鋼—混凝土結構體系住宅的發展前景

鄭州大學土木工程學院 楊衛忠 王 茜

鋼—混凝土結構體系住宅的發展前景

鄭州大學土木工程學院 楊衛忠 王 茜

近年來，我國建筑業發展很快，尤其是住宅產業發展迅速，2010年城鎮新建住宅面積近13億m2。但是，不容忽視的是，目前我國住宅建筑傳統的粗放式生產模式并未改變，技術創新能力弱，資源消耗大，可再生能源利用率低，建筑壽命短，環境負荷重，這些都與國家提出的節能減排和可持續發展的要求還有很大的差距。與傳統的砌體結構、混凝土結構和鋼結構建筑相比，近年發展的鋼-混凝土結構體系建筑則較好地利用了混凝土及鋼結構的優點，為多、高層建筑的發展開辟了一條新途徑。

一、鋼-混凝土結構體系住宅的優勢

1.該體系建筑可充分利用鋼材強度高的特點，結構本身所占面積小，從而提高住宅面積使用率，同時，易于實現住宅的大開間、靈活分割的使用要求。而鋼材延性好，耗能能力強，使得結構具有優良的抗震性能。最重要的是，由于混凝土的存在而提高了結構的剛度和穩定性，并增強了結構的防火性能。

2.可以縮短施工工期，加快資金周轉，投資回報快。與傳統住宅相比，鋼-混凝土結構可以縮短至少1/3的工期。結構的主要構件可以在工廠生產，現場安裝，工業化、商品化程度高，提高了生產效率。

3.現場濕作業少，產生的噪聲污染和建筑垃圾少。鋼-混凝土結構構件易于拆卸，結構使用期滿后，拆除的鋼材可以循環利用，幾乎不產生建筑垃圾。

二、鋼-混凝土結構體系住宅的結構組成

與其他建筑一樣，住宅結構體系主要有豎向承重結構、水平承重結構和圍護結構。

1.豎向承重結構。房屋的豎向承重結構傳遞并承受豎向荷載，主要以鋼管混凝土柱為主。由于鋼管的強度較高而管壁較薄，而管內部的混凝土既可參與受力，又能防止鋼管發生局部屈曲，從而提高鋼管的局部穩定承載力。鋼管對混凝土提供了側向約束作用，使得混凝土的軸向受壓強度要高于一般的單軸抗壓強度，因此，鋼管混凝土柱的承載力要高于鋼管和混凝土的承載力之和。

由于混凝土的熱容量較大，當有火災發生時，一方面，鋼管內澆筑的混凝土能夠吸收熱量，從而延長了鋼管的耐火極限；另一方面，較大截面的混凝土則提供了柱殘余承載力，從而提高其抗倒塌能力。

常用的鋼管截面形狀有圓形、矩形和正方形，比較而言，圓鋼管對管內混凝土的約束能力最好，但其受彎性能及與其他構件的連接不如方鋼管。當考慮住宅建筑的不同受力時，可采用改變截面尺寸或改變鋼管壁厚，對一般的多層或小高層住宅，僅需改變管壁厚度即可，從而便于鋼結構加工與制作。

2.水平承重結構。樓（屋）蓋是鋼-混凝土組合結構體系建筑的水平承重結構，除直接承受和傳遞荷載外，也是豎向承重結構的水平聯系和支撐。因而要求它必須有足夠的強度、剛度和整體穩定性，同時也應使樓板具有自重輕、厚度小、易于施工等特點。常用的形式有壓型鋼板和混凝土組合樓板、輕鋼-混凝土組合樓板、現澆混凝土樓板、裝配式樓板、現澆混凝土疊合樓板等。

采用鋼-混凝土組合樓板可省去樓面模板支撐，從而加快施工速度。肋中可布置設備管線，但用鋼量偏高，且板底一般需要做吊頂。傳統的現澆混凝土樓板雖然整體剛度大、經濟性和耐久性好，但需要支模，而裝配式樓板雖然施工速度快，但其整體性差。最近發展起來的現澆空心疊合樓板則兼有上述樓板的優點。

由于樓板與鋼梁屬于不同性能材料，需要通過剪力連接件將二者組成整體，共同發揮水平承重結構的功能。由于混凝土樓板位于梁的受壓區，當考慮樓板和鋼梁的組合作用時，可增加梁的抗彎剛度而減少結構的層間位移，此外，與不考慮組合作用的純鋼梁相比，還可節約鋼材20%～30%。目前，鋼-混凝土組合樓板和現澆混凝土樓板在國內發展已比較成熟，而現澆空心疊合樓板則剛剛起步。

3.圍護結構。與其他鋼結構建筑一樣，鋼-混凝土結構體系住宅建筑宜采用輕質維護材料。除采用傳統的加氣混凝土空心砌塊外，也可采用輕型組合墻體，如空心玻璃纖維增強水泥外墻板、壓型鋼板加輕型保溫隔層墻體、壓型鋼板夾芯板等。空心石膏砌體也是一種適宜的墻體材料，它不僅自重小、墻體厚度薄，而且還具有隔聲防火、施工便捷等多項優點，是一種低碳環保、健康、符合時代發展要求的新型墻體材料。國際上已公認石膏砌塊是可持續發展的綠色建材產品，在歐洲占內墻總用量的30%以上。

4.屋蓋結構。由于住宅建筑不同于一般的工業廠房，一般采用與樓蓋相同的結構形式，亦可采用輕型桁架加鋪輕質保溫層和彩色壓型鋼板或拱形波紋屋頂。

5.節點連接。在鋼-混凝土結構體系中，節點是其關鍵部位，由于結構主要材料是鋼，因此，鋼結構中梁柱連接形式（剛接和鉸接）可移植到此結構體系中，即采用現行規范中的傳統形式進行設計。需要注意的是，當鋼管混凝土柱的鋼管管壁較薄時，此時要加強節點，如可在節點處的柱子部分局部采用厚壁鋼管，上、下分別與薄壁鋼管相焊接。

三、鋼-混凝土結構體系住宅的發展前景

住宅的工業化和產業化是其發展的必由之路。鋼-混凝土結構體系住宅綜合了鋼結構和混凝土結構的優點，用于多、高層建筑具有施工方便、工期短的特點，同時使結構具有良好的抗震性能和耐火性能。若再有新型墻體和樓板材料相配合，該結構形式將在多層建筑中取代磚砌體而在高層建筑中取代混凝土，從而實現真正意義上的綠色環保建筑。