多层轻钢结构住宅体系及设计要点

邓文静

摘要：介绍了影响钢结构住宅耐久性的两个重要因素，即耐腐蚀性和耐火性，以及防腐、防火设计的机理和常用方法。

关键词：钢结构；耐久性；防腐；防火

1 前言

近年来，在我国出现的钢结构住宅建筑形式有：普通钢结构住宅工程、国外引进的冷弯薄壁型钢低层住宅工程，还有自主研发的轻钢框架配套复合保温墙板的低层和多层钢结构住宅工程等等。

对低、多层住宅，目前国内外常用的轻钢结构体系主要有： 冷弯薄壁型钢体系和轻型钢框架体系。冷弯薄壁型钢体系轻钢构件通常由不同厚度的薄钢板冷弯滚压成型，通常截面形状为C型和槽型。轻型钢框架体系一般是指由H型、异形截面的型钢、方（或矩、圆）形钢管组成的纯框架及框架—支撑结构体系，楼板一般采用压型钢板组合楼盖等轻质楼板，并利用墙体在水平力作用下的抗侧力等有利因素，以达到减轻结构自重，节省用钢量的目的。

2 轻钢结构住宅的优势

近百年来，建筑钢材的应用已遍及世界，由于其强度高、塑性韧性好、重量轻等优点，初期主要用于高层建筑和桥梁建筑，随着我国国民经济的日益发展，从1949年的几十万吨到1998年的上亿吨，钢结构在住宅及轻重型钢结构厂房领域的发展极其迅速，越来越多的建设方开始认识到钢结构住宅的优越性，综合起来主要有以下几个方面：

1）钢构件强度高、塑性韧性好、自重轻，在地质条件较差的地区可以大大减少基础造价。

2）制作简便，施工周期短，可以缩短投资资金的占用周期，而且由于其连接特性，易于加固、改建、拆迁，更能保证资金的投资效益。

3）产业化、机械化的生产模式。钢构件制作产业化、相应配套技术可以在工厂完成制作；施工机械化，准确度及精密度更能保证产品质量。

4）从设计理念上讲，相比传统结构，可以更好的实现建筑大开间，适应灵活分隔的要求。

5）轻钢墙体自重轻，保温隔热性能比一般建筑砌体要优越得多，节能效果好；

6）绿色、环保，符合国家可持续性发展的要求。

3 轻型钢结构住宅体系

《轻型钢结构住宅技术规程》（JGJ209-2010）是我国第一部关于钢结构住宅的技术规程，对以轻型钢框架为结构体系，及配套轻质墙体、轻质楼板、屋面建筑系统，层数不超过6层的非抗震设防、抗震设防烈度为6～8度的轻型钢结构住宅的设计、施工及验收提供了标准及依据。

3.1 主要构件设计

轻型钢结构住宅的结构体系根据建筑层数和抗震设防烈度可选用轻钢框架体系，轻型钢框架一支撑体系或冷弯薄壁型钢体系。目前国内在多层钢结构住宅建筑中常采用轻钢框架体系。它的特点是可以做成大开间，充分满足建筑布置上的要求。

轻钢框架体系中，柱子可采用轧制H型钢、高频焊接或普通焊接H型钢、冷轧或热轧成型的钢管或冷弯型钢组合断面（两层以下），也可以采用钢异形柱（如图1）。主粱、次粱一般均采用热轧或焊接H型钢。

图1 钢异形柱

钢结构住宅的大开间设计使得框架柱在两个方向都可能承受较大的弯矩，因此对于轴压比较大，双向弯矩接近，梁截面较高的框架柱常采用双轴等强的钢管柱。

适用于低层住宅的冷弯薄壁型钢体系为板肋体系，楼面托梁、板肋墙体内的承重与非承重龙骨常采用C型冷弯薄壁型钢。

3.2 梁柱节点设计

轻型钢结构体系的梁柱连接节点，按梁对柱的约束刚度，一般可分为三类：铰接连接、刚性连接、半刚性连接，纯钢框架的梁柱节点由于结构受力特点一般应采用刚性连接。

钢结构梁柱连接的连接方法，主要有焊接连接、高强度螺栓连接和栓焊混合连接，具体讲主要有三种：（1）全焊接型节点，梁翼缘现场坡口全熔透焊缝，腹板现场围焊缝连接，螺栓起定位作用；（2）梁翼缘现场坡口全熔透焊缝、腹板摩擦型高强螺栓连接型节点；（3）全螺栓型节点，梁的翼缘、腹板均采用摩擦型高强螺栓与柱连接。

轻钢框架中常用的钢管柱与 H 型钢梁的刚性连接可采用柱带悬臂梁段式连接、柱横隔板贯通式节点。对小截面的方、矩形钢管柱，在梁柱连接节点处，当不方便加焊内横隔板时，可以采用外套筒式的节点加强方法进行梁柱连接。

梁柱刚性连接节点在设计中，其受力状态应满足：

1）在梁端弯矩和剪力共同作用下承载力满足设计要求。

2）保证梁翼缘与柱连接部位，不能产生局部破坏；并根据柱子截面特性设置相应的加劲肋或水平加劲隔板。

3）由柱翼缘板和水平加劲肋或水平加劲隔板所包围的节点板域，在弯矩和剪力共同作用下，其承载力和变形能力要满足现行国家规范的相应要求。

4）梁柱连接节点在抗震设计或按塑性设计的结构中，需保证梁或柱的端部在形成塑性铰时，该节点具有充分的转动能力。

3.3 楼板及围护结构

轻型钢结构住宅的楼板应采用轻质板材，如钢丝网水泥板、定向刨花板、轻骨料圆孔板、配筋的加气发泡类水泥板等预制板材，也可部分或全部采用现浇轻骨料钢筋混凝土板。对钢丝网水泥板或定向刨花板等轻质薄型楼板与密肋钢梁组合的楼板结构，在计算分析时，应根据实际情况对楼板平面内刚度作出合理 的计算假定。

墙体的材料是节能建筑的关键。根據我国国情，建议轻钢住宅的围护材料采用以普通水泥为主要原料的复合型多功能预制轻质条形板材、轻质块体或轻钢龙骨复合保温墙体等。国外研究证明，由轻钢住宅外墙体所导致的热能耗散（传递），可通过在轻钢龙骨外侧增加保温板来控制，其效率比加厚隔热层要有效得多。围护材料产品的干密度不宜超过800kg/m3，并以条形板为宜，便于施工安装。以保温为主要目的外墙板或屋面板，应选用密度较小的复合保温板材；以隔热为主要目的外墙板或屋面板，应选用密度较大的复合保温板材。

3.4 轻钢住宅的防护

轻型钢框架体系承重钢结构的寿命取决于防腐涂装施工质量，涂层的防护作用程度和防护时间长短取决于涂层质量，而涂层质量受到表面处理（除锈质量）、涂层厚度（涂装道数）、涂料品种、施工质量等因素的影响。在钢结构设计文件中应明确规定钢材除锈等级、除锈方法、防腐涂料（或镀层）名称、及涂（或镀） 层厚度等要求。除锈应采用喷砂或抛丸方法，除锈等级应达到Sa2.5，不得在现场带锈涂装或除锈不彻底涂装。

对于冷弯薄壁型钢体系，其表面镀锌量是一个重要指标，根据结构重要性及年限，规范规定的镀锌量会相应不同。与常用表层涂料防锈不同，冷弯薄壁型钢体系轻钢构件一般通过镀锌或镀铝锌合金以达到防锈的目的。金属表面（镀锌或铝锌合金层）可通过自身氧化来保护钢材施工及使用过程中都不会锈蚀。

轻型钢结构住宅主体钢结构耐火等级：低层住宅应为四级，多层住宅应为三级。随着建筑科学技术的发展，多种轻型墙板、楼板结构的防火性能都有了较大的提高，国外有研究机构研究结果表明：由轻钢龙骨及保温材料、石膏板组成板肋体系，其耐火极限可以满足现行规范要求，且加厚石膏板可以较大程度提高墙体板材的耐火极限。

4 结语

轻钢结构住宅由于其强度高、塑性韧性好、自重轻、绿色、环保，虽然当前造价略高，但它符合国家住宅产业化的要求，符合可持续发展战略。随着国家住宅产业化发展与成熟，配套材料的完善，实现本地化生产，进一步降低钢结构住宅造价，继续关注钢结构的防护耐久性问题，从而使得轻钢结构住宅的推广应用具有现实可行性。