关于住宅钢结构设计论述
摘要：我国钢结构住宅是近二三年才发展起来。由于具备其他结构无法比拟的优点，钢结构住宅已经给住宅产业和建筑行业带来了一场深层次的，从设计、施工、到一系列新材料的使用都出现了性的变化，因而在国际范围内代表了未来的住宅发展新模式。文章主工从钢结构住宅的特点，设计原则以及设计流程等方面进行分析。
关键字：高层钢结构特点 设计原则流程
引言：2001 年经国家经贸委批准，将“轻型钢结构住宅建筑通用体系的开发和应用”作为我国建筑业用钢的突破点，正式列入国家级重点技术创新项目，钢结构住宅引起社会各界广泛关注。现在，建设部科技司组织的 36 项钢结构住宅建筑体系及关键技术研究课题，正在深入开展攻克关键技术、总结试点工程经验进一步推广阶段。目前在北京、天津、山东莱芜、安徽马鞍山、南京、上海、广州和深圳等地开展低层、多层、高层钢结构住宅试点工程，已建成 100 多万平米。在钢结构住宅试点示范工程实施中，各有关设计、供应商、房地产公司等克服了各种困难，做了大量工作，取得了显著的成绩。
1 钢结构设计的特点
与砖混结构、混凝土结构相比，在住宅中应用钢结构主要具有以下几方面优点：
（1）结构自重轻。
根据比较，相同的建筑造型，六层钢结构住宅重量仅相当于四层砖混结构住宅的重量。建筑总质量小，地震力效应小，且延性好，相应抗震性能优良。历次大地震灾害资料对比都说明了这一点。
（2）材料各向同性，符合力学假定，提高了设计精度。
（3）由于工厂化加工制造，精度高，易于保证质量，与混凝土相比，更符合结构设计要求。同时施工速度快，工期缩短 40%以上，可使建筑物更早的投入使用，提早产生效益。
（4）在设计中由于业主的要求，经常要进行变更，采用钢结构较易配合变更。施工时干式作业减少了对环境的污染，且构件运输方便，费用低。
（5）可在梁腹板处开孔走管道，不像混凝土结构在梁底通过。因此在楼层高度一样的情况下，采用钢结构可提高层间净高。
（6）对而言，钢结构住宅的优势更为明显。钢材的耐腐蚀性较差，而
气候干燥，降水少，蒸发量大，对于钢材的“湿腐蚀”具有天然的防护作用。此外，冬季较长，不利于施工。钢结构施工速度快的优势就明显地体现了出来，既保证了建筑结构的工期质量，又减少了因冬季施工所带来的温度等方面的问题。
（7）轻质高强，简单实现大跨与复杂几何结构，创造开放式住宅。传统结构（砖混、混凝土）由于受材料，其开间一般在 3.0m、3.3m、3.6m、4.2ｍ。如果需要更大开间，则会造成“肥梁胖柱”，房高也会受到影响。而在梁高相同的情况下，钢结构开间可比混凝土大 50%。在梁柱等强度条件下，可增加建筑有效使用面积 5%~7%。
（8）冬季时间长，室外温度低，因此室内都通过暖气来取暖，采暖期长达半年。这就要求外墙要有良好的保温措施，否则对能源是一种很大的浪费。钢结构住宅的墙体一般选用与之配套的板材，与传统的砖墙相比具有较好的保温性能，在建筑节能方面有明显的优势。由此可见，钢结构住宅不仅加快了国家和城市的发展速度，带动了与之相关的其它行业的发展，还提高了住宅质量和人们的居住水准，而且它作为一种商品综合经济效益高，可使买卖双方都获得利益。钢结构住宅还促进了住宅产业化的发展进程，尤其是使用材料的环保性，给社会带来良好的综合效益，而与之相比的钢混和砖混等传统结构住宅越来越暴露出它们的缺点，和对发展的阻碍，取而带之的钢结构已经到了势在必行的阶段，这也正是现阶段发展钢结构住宅的原因。
2 钢结构设计的原则
钢结构设计的基本原则是：结构必须有足够的强度、刚度和稳定性，整个结构安全可靠；结构应符合建筑物的使用要求，有良好的耐久性；结构方案尽可能节约钢材，减轻钢结构重量；尽可能缩短制造、安装时间，节约劳动工日；结构构件应便于运输、便于维护；在可能条件下，尽量注意美观，特别是外露结构，有一定建筑美学要求。按照上述原则，根据实际案例原建筑设计的布置和功能要求，综合考虑了结构的经济性、建筑设计的特点和施工合理性等因素，采用钢框架—支撑和钢框架--剪力墙结构体系，并分别进行了布置。
1.1 梁柱体系
平面采用普通梁格体系。梁采用热轧焊接 H 形截面钢梁，柱为焊接箱型钢柱。整个结构设计成刚性框架结构，竖向荷载由梁、板、柱承担。框架的梁与梁、梁与柱、柱与基础均按刚性连接设计，现场连接采用高强螺栓与焊接共同作用。次梁为 H 形截面单跨简支梁，设计主次梁时均不考虑楼盖与钢梁的组合作用。
1.2 抗剪体系
分析计算表明，在全部水平风荷载和地震力作用下，上述结构体系局部刚度较弱，因此钢框架—支撑结构体系通过布置中心支撑来抵抗水平荷载。钢框架—剪力墙结构体系的中间部分电梯井与楼梯间布置钢筋混凝土剪力墙，来抵抗水平
外力的冲击。
1.3 楼盖体系
一般各层楼(屋)盖均采用钢筋混凝土楼(屋)盖，楼板厚度依结构计算定为 110mm,140mm。在结构计算中，认为楼盖刚度足够大，符合平面内无限刚性的假定。
1.4.基础形式
钢框架—支撑采用柱下独基，钢框架—剪力墙采用柱下独基与筏板基础。
1.5内外墙体系
框——剪采用蒸压轻质加气混凝土板材(简称 ALC 板材)，外墙板厚为 200mm，内墙板厚 100mm。框-支采用陶粒硂砌块。
3 钢结构住宅的设计内容
3.1 判断结构是否适合用钢结构
钢结构通常用于高层、大跨度、体型复杂、荷载或吊车起重量大、有较大振动、高温车间、密封性要求高、要求能活动或经常装拆的结构。
3.2 结构选型与结构布置
在钢结构设计的整个过程中都应该被强调的是“概念设计”，它在结构选型与布置阶段尤其重要，对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。
3.3 预估截面
结构布置结束后，需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。
钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时，可回避钢梁的整体稳定的复杂计算，这种方法很受欢迎。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。
柱截面按长细比预估。通常50<λ<150，简单选择值在100附近。根据轴心
受压、双向受弯或单向受弯的不同，可选择钢管或H型钢截面等。
3.4 结构分析
目前钢结构实际设计中，结构分析通常为线弹性分析，条件允许时考虑P-Δ，p-δ。
新近的一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性能.这为更精确的分析结构提供了条件。
3.5 构件设计
构件的设计首先是材料的选择。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理，经济考虑，也可以选择不同强度钢材的组合截面。构件设计中，现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面，这和结构内力计算的弹性方法并不匹配。当前的结构软件，都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步，一些软件可以将验算时不通过的构件，从给定的截面库里选择加大一级，并自动重新分析验算，直至通过，如sap2000等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了结构师的很多工作量。
3.6 节点设计
连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一。在结构分析前，就应该对节点的形式有充分思考与确定。常常出现的一种情况是，最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致，这必须避免。按传力特性不同，节点分刚接，铰接和半刚接。
3.7除锈及防火设计
划内钢材表面处理直接影响整个涂装质量。高层钢结构宜采用机械除锈，等级常用SA2 1/2级。
钢结构耐火性差。温度升至500~700 时钢构件基本失去承载力，因此要作好防火处理。一般高层住宅钢结构耐火等级不低于二级。各构件耐火等级应提出要求（详见《高钢》规程）。
3.8图纸编制
钢结构设计出图分设计图和施工详图两阶段，设计图为设计单位提供，施工详图通常由钢结构制造公司根据设计图编制，有时也会由设计单位代为编制。由于近年钢结构项目增多和设计院钢结构工程师缺乏的矛盾，有设计能力的钢结构公司参与设计图编制的情况也很普遍。
设计图及施工详图的内容表达方法及出图深度的控制，目前比较混乱，各个
设计单位之间及其与钢结构公司之间。
4结束语
总之，钢结构住宅符合国家住宅产业化的目标，符合可持续性发展的战略，并对保护耕地、提高城市建设水平有较大作用。有了国家的支持、技术的保证，钢结构住宅具有光明的前景。
