《高层钢结构住宅设计规范(DB33/T 1133—2017)》编制说明

李志飚,李晓良,杨强跃, 任 涛

(1.浙江省建筑设计研究院,浙江 杭州 310006；2.杭萧钢构股份有限公司,浙江 杭州 310012)

高层钢结构住宅建筑是指以钢结构或钢与混凝土混合结构为主要受力结构的高层住宅建筑,简称高层钢结构住宅,属于装配式建筑。钢结构住宅具有自重轻、抗震性能好,主体结构构件占用面积少,得房率高等特点。且易于实现构件工厂制作,装配式施工和信息化管理,工程质量可控,可降低建筑工人的劳动强度,减少建筑垃圾,拆除后钢材可循环利用,减少对环境的不利影响。它符合国家的产业政策,具有广阔的应用前景,因此推广高层钢结构住宅是发展装配式建筑的重要举措。浙江省从事钢结构科研、设计和施工的单位较早系统开展钢结构住宅的相关技术研发和工程应用,形成了系列成套工艺和专有技术,积累了丰富的工程经验。

当前制约高层钢结构住宅应用的原因是多方面的,有用户是否接受的问题,建设成本略偏高的问题,有建设、施工和质量管理人员对相关技术不了解不掌握不熟悉的问题,其中高层钢结构住宅设计涉及的标准多,工程技术人员对填充墙体应用、结构设计和钢结构防护设计等技术不熟悉也是重要的原因。为规范高层钢结构住宅的应用,在广泛调研、系统总结工程实践经验的基础上,遵循国家和浙江省现行标准的相关规定,组织编制的浙江省工程建设地方标准《高层钢结构住宅设计规范(DB33/T 1133—2017)》(以下简称“规范”或“本规范”)于2017年6月施行,规范内容完整,系统性、针对性和可操作性强,必将对浙江省高层钢结构住宅的应用起到积极的推动作用。为便于工程技术人员更好地理解、掌握和应用规范,本文结合规范的相关条文简要介绍了规范的适用范围,重点阐述了规范的主要内容以及编制过程中的一些思考。

1 规范的适用范围

规范适用于采用钢框架结构体系、钢框架-支撑结构体系和钢框架-混凝土剪力墙混合结构体系的高层钢结构住宅的设计,上述三种结构体系是当前高层钢结构住宅采用的主要结构体系,其中钢框架柱可采用钢柱或钢管混凝土柱,钢管混凝土柱截面可为圆形或矩形。高层钢结构住宅除可采用上述三种结构体系外,也可采用钢框架-延性墙板结构[1],延性墙板包括带加劲肋的钢板剪力墙、无粘结内藏钢板支撑墙板和带竖缝混凝土剪力墙等,高层钢结构住宅还可采用箱形钢板剪力墙结构[2]等其他适合高层钢结构住宅的结构体系。当高层钢结构住宅采用的结构体系不符合本规范规定时,其设计和施工应符合国家现行相关标准的规定[1,3]。

规范综合考虑已有的工程实践经验,住宅平面布置的特点,以及钢结构住宅的墙体类型、墙体材料性能以及墙体与主体结构的连接构造等因素,规定高层钢结构住宅适用的最大高度应符合表1的规定。采用钢管混凝土柱的钢框架结构住宅的最大适用高度执行国家标准《钢管混凝土结构技术规范(GB 50936—2014)》[4]的规定。根据行业标准《高层民用建筑钢结构技术规程(JGJ 99—2015)》的规定,虽然采用钢柱的钢框架结构适用的最大高度较表1高,但基于浙江省高层住宅一般为板式住宅,房屋进深不大,综合考虑经济性和舒适度要求本规范仍按表1采用。当房屋高度超过本规范规定的最大适用高度时,应按国家有关标准的规定进行设计,并采取可靠的技术措施。

表1 高层钢结构住宅适用的最大高度 m

说明：1)房屋高度指室外地面到主要屋面板板顶的高度(不包括局部突出屋顶的部分)；

2)钢框架-支撑结构包括钢框架-中心支撑和钢框架-偏心支撑、钢框架-屈曲约束支撑结构；

3)钢框架柱可为钢柱或钢管混凝土柱。

考虑到本规范的部分规定对多层钢结构住宅设计有参考意义,因而本规范没有规定房屋适用高度的下限。

2 规范的主要内容

规范从建筑、结构和建筑设备设计等方面对高层钢结构住宅设计给出了规定,侧重于现行规范规定不明确以及设计人员不太熟悉的墙体设计、楼盖设计和钢结构防护设计等内容,规范还对钢结构主体结构施工提出了要求,规范内容系统完整,针对性和可操作性强。规范共有12章和一个附录,即：总则,术语和符号,基本规定,材料,建筑设计基本规定,墙体设计,结构设计基本规定,钢框架、钢框架-支撑结构设计,钢框架-混凝土剪力墙混合结构设计,楼盖结构设计,钢结构防护设计,主体结构施工等。本文重点介绍墙体设计、结构设计相关规定、钢框架-混凝土剪力墙结构设计、楼盖设计和钢结构防护设计等内容。

2.1 墙体设计

提出适合高层钢结构住宅的墙体材料,以及墙体与主体结构的合理连接构造是本规范的重要内容,也是钢结构住宅应用中的主要难题。规范基于钢结构住宅的特点，国内特别是浙江省的工程实践,明确提出了高层钢结构住宅可采用的外墙和内墙的类型以及相应的连接构造,方便了工程技术人员应用。规范提出高层钢结构住宅的外墙可采用预制墙板、轻钢龙骨轻集料混凝土复合墙,也可采用轻质块体材料填充墙、建筑幕墙或其他适合高层钢结构住宅的墙体；内墙可采用轻质条板隔墙、轻钢龙骨轻集料混凝土复合墙、轻钢龙骨隔墙,也可采用轻质块体材料填充墙或其他适合高层钢结构住宅的墙体。

外墙用预制墙板包括整间墙板和条板,常用的整间墙板有非承重预制混凝土外墙板和预制混凝土夹心保温外墙板等,常用的条板有蒸压加气混凝土条板和轻集料混凝土条板等。轻钢龙骨轻集料混凝土复合墙是一类在施工现场以轻钢龙骨为骨架,两侧覆盖纤维增强水泥板或纤维增强硅酸钙板,通过面板上留置的浇筑孔向空腔内浇筑轻集料混凝土形成的实心复合墙体,轻集料混凝土可采用泡沫混凝土、EPS(聚苯乙烯颗粒)混凝土和陶粒混凝土等。轻质块体填充墙中常用的轻质块体材料包括蒸压加气混凝土砌块、陶粒混凝土砌块等。建筑幕墙包括金属幕墙、石材幕墙和玻璃幕墙等。高层钢结构住宅的外墙也可采用现浇轻集料混凝土墙体,且宜采用铝模施工。

图1 轻钢龙骨轻集料混凝土复合外墙构造

为减轻填充墙在风荷载和地震作用下的损坏,外墙与主体结构宜采用柔性连接,具体可采用外挂或内嵌的形式,内嵌又可采用完全内嵌或部分内嵌的构造。当外墙采用非承重预制混凝土墙板时,预制墙板宜外挂于主体结构,连接节点应具有足够的承载力和适应主体结构变形的能力,并应采取可靠的防腐、防火保护措施。当外墙采用预制条板时,条板与主体结构之间宜采用内嵌构造,当条板采用外挂于主体结构的构造时,应认真研究条板与主体结构的连接。轻钢龙骨轻集料混凝土复合墙可如图1所示内嵌于柱与柱、柱与混凝土墙之间。采用块体材料砌筑的填充墙与框架应采用图2所示的脱开构造,并采取保证墙体稳定的措施,相关构造应符合国家标准《砌体结构设计规范(GB 50003—2011)》和《建筑抗震设计规范(GB 50010—2015)》等标准的规定；对于钢框架-混凝土剪力墙混合结构,轻质块体材料砌筑的填充墙与框架可采用不脱开构造。

2.2 结构设计相关规定

结构设计总体遵循国家相关规范的要求,对现行规范不明确和不具体的相关内容进行了完善和细化,并结合高层住宅建筑的特点和浙江省的自然条件提出了一些更加严格的要求,具有地方特色。鉴于浙江省台风登陆较为频繁,为减轻在风荷载作用下墙体的损坏,本规范对钢框架和钢框架-支撑结构,在风荷载标准值作用下的楼层层间最大水平位移与层高之比的限值提出了比现行规范[1，4]更加严格的要求,即当采用钢柱和钢管混凝土柱时分别取1/300和1/350。表2规定了高层钢结构在风荷载和多遇地震标准值作用下,按弹性方法计算的楼层层间最大水平位移与层高之比的限值,其中钢框架-混凝土剪力墙混合结构的位移控制指标同钢筋混凝土框架-剪力墙结构。结合浙江省住宅建筑进深不大且风荷载对结构影响较大的实际,规定房屋高度不小于80 m的采用钢框架-支撑结构的高层住宅应满足风振舒适度要求,即在国家标准《建筑结构荷载规范(GB 50009—2012)》规定的10年重现期的风荷载标准值作用下,钢框架-支撑结构顶点的顺风向和横风向最大加速度计算值不宜超过 0.20 m/s2。

图2 填充墙与框架的脱开构造

结构类型Δu/h限值风荷载多遇地震钢框架结构、钢框架-支撑结构钢柱钢管混凝土柱1/3001/3501/2501/300钢框架-混凝土剪力墙混合结构1/800

说明：楼层层间最大水平位移以楼层竖向构件最大的水平位移差计算,不扣除整体弯曲变形。地震设计状况下,楼层位移计算可不考虑偶然偏心的影响。

规范规定了采用钢框架结构和钢框架-支撑结构的丙类建筑的抗震等级,以及当框架柱为钢管混凝土柱时,钢管混凝土柱的抗震等级。在表3中给出了采用钢框架-混凝土剪力墙混合结构的丙类建筑的抗震等级。

表3 钢框架-混凝土剪力墙结构的抗震等级

规范细化了荷载(作用)组合工况下的二阶效应判定、假想水平力的计算方法和近似二阶弹性分析方法的应用,方便设计人员使用。计算荷载(作用)组合工况下的二阶效应系数时,至少应考虑风荷载参与组合工况和水平地震作用参与组合工况。

规范给出了高层钢结构住宅采用钢框架结构、钢框架-支撑结构的结构布置原则,钢框架柱、梁和支撑构件的截面选型,节点和构件连接设计的一般要求。规范规定当梁上翼缘与楼板有可靠连接时,固端梁可不在梁下翼缘设置隅撑,而是在距梁端1.5倍梁高处设置与梁翼缘等宽的横向加劲肋,在保证结构安全的前提下避免因在梁下翼缘设置隅撑而影响建筑内部功能,因而较好地解决了钢结构住宅应用中的一个难题。

2.3 钢框架-混凝土剪力墙混合结构设计

钢结构住宅采用钢框架-混凝土剪力墙混合结构,综合利用了钢结构强度高、延性好、自重轻、施工速度快和混凝土结构刚度大、建造成本低、抗火性能好的优点,符合产业政策的要求,是适宜且有市场需要的高层住宅结构形式,可是现行国家和行业标准对钢框架-混凝土剪力墙混合结构的设计要求不够明确,不利于工程应用。规范明确钢框架-混凝土剪力墙混合结构应沿结构两主轴方向布置混凝土剪力墙。规定了地震设计状况时,钢框架-混凝土剪力墙混合结构在规定水平力作用下,结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩的比值应大于10%但不大于50%,当设有支撑框架时,结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩不包括支撑框架承担的地震倾覆力矩。规定了按刚度分配计算得到的对应于地震作用标准值的各层框架部分承担的总剪力的最大值Vf,max要求及框架部分承担的剪力的调整方法。钢框架-混凝土剪力墙混合结构中,按刚度分配计算得到的对应于地震作用标准值的各层框架部分承担的总剪力的最大值Vf,max不应小于结构底层总剪力V0的10%。

当高层钢结构住宅采用钢框架-混凝土核心筒结构时,设计应符合行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3—2010)》等相关标准的规定。

2.4 楼盖设计

规范给出了高层钢结构住宅适宜的楼板类型和设计原则。高层钢结构住宅的楼板宜采用现浇混凝土组合楼板、混凝土叠合楼板,也可采用现浇钢筋混凝土楼板,现浇混凝土组合楼板可采用钢筋桁架组合楼板或压型钢板组合楼板。结构转换层、平面复杂或开洞较大楼层的楼板,以及作为上部结构嵌固部位的地下室顶板宜采用现浇混凝土组合楼板或现浇钢筋混凝土楼板,以保证建筑物结构整体性能和水平力的可靠有效传递。规范规定施工阶段未设置可靠支撑的现浇混凝土组合楼板、混凝土叠合板,应进行施工阶段和使用阶段设计；施工阶段设置可靠支撑的现浇混凝土组合楼板、混凝土叠合楼板,可仅进行使用阶段设计。

钢筋桁架组合楼板施工时无须设置底模且可不设或少设竖向临时支撑,从而减少了现场模板安装、钢筋绑扎的工作量,施工速度快,综合效益好,近年来在钢结构工程中得到广泛应用,但尚未有相应的国家、行业和地方标准。规范参照中国工程建设协会标准《组合楼板设计与施工规范(CECS 273:2010)》[5]的规定,结合浙江省的工程实践,规定了钢筋桁架组合楼板和压型钢板组合楼板的设计要求,并明确钢筋桁架组合楼板宜采用底板可拆卸重复使用的钢筋桁架楼承板。

混凝土叠合板可采用钢筋桁架混凝土叠合板[6]、预制预应力混凝土叠合板、预制平板混凝土叠合板等形式。混凝土叠合楼板的预制板应与钢梁可靠连接,预制板端钢筋宜伸出,板端拼缝现浇混凝土应与钢梁通过圆柱头焊钉等方式可靠连接。

2.5 钢结构防护设计

钢构件和钢与混凝土组合构件的防火、防腐设计是钢结构住宅设计的重要内容,也是钢结构住宅应用的难点之一。常用的钢构件防火保护措施有：外包混凝土或水泥砂浆、砌筑砌体、涂覆防火涂料、包覆防火板、包覆柔性毡状隔热材料等,规范明确当采用涂刷防火涂料进行防火保护时,宜选用厚涂型防火涂料。钢管混凝土柱的防火保护设计可按国家标准《钢管混凝土结构技术规范(GB 50936—2014)》执行。

火灾是偶然事件,火灾引起的荷载属于偶然荷载,应按国家标准《建筑结构荷载规范(GB 50009—2012)》计算荷载偶然组合的效应设计值,规范给出了基于荷载偶然组合的效应设计值的计算方法,钢构件抗火设计应符合行业标准《高层民用建筑钢结构技术规程(JGJ 99—2015)》的规定,为使设计人员更好地理解和掌握钢构件抗火设计的要求,规范给出了钢梁和钢柱的抗火设计算例。

钢结构的防腐蚀设计应遵循安全可靠、经济合理的原则,综合考虑环境腐蚀条件和防腐蚀涂层使用年限,并根据施工和维修条件等因素确定。规范明确钢结构采用防腐蚀涂料涂层保护时,应采用复合涂层,设底涂层和中涂层,并规定了涂层的最小厚度。

3 结 语

在简要介绍浙江省工程建设标准《高层钢结构住宅设计规范(DB33/T 1133—2017)》的编制背景和适用范围的基础上,重点阐述了规程中高层钢结构住宅填充墙体设计、结构设计基本规定、钢框架-混凝土剪力墙混合结构设计以及钢结构防护设计的相关内容,有助于工程技术人员更加深刻理解规范相关条文,更好地掌握和应用该规范。浙江省工程建设地方标准《高层钢结构住宅设计规范(DB33/T 1133—2017)》以现行国家标准为依据,对标准中不明确、不具体的内容进行了完善和细化,结合浙江省工程实践进行了充实,规范体系完整,指标合理、设计方法和应用技术可行,可操作性强,符合浙江实际。《高层钢结构住宅设计规范(DB33/T 1133—2017)》的发布和施行,将对规范浙江省高层钢结构住宅的应用,保证工程质量,推进装配式建筑发展具有重要意义。