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摘 要：介绍了高层钢结构住宅的结构形式和特点,结合钢结构住宅的设计,比较了钢结构住宅与其他结构住宅在经济性和绿色环保方面的优缺点，提出了钢结构在高层住宅上应用的发展方向。
关键词：高层钢结构住宅；结构体系；应用
中图分类号：TU391文献标识码： A
钢结构住宅建筑被誉为21世纪的“绿色建筑”。随着我国经济建设的飞速发展，尤其是在广州、上海、深圳和大连等城市，高层钢结构住宅的态势发展迅猛。根据国内外采用钢结构建造高层住宅的实践经验证明，高层钢结构住宅有着较为明显的特点。
1、高层钢结构住宅常见的结构体系
1.1钢框架结构体系
钢框架结构体系是最常见的，主要依靠梁柱受弯来承受竖向荷载和水平荷载。一般多用于6层以下的建筑，这种体系用于高层建筑经济性较差。钢框架结构体系的特点有:①平面布置灵活，各部分刚度均匀，安装制造都很简单，施工速度快。②自重轻，延性好，具有良好的耗能性能，不易产生应力集中。③框架的抗侧力能力主要取决于梁和柱的受弯能力和刚度，一般采取加大梁、柱的截面的方法。而梁、柱的截面过大会影响住宅居室的家具布置和活动空间。同时节点需要采用刚接或半刚接，使得节点的构造相对复杂，而且属于单一抗侧力体系，在地震时可能会产生较大的破坏。
1.2钢框架—剪力墙结构体系
钢框架-剪力墙结构体系在我国的应用最为普遍，近几年建造的多、高层钢结构住宅较多采用的是这种结构体系。钢框架-剪力墙结构体系是在原有框架基础上，为了增加结构的侧向刚度，防止侧向位移过大，按照整体刚度均匀的原则，设置剪力墙或核心筒来抵抗水平荷载的作用。该体系是在楼梯间或其它适当部位(如分户墙)采用现浇钢筋混凝土剪力墙，作为结构主要抗侧力体系，框架部分主要承担竖向荷载。这样既具有框架结构平面布置灵活、使用方便的特点，又能获得较大的抗侧刚度。
钢结构框架-剪力墙结构体系特点：①侧向刚度较大，易于保证整体刚度及稳定性。该体系传力路径明确、结构分析简单，非常适合于我国目前的技术水平；核心筒布置在电梯间、卫生间，对隔声、防潮以及管道的布置都非常有利；剪力墙对结构的防火、耐火性非常有利，可起到防火墙的作用。②由于剪力墙属于刚性结构，而钢框架属于柔性结构，当遭到强烈地震时，在剪力墙处易产生应力集中，造成局部结构的破坏；现浇混凝土剪力墙虽然整体性好，但是现场湿作业使施工速度减慢，延长施工工期，而且受天气的影响较大。
2、高层钢结构住宅的优点及存在的问题
2.1高层建筑钢结构的优点
2.1.1能够减少建筑中结构所占的面积
针对建于地震区30层～40层的钢筋混凝土结构的高层住宅，其柱截面尺寸常取决于轴压比限值，达到1.8 m×1.8 m～2.0 m×2.0 m，核心筒在底部的壁厚将达0.6 m～0.8 m，以满足结构侧向刚度和层间位移的要求，此两项结构面积约为建筑楼层面积的7％。如果采用钢结构，柱截面将大大减少。核心筒采用钢柱及钢支撑时，包括外侧的装修做法，其厚度仍比筒壁厚度薄很多，相应的结构面积一般约为建筑面积的3％，比钢筋混凝土结构可减少约4％，对业主来讲，将带来不少的经济效益。
2.1.2能够减轻结构自重，降低基础工程造价
一般钢筋混凝土框剪结构的高层建筑，当外墙采用玻璃幕墙或铝合金幕墙板，内墙采用轻质隔墙时，包括楼面活荷载在内的上部建筑结构全部重力荷载约为15kN／m2～17kN／m2，其中梁、板、柱及剪力墙等结构的自重约为10kN／m2～12kN／m2。相同条件下如果采用钢结构，全部重力荷载为10kN／m2～12kN／m2，其中：钢结构和混凝土楼板的结构自重约为5kN／m2～6kN／m2，可见，两类结构的结构自重的比例為2:1，全部重力荷载的比例约为1.5:1，相当于30层高的钢结构高层建筑上部重力荷载，可等同于20层高的钢筋混凝土结构高层建筑。荷载值的很大差异，决定了基础荷载必然减轻，基础技术处理难度及工程造价将大大减小。
2.1.3能够缩短施工工期
钢结构的施工特点是钢构件在工厂制作，在现场安装。在安装时，不需搭设大量的脚手架，同时采用压型钢板可作为混凝土楼板的永久性模板，无需另行支设模板，而且混凝土楼板的施工可与钢结构安装交叉进行，实践证明，钢结构的施工速度比钢筋混凝土结构快20％～30％，相应的施工周期将大大缩短，且获得明显的经济效益。
2.1.4钢结构工程造价明显下降
研究表明，上部高层钢结构(不包括基础及地下室结构在内)的造价，一般为工程造价(全部结构造价及建筑装修、电梯、机电设备等)的l5％～20％，而一般工程造价约为工程总投资(包括拆迁、购地及市政设施增容费用等)的50％～70％，相应上部钢结构造价约为工程总投资的8％～15％。因此，钢结构与钢筋混凝土结构的工程总投资差价约为5％～l0％。同时，还因结构自重减轻而降低基础造价，增加建筑使用面积和缩短施工周期，从而达到提高工程综合效益的目的。
2.1.5钢结构工程环保性能优越
（1）节能：钢结构住宅所采用的建筑材料，大多为节能材料。如墙板中的ALC板，只需100毫米就能达到节能50%的要求，若使用粘土砖墙体，其厚度在华北地区为490毫米，东北地区将高达1020毫米，这使得我国北方采暖约有1/3的热量经外墙传向室外，造成能量的大量损耗。
（2）节材：钢材属于可循环使用的材料，据有关资料显示，美国每年钢产量的68%来源于回收的旧钢材。同时钢结构住宅体系复合墙体系统中大部分材料也可以重复使用，以上两项建材是住宅建筑主要构成材料，因此，钢结构住宅体系十分节约建材。
2.2钢结构住宅工程存在的主要问题：
2.2.1原材料钢材的供应不易落实
目前，国内生产H型钢的厂家有：马鞍山钢铁公司、鞍山第一轧钢厂及莱芜钢铁公司等，生产规格还不齐全，仅适应小批量供应的要求。上海宝山钢铁公司生产符合高层建筑钢结构中柱子及竖向支撑使用的大于40mm钢材，但符合z向断面收缩率规定的厚钢板仍需改进和提高。否则，为使设计方案和所用钢材得到落实，尚需考虑进口钢材，这将带来较大困难。
2.2.2钢结构住宅工程耐火性能差
钢结构在火灾的情况下，构件温度迅速上升，钢材的屈服强度和弹性模量随温度上升而急剧下降。当结构温度达到350℃及500℃时，其强度可分别下降30％～50％。至600℃时结构完全丧失承载能力，变形急剧增大，导致结构倒塌。因此，规范要求喷涂防火涂料进行保护。
2.2.3钢结构住宅工程设计尚需进一步完善
钢结构虽然有较好的延性，但是，由于地震的随机性和实际工程结构的复杂性，时刻潜伏着结构的薄弱和遭受破坏的可能性。地震时难以避免连接节点的开裂、支撑的压屈，甚至发生柱子脆性断裂的现象，因此，尚需进一步完善钢结构设计。
结束语：由于钢结构体系具有自重轻,安装容易,施工周期短,抗震性能好,投资回收快,环境污染少,工程受损或报废后,钢材可再生利用等优点,所以钢结构的发展与应用，反映了一个国家的建筑发展水平,也反映了一个国家的综合经济实力，我国的高层钢结构住宅应用将会越来越广泛。
参考文献 :
[ 1 ] 宁永胜．小高层住宅结构体系分析．郑州大学．2006年
[ 2 ] 汪文波，于卫锋，金波．钢结构住宅产业化分析．国外建材科技．2004
[ 3 ] 张爱兰；建筑钢结构的发展现状[J]；新型建筑材料；2002年10期；
关键词：高层钢结构住宅；结构体系；应用
中图分类号：TU391文献标识码： A
钢结构住宅建筑被誉为21世纪的“绿色建筑”。随着我国经济建设的飞速发展，尤其是在广州、上海、深圳和大连等城市，高层钢结构住宅的态势发展迅猛。根据国内外采用钢结构建造高层住宅的实践经验证明，高层钢结构住宅有着较为明显的特点。
1、高层钢结构住宅常见的结构体系
1.1钢框架结构体系
钢框架结构体系是最常见的，主要依靠梁柱受弯来承受竖向荷载和水平荷载。一般多用于6层以下的建筑，这种体系用于高层建筑经济性较差。钢框架结构体系的特点有:①平面布置灵活，各部分刚度均匀，安装制造都很简单，施工速度快。②自重轻，延性好，具有良好的耗能性能，不易产生应力集中。③框架的抗侧力能力主要取决于梁和柱的受弯能力和刚度，一般采取加大梁、柱的截面的方法。而梁、柱的截面过大会影响住宅居室的家具布置和活动空间。同时节点需要采用刚接或半刚接，使得节点的构造相对复杂，而且属于单一抗侧力体系，在地震时可能会产生较大的破坏。
1.2钢框架—剪力墙结构体系
钢框架-剪力墙结构体系在我国的应用最为普遍，近几年建造的多、高层钢结构住宅较多采用的是这种结构体系。钢框架-剪力墙结构体系是在原有框架基础上，为了增加结构的侧向刚度，防止侧向位移过大，按照整体刚度均匀的原则，设置剪力墙或核心筒来抵抗水平荷载的作用。该体系是在楼梯间或其它适当部位(如分户墙)采用现浇钢筋混凝土剪力墙，作为结构主要抗侧力体系，框架部分主要承担竖向荷载。这样既具有框架结构平面布置灵活、使用方便的特点，又能获得较大的抗侧刚度。
钢结构框架-剪力墙结构体系特点：①侧向刚度较大，易于保证整体刚度及稳定性。该体系传力路径明确、结构分析简单，非常适合于我国目前的技术水平；核心筒布置在电梯间、卫生间，对隔声、防潮以及管道的布置都非常有利；剪力墙对结构的防火、耐火性非常有利，可起到防火墙的作用。②由于剪力墙属于刚性结构，而钢框架属于柔性结构，当遭到强烈地震时，在剪力墙处易产生应力集中，造成局部结构的破坏；现浇混凝土剪力墙虽然整体性好，但是现场湿作业使施工速度减慢，延长施工工期，而且受天气的影响较大。
2、高层钢结构住宅的优点及存在的问题
2.1高层建筑钢结构的优点
2.1.1能够减少建筑中结构所占的面积
针对建于地震区30层～40层的钢筋混凝土结构的高层住宅，其柱截面尺寸常取决于轴压比限值，达到1.8 m×1.8 m～2.0 m×2.0 m，核心筒在底部的壁厚将达0.6 m～0.8 m，以满足结构侧向刚度和层间位移的要求，此两项结构面积约为建筑楼层面积的7％。如果采用钢结构，柱截面将大大减少。核心筒采用钢柱及钢支撑时，包括外侧的装修做法，其厚度仍比筒壁厚度薄很多，相应的结构面积一般约为建筑面积的3％，比钢筋混凝土结构可减少约4％，对业主来讲，将带来不少的经济效益。
2.1.2能够减轻结构自重，降低基础工程造价
一般钢筋混凝土框剪结构的高层建筑，当外墙采用玻璃幕墙或铝合金幕墙板，内墙采用轻质隔墙时，包括楼面活荷载在内的上部建筑结构全部重力荷载约为15kN／m2～17kN／m2，其中梁、板、柱及剪力墙等结构的自重约为10kN／m2～12kN／m2。相同条件下如果采用钢结构，全部重力荷载为10kN／m2～12kN／m2，其中：钢结构和混凝土楼板的结构自重约为5kN／m2～6kN／m2，可见，两类结构的结构自重的比例為2:1，全部重力荷载的比例约为1.5:1，相当于30层高的钢结构高层建筑上部重力荷载，可等同于20层高的钢筋混凝土结构高层建筑。荷载值的很大差异，决定了基础荷载必然减轻，基础技术处理难度及工程造价将大大减小。
2.1.3能够缩短施工工期
钢结构的施工特点是钢构件在工厂制作，在现场安装。在安装时，不需搭设大量的脚手架，同时采用压型钢板可作为混凝土楼板的永久性模板，无需另行支设模板，而且混凝土楼板的施工可与钢结构安装交叉进行，实践证明，钢结构的施工速度比钢筋混凝土结构快20％～30％，相应的施工周期将大大缩短，且获得明显的经济效益。
2.1.4钢结构工程造价明显下降
研究表明，上部高层钢结构(不包括基础及地下室结构在内)的造价，一般为工程造价(全部结构造价及建筑装修、电梯、机电设备等)的l5％～20％，而一般工程造价约为工程总投资(包括拆迁、购地及市政设施增容费用等)的50％～70％，相应上部钢结构造价约为工程总投资的8％～15％。因此，钢结构与钢筋混凝土结构的工程总投资差价约为5％～l0％。同时，还因结构自重减轻而降低基础造价，增加建筑使用面积和缩短施工周期，从而达到提高工程综合效益的目的。
2.1.5钢结构工程环保性能优越
（1）节能：钢结构住宅所采用的建筑材料，大多为节能材料。如墙板中的ALC板，只需100毫米就能达到节能50%的要求，若使用粘土砖墙体，其厚度在华北地区为490毫米，东北地区将高达1020毫米，这使得我国北方采暖约有1/3的热量经外墙传向室外，造成能量的大量损耗。
（2）节材：钢材属于可循环使用的材料，据有关资料显示，美国每年钢产量的68%来源于回收的旧钢材。同时钢结构住宅体系复合墙体系统中大部分材料也可以重复使用，以上两项建材是住宅建筑主要构成材料，因此，钢结构住宅体系十分节约建材。
2.2钢结构住宅工程存在的主要问题：
2.2.1原材料钢材的供应不易落实
目前，国内生产H型钢的厂家有：马鞍山钢铁公司、鞍山第一轧钢厂及莱芜钢铁公司等，生产规格还不齐全，仅适应小批量供应的要求。上海宝山钢铁公司生产符合高层建筑钢结构中柱子及竖向支撑使用的大于40mm钢材，但符合z向断面收缩率规定的厚钢板仍需改进和提高。否则，为使设计方案和所用钢材得到落实，尚需考虑进口钢材，这将带来较大困难。
2.2.2钢结构住宅工程耐火性能差
钢结构在火灾的情况下，构件温度迅速上升，钢材的屈服强度和弹性模量随温度上升而急剧下降。当结构温度达到350℃及500℃时，其强度可分别下降30％～50％。至600℃时结构完全丧失承载能力，变形急剧增大，导致结构倒塌。因此，规范要求喷涂防火涂料进行保护。
2.2.3钢结构住宅工程设计尚需进一步完善
钢结构虽然有较好的延性，但是，由于地震的随机性和实际工程结构的复杂性，时刻潜伏着结构的薄弱和遭受破坏的可能性。地震时难以避免连接节点的开裂、支撑的压屈，甚至发生柱子脆性断裂的现象，因此，尚需进一步完善钢结构设计。
结束语：由于钢结构体系具有自重轻,安装容易,施工周期短,抗震性能好,投资回收快,环境污染少,工程受损或报废后,钢材可再生利用等优点,所以钢结构的发展与应用，反映了一个国家的建筑发展水平,也反映了一个国家的综合经济实力，我国的高层钢结构住宅应用将会越来越广泛。
参考文献 :
[ 1 ] 宁永胜．小高层住宅结构体系分析．郑州大学．2006年
[ 2 ] 汪文波，于卫锋，金波．钢结构住宅产业化分析．国外建材科技．2004
[ 3 ] 张爱兰；建筑钢结构的发展现状[J]；新型建筑材料；2002年10期；