轻钢住宅结构体系分析

1概述

随着我国城镇化进程的快速发展，必将兴建大量的低层及多层住宅。传统上，这些建筑都采用砌体结构，其施工便捷，造价低廉，易于取材。但其缺点也是显而易见的，砌体结构抗震性能差，破坏环境，这与我国现有的国情及国策相违背。我国钢产量的迅速提升，为在低层住宅中采用钢结构提供了基本保证。

1．1轻钢住宅的优点

轻钢住宅一般指以冷弯薄肇型钢，轻型焊接和高频焊接型钢、轻型热轧型钢、薄钢板、薄钢管及以上各构件拼接、焊接而成的组合构件为主要受力构件，大量采用轻质隔离材料的低层和多层钢结构。与传统结构相比，轻钢住宅具有如下优点：

1)强度高，自重轻，抗震性能高；

2)施工速度快，建设工期短；

3)便于工业化、定型化生产；

4)建筑空间布置灵活，能满足不同住户对住宅的多种功能要求；

5)有利于环保。

1．2轻钢住宅结构体系

1)框架结构。这种体系在低层钢结构住宅中较早得到应用，它构造简单，施工速度快，技术难度小，同时由于低层住宅对水平荷载的要求不高，避开了框架结构弹性刚度差的缺点；梁与柱之间的连接采用刚接，各部分刚度分布均匀。

2)框架支撑结构体系。这种体系是框架结构的延伸，为了增强结构的侧向刚度，减小层间位移，在框架的基础上增加支撑，从而提高了结构的整体刚度，增强了抵抗水平风荷载和地震作用的能力。它的应用范围很广泛，在国外很早就开始应用。

3)轻钢龙骨体系。这种体系是随着钢结构技术的不断成熟而产生的，从目前国外已经应用的轻钢龙骨结构体系来看，它主要分为：冷弯薄壁型钢格构式结构体系和热轧型钢组成的龙骨结构体系。冷弯薄壁型钢格构式结构体系的主承重结构是将工厂预制的冷弯薄壁型钢(C型或z型)在施工现场用螺栓连接形成结构骨架，再封上墙板、楼板、屋面板形成整体住宅，主要在低层住宅中应用，它又分Balloon式和Platform式格构体系。两者的区别是Balloon中的墙支柱在楼板连接处不间断，而Platform式中的墙支柱在楼板连接处断开，上一层的墙支柱支承在下一层的楼板上。轻钢龙骨结构体系在欧洲和北美洲较为成熟并大量应用于低层钢结构住宅。轻钢龙骨结构使钢结构住宅的优点更加突出：高强、自重轻、抗震性能好、可随意拼接、耐久、工业化生产和施工安装速度快等，具有较好的综合经济效益，被广泛

地应用于现代低层钢结构住宅中。

2低层轻钢骨架住宅的设计

本文所提及的低层轻钢骨架住宅，主要是指Platform式格构体系。在欧洲及北美地区，此体系大量应用于三层及以下的住宅中，并且由于具有完善的设计表格，其设计、施工都相当简单、便捷；在我国，轻钢骨架住宅处在推广阶段，其设计方法以参考国外规范及设计表格为主。

2．1轻钢骨架房屋受力特征分析

Platform式格构体系轻钢骨架的构成要素是龙骨一面一体；每一个体完成一个或数个建筑功能，体与体从受力体系上看，轻钢骨架房屋的竖向分体系

是以龙骨为特征的柱、梁；水平分体系是以夹板为特征的楼板、墙；荷载的传递路线如图1所示(此处，楼板作为刚性楼板，起到将水平荷载在各抗侧力构件间按刚度进行分配的作用)。之间不应有结构上的交叉。

从受力特征上看，轻钢骨架房屋属于剪力墙结构体系。传统的剪力墙是由混凝土浇筑或由单块砌块砌筑而成；而轻钢骨架中的剪力墙是由龙骨、夹板及螺钉连接而成，通过螺钉的连接，保证了龙骨与夹板的共同作用。在这个体系中，柱和墙是无法截然分开的，很难弄清楚在承受竖向荷载或是水平荷载的过程中，墙板和柱各分担了多大比例；但是，有理由相信，有夹板的柱子，其承受竖向荷载的能力要高于没有夹板的柱子，而有了龙骨的墙体，其承受水平荷载的能力也高于没有龙骨的夹板。

从连接上看，轻钢骨架房屋的连接均为柔性连接，每个连接点、每个构件，所允许的变形能力都足够的大，而且，由于连接点很多，单个连接点的失效对结构的整体性能是微乎其微的，这样的结果使得在地震及特殊情况下，其倒塌概率很低；对抗震非常有利。

2．2轻钢骨架房屋设计过程分析

在我国，由于缺乏必要的设计表格及设计软件，所以，设计基本上依赖于国外图标及规范标准。由于国外标准与我国规范的差异性，其设计文件在我国是901—不合法的，我国虽然已在《钢结构住宅》中对轻钢骨架房屋有所提及，但对于与图集有出入的建筑，仍然无法得到合理的设计。此处，笔者试图利用我国现有的设计规范，对轻钢住宅进行合理、安全的设计。

2．2．1基本假定

1)楼板在平面内是刚性的；

2)竖向荷载由龙骨单独承担，夹板为其平面外稳定提供保证；

3)水平荷载由墙体单独承担；墙体平面外刚度不予考虑；

4)水平荷载产生的弯矩由墙体端部龙骨通过拉压作用承担。

2．2．2设计原则

1)保证各面内竖向龙骨的相互对应，确保竖向荷载的传递路线；

2)水平龙骨(梁)与竖向龙骨相互对应，在自身平面内形成铰接框架体系；

3)地震荷载采用底部剪力法进行计算。

2．2．3设计方法

有了上述假定及基本原则，就可以根据我国的相关规范进行设计。

竖向龙骨的设计：竖向龙骨按轴压柱进行设计。在龙骨位置，螺钉距离一般要求小于300 mm，根据AISI设计标准，其计算长度可取2倍的连接件距离，即600mm；在强轴方向，其计算长度即为龙骨长度。

水平龙骨的设计：水平龙骨按照梁进行设计。由于有夹板密铺在梁的上方，设计中可以不考虑梁的稳定性；对于屋顶梁在风吸力作用下的设计，若龙骨下翼缘无铺板，应考虑其扭转屈曲，以防止其侧向失稳。

墙体的设计：墙体(均指承重墙体)要承担由楼板分配来的水平荷载，如同其他的结构体系一样，对墙体长度及开洞大小有一定的要求。当墙体开洞较大时，应不考虑该墙体的水平承载力，此时可采用单柱承受竖向载荷(摇摆柱)；墙体距离应满足规范要求，以确保刚性楼板的假定。对于开洞墙体，可以假定墙体有效高度等于总高度减去平行于受力方向的所有洞口或非结构板尺寸的总和。对于墙体所能承受的剪力，我国规范尚无具体规定，在AISI标准中，采用5398N／m的允许荷载来确定剪力墙的要求；上述承载能力是在如下前提下得到的：

边缘构件的设计：在整个蒙皮体系(墙体，楼板)中，边缘构件的设计及构造是非常重要的，这是因为荷载在蒙皮面内将产生剪力和弯矩，剪力在墙体设计中已经得到解决，弯矩则由端部边缘构件的拉压作用进行平衡；在抗震设计中，边缘构件的设计可以根据墙体所能承受的最大剪力进行设计，确保边缘构件的安全性。

连接的设计：连接采用自攻螺钉连接，螺钉承受剪切力和拉力。

3低层轻钢住宅在我国的推广及应用

3．1轻钢住宅推广的必要性

 由于采用了较薄的钢板，并且充分利用了蒙皮效应和钢构件的屈曲后强度，用钢量为30～40 kg/m2；而且，其优秀的抗震能力使其非常适合在我国应用，尤其在广大的农村地区；而我国传统的砖石结构，虽然造价低廉，但其抗震能力较差，同时对耕地破坏严重，这与我国可持续发展的国策是相违背的；而推广轻钢住宅，可以有效地解决上述问题。

3．2推广轻钢住宅所面临的问题

在我国，推广轻钢住宅仍然面临许多难点，主要有以下几个方面：

1)缺乏必要的规范及设计表格，设计难度大；

2)缺乏与之配套的造价低廉的结构板材；

3)民众的可接受程度有待提高。

3．3前景及展望

轻钢骨架体系所具有的多项优点，在国家的政策引导下，通过各相关部门的努力，充分借鉴国外低层住宅的制造经验嘲，进一步完善节点设计及施工方法，轻钢骨架住宅体系必将取代传统的砖石体系，成为小城镇建设及农村建设的主力军。