由四川汶川大地震到钢结构住宅的应用与推广

2022-09-13

2008年的“5.12”汶川地震发生在青藏高原东部的龙门断裂带上, 这次千年不遇的特大地震震源深度浅、裂度大、危害范围广, 造成了数以万计的房屋倒塌及其他次生灾害, 导致重大的人员伤亡和财产损失, 并引发了社会各界对住宅安全、抗震性能的思考。

调查表明, 在“5.12”特大地震中, 不同类型的房屋结构对地震灾害的抗御能力明显不同, 其中大开间、外走廊等建筑样式的砖混结构房屋震害最为严重, 木结构因其具有“柔性连接”的特点, 在地震中损坏稍轻, 而钢结构建筑物在此次地震灾害中则表现了出较好的抗震性能, 在震后重建中, 越来越受到关注和认可。

1 钢结构住宅及其结构特点

钢结构住宅是指以钢结构作为承重骨架, 以轻体材料作为屋面材料、维护以及分隔结构的住宅样式。由于其生产方式是在工厂加工制作构件, 再到现场组装, 易于实现标准化的设计、批量化的生产以及机械化的施工, 符合现代工业产业化的要求。

钢结构住宅建设的住宅特点是自重轻、强度高、施工速度快, 抗震性能好。由于钢结构住宅的构件具有较高的韧性和延性, 变形能力较强, 在地震灾害中能够尽可能地吸收地震能量, 减少其对建筑物的危害。围护结构完工后, 其与主体结构形成的“板肋结构体系”可以有效地分解建筑物自重的集中荷载, 使住宅更加坚固。钢结构住宅中的隔震减震技术, 也可以有效地避免地震能量传向住宅本身, 减少其对建筑物的影响。

钢结构住宅的结构构件尺寸小、安装方便, 受气候条件的影响相对较少, 施工速度明显快于其他建筑结构, 降低了经济成本和时间成本, 缩短了工期。由于钢结构住宅一般采用可反复利用的环保绿色材料, 对环境的污染少, 符合国家可持续发展战略的要求。此外, 钢结构住宅的外形美观、空间布置灵活多样, 对美化居住环境也具有重要的作用。

2 钢结构住宅的分类及应用范围

钢结构住宅因其所采用的材料不同, 可分为纯钢结构、组合结构和混合结构等类型, 每种类型都具有不同的优势, 同时也都存在着一些不足, 具有不同的应用范围, 现举例如下。

2.1 纯钢结构体系

2.1.1 钢框架结构体系

这种结构的特点是使用钢梁和钢柱以节点的刚性连接形成框架结构体系, 其优点是空间大、布置灵活, 具有很好的抗震延性, 且施工简单, 不足之处是侧移刚度小, 因此需要抵抗侧向力的梁柱截面较大。一般情况下, 应用于6层以下的多层建筑。

2.1.2 钢框架—钢板剪力墙体系结构

钢框架—钢板剪力墙体系结构的钢板安装在一跨或多跨全高范围内, 与周围钢梁、钢柱形成钢板剪力墙。其中竖直向力的作用主要由框架柱承受, 水平向力主要由钢板剪力墙承担。此结构的优点是自重较小, 使用空间大, 基础费用低, 梁柱节点较能满足延性要求, 但用钢量较大, 主要应用于多层住宅或小高层住宅的建设中。

2.1.3 钢框架—钢支撑体系结构

钢框架—钢支撑体系结构一般在纯钢框架的某些跨间设置抗侧力构件作为纵向支撑, 主要用来支持水平剪力, 竖向荷载由铰接或半刚接的梁柱承受。此结构的优点在于在减少用钢量的同时加强了双向的抗震作用, 抗侧力的能力也有所加强, 缺点在于斜向支撑较不利于门窗洞的布置。此结构一般用于非地震区的多层及小高层住宅建设。

2.1.4 交错桁架结构体系

交错桁架结构是由柱子、桁架和楼板组成的, 桁架高度等于楼层高, 跨度等于房屋总宽度。主要由楼板传至相邻桁架的斜腹杆承受水平力, 楼层间的柱子主要承受轴力。其主要优点在于:室内无柱, 布置灵活, 不需设楼面梁格, 降低层高, 节约造价;此外, 柱、桁架预先在工厂制作, 现场安装简便迅速。其主要缺点在于桁架不利于门窗布置及人流安排, 且抗震性能待进一步研究。交错桁架结构一般应用于住宅、办公楼、旅馆、公寓等中高层住宅中。

2.1.5 轻钢龙骨结构体系

轻钢龙骨结构一般由柱、梁、天龙骨、地龙骨及中间腰支撑通过配套扣件和加劲件用自攻锣钉连接而成。柱子与上下龙骨及支撑或隔板组成受力墙壁, 竖向力由楼面梁传至墙壁的天龙骨, 再通过柱子传至基础;水平力由作为隔板的楼板传至受力墙壁再传至基础。这种结构除具有交错桁架结构中施工快、布置灵活等优点外, 还有良好的保温性能, 但不能满足强震区高层建筑抗震的要求, 且耐火性能较差, 一般用于中低层住宅或别墅。

2.2 组合结构体系

组合结构是指由两种以上材料组成的构件, 以钢管砼柱为例:钢管砼柱结构是在钢管中浇筑砼进而形成钢管混凝土柱的一种结构, 具有良好的抗压、抗剪性以及防火的能力, 且施工时可省略模板, 施工速度快, 经济效果好, 但对高强度混凝土及钢材的要求较高, 一般应用于高层及小高层住宅中。

2.3 混合结构体系

钢框架—混凝土核心筒混合结构体系是混合结构体系中比较有代表性的结构, 主要由钢筋混凝土结构和钢结构 (或组合结构) 两部分组成, 典型的混合形式是外周的框架则采用钢框架, 内筒采用钢筋混凝土结构。这种结构的构件界面小, 使用面积大, 结构的抗震、防火、防腐蚀性能均较纯钢结构有所提高, 比钢筋混凝土结构工期短, 经济效益高。现场浇捣混凝土的工作量仍然较大, 常应用于高层、小高层或超高层住宅中。

3 钢结构住宅存在的问题

钢结构住宅因其具有的种种优点越来越受到人们的重视, 但与砖混结构相比, 却并未得到更广泛的运用, 其原因是多方面的:开发商对钢结构住宅的了解不多, 专业的设计人员少、施工技术不高, 且欠缺相应的配套基础设施, 都增加了钢结构住宅推广应用的难度。此外, 钢结构住宅的防火、防腐蚀等技术问题也有待进一步的研究和改进。

4 结语

近年来, 钢结构住宅在设计研究、安装施工等领域都得到了长足的发展, 北京、上海、广州等地区先后开展了多层、高层钢结构住宅的试点工程。随着国民经济的飞速发展, 作为符合可持续发展要求的安全、抗震、环保的新型建筑体系, 钢结构建筑必将被更广泛地应用于住宅建设中, 为住宅产业技术、安全和效益的提高做出应有的贡献。

摘要：汶川“5.12”特大地震造成一系列人员伤亡和财产损失的同时, 也引发了对住宅抗震性能的思考和讨论。钢结构住宅由于具有质量轻、整体延性好以及连接可靠等种种优点, 其抗震效能已逐渐被人们认知。本文从钢结构住宅的特点、分类、应用范围等几个方面出发, 结合笔者丰富的实践经验, 对钢结构住宅的推广和应用提出了自己的思考。

关键词：钢结构住宅,结构特点,抗震,应用