高层钢结构住宅结构体系优缺点分析

丘崇鑫(美建建筑系统（中国）有限公司,

高层钢结构住宅结构体系优缺点分析

丘崇鑫(美建建筑系统（中国）有限公司,广州 510000）

分析了钢框架结构体系、钢框架—支撑结构体系、钢结构框架——混凝土剪力墙结构体系、交错桁架结构体系、钢框架—核心筒体系，为钢结构在高层住宅建筑应用提供了一定的参考。

钢结构；住宅建筑；结构体系

进入二十一世纪以来，我国建筑业随着经济与科技的水涨而船高，住宅产业占国民经济增长的相当重的比例，是我国的支柱产业。钢结构技术与工艺的发展也加速了住宅引入了建设住宅，并以其工业化程度高、施工方便快速、自重小抗震优、外形美观、环境污染少、投资回收快等等优点快速形成产业。近年来，建设部有关部门推出钢结构住宅体系相关的规范与标准，各地出现了大量的钢结构住宅试点工程，使钢结构多理论走向实践，客观上促进了钢结构住宅的健康发展。

1 钢框架结构体系分析

钢框架结构体系是目前被建筑使用最多、应用最广的结构形式，通常采用刚接梁柱的节点，梁柱受弯可以很好地将水平与竖向荷载承受起来。这种体系具有结构简单、抗震能力强、具有良好的延性、不容易产生应力 集中、制作安装简单、受力灵活、容易施工优点等等。但这种纯框架体系要较大的梁柱截面才能抵抗得了侧向力，这就注定了它应用于高层建筑经济性较差，多见于6层以下的多层建筑，住宅建筑一般在10层以下，在地震频发的地区最高也不能超过15层。比较有代表性的工程有瑞典首都斯德哥尔摩的朗茨克鲁纳单户房屋、北京长富宫中心工程、江苏江阴京轻钢房屋公司实验楼、济南艾菲尔花园等等。

2 钢框架—支撑结构体系分析

这种结构是建立在钢框架结构体系的基础之上，向房屋的横向或者纵向布置一定数量的竖向支撑保证建筑的受力结构，在力学结构上形成新的建筑结构体系。原则上，钢框架—支撑结构体系是采用刚性连接。当然也有假设条件，如果在非抗震区和6度设防区，对于连接就另当别论。根据工程的实际，在某些部分采用铰接。这种结构在水平荷载的作用下，搂板形变与刚接框架的作用力全部加在支撑框架身上，从而生产了新的结构体系，这种结构体系具有双重搞侧力的特点，相对于基础框架，具有超起性，成为了抗震的首道防线，在抗侧度上比纯钢框架体系高出许多，可以适合于高层的钢结构住宅。

支撑结构有中心支撑和偏心支撑之分，它他们区别在于柱汇交于一点时有没有出现偏心现象。中心支撑结构具有侧向刚度大、结构简单、水平侧移小、内力分布科学的特点，偏心支撑体系利用支撑中心线偏离梁柱交点，可以在中等以下的地震中保持结构处于弹性，刚度大，耗能梁段可以吸收大部分地震发出的能量，这对于保障在地震发生后受力构件不失效具有十分重要的意义，进一步说明该结构很具有延性。其缺点主要体现节点构造复杂；建筑整体的美观比较差；在钢支撑下只能采用砌筑形式，用轻型砌块而不能使用墙板，对于土建方面有一定的限制；支撑还会影响门、窗的洞口布置，在建筑整体的布局显示起到消极的阻碍作用。

3 钢结构框架——混凝土剪力墙结构体系分析

钢结构框架——混凝土剪力墙结构体系是在钢框架体系的基础上，按照整体刚度均匀的原则，通过设置部分剪力寺而将框架与混凝土全二为一，相互补充，互相促进，达到防止侧向位移过大，增加结构侧向刚度的目的。这种结构体系的优点在于核心筒布置成卫生间、电梯间，非常适合管道布置、防潮、隔声；侧向刚度大，可以有效保护稳定性与整体刚度；这种结构具有较好的耐火性，对于防火作用非常大，有“防火墙”之称。其缺点在于当发生强烈地震时，剪力墙利用其刚性结构特点，能生产应力集中，破坏局部结构。为了减少混凝土剪力墙平面弯矩和钢框架与混凝土墙轴向压缩变形引起的附加内力，只要整体刚度能满足规范要求，框架梁与混凝土一律采用铰接，反之即使用刚接。

4 交错桁架结构体系分析

交错桁架结构体系就由美国麻省理工大学于二十世纪六十年代时期提出，并且于1986年应用于美国新泽西州大西洋城，建造出43层、100米以上的国际旅游饭店。交错桁架结构体系不失为一种较好的钢结构住宅结构体系，与普通钢框架结构相比，无论在力学特性还是在建筑功能上，都具有他的优越性。其基本结构是由柱子、钢桁、平面和楼面板组成的，柱子沿着房屋周边布置，桁架在相信柱子上下层交错布置，中间无柱，在相邻的桁架下弦搁置另一端，适用于15～20层建筑住宅。

交错桁架结构体系优点在于：（1）桁架隔层的布置，使得桁架弦杆引起的弯矩得以有效的减小，柱在框架平面内的弯矩也不大，轴力是主授力，框架柱断面可以缩小。由于楼板可以直接与桁架的上下弦杆相连的，楼盖体系在没有楼面梁格的情况下显得简洁，而且减轻自重。交错桁架结构采用小柱距即可以获得非常可观的空间。对于桁架与梁、柱的连接，为进一步简化节点构造，使其工作量减轻，还可采用铰接方案。 （2）交错桁架结构体系能满足建筑上大开间的要求，使得建筑平面自由布置更加便捷。采用短跨楼板和小柱距，可以达到减少楼板厚度，减轻结构自重的目标。（3）交错桁架结构体系的构件都是以承受轴向力为主，充分利用结构材料强度，节约钢村的使用，具有良好的经济性。其缺点在于：它和中心支撑的钢框架在地震力的作用下都难以支撑，腹杆构件容易出现非弹性变形，刚度和承载力都会突然减少。

5 钢框架—核心筒体系分析

钢框架—核心筒体系是以热扎H型钢框架与楼梯间、电梯间、卫生间等组成四周全封闭的现浇钢筋混凝土核心筒结合组合结构，具有核心筒抗侧移刚度极强、结构受力分工明确、防水性能较好等特点。造价介于钢结构和钢筋混凝土结构之间，比钢框架结构侧向金刚度要大，比钢筋混凝土的施工速度要快，钢筋混凝土结构的结构面积要小。其缺点钢框架—核心筒体系误差比钢结构大，抗震性能及适当的层位位移限值还不够科学、合理，一旦地震致混凝土核心筒裂开时，结构风度减少，加重钢框架的剪力，抗侧力体系负担沉重。

[1]阎兴华.浅析钢结构住宅的结构体系[J].北京建筑工程学院学报，2004（02）.