，它不仅自重小、墙体厚度薄，而且还具有隔声防火、施工便捷等多项优点，是一种低碳环保、健康、符合时代发展要求的新型墙体材料。国际上已公认石膏砌块是可持续发展的绿色建材产品，在欧洲占内墙总用量的30%以上。

4.屋盖结构。由于住宅建筑不同于一般的工业厂房，一般采用与楼盖相同的结构形式，亦可采用轻型桁架加铺轻质保温层和彩色压型钢板或拱形波纹屋顶。

5.节点连接。在钢-混凝土结构体系中，节点是其关键部位，由于结构主要材料是钢，因此，钢结构中梁柱连接形式（刚接和铰接）可移植到此结构体系中，即采用现行规范中的传统形式进行设计。需要注意的是，当钢管混凝土柱的钢管管壁较薄时，此时要加强节点，如可在节点处的柱子部分局部采用厚壁钢管，上、下分别与薄壁钢管相焊接。

三、钢-混凝土结构体系住宅的发展前景

住宅的工业化和产业化是其发展的必由之路。钢-混凝土结构体系住宅综合了钢结构和混凝土结构的优点，用于多、高层建筑具有施工方便、工期短的特点，同时使结构具有良好的抗震性能和耐火性能。若再有新型墙体和楼板材料相配合，该结构形式将在多层建筑中取代砖砌体而在高层建筑中取代混凝土，从而实现真正意义上的绿色环保建筑。