巨型钢框架高层钢结构住宅体系概述

Hans Journal of Civil Engineering 土 木 工 程, 2016, 5(4), 125-130 Published Online July 2016 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/hjce http://dx.doi.org/10.12677/hjce.2016.54017 Study of Steel Mega-Frame in High-Rise Steel Residential System Liu Jian, Wang Ping China Academy of Building Research Shenzhen Institute, Shenzhen Guangdong Received: Jun. 29 th, 2016; accepted: Jul. 14 th, 2016; published: Jul. 19 th, 2016 Copyright 2016 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ Abstract This paper analyzes several kinds of structure forms used in the existing high-rise steel residential building, including steel frame system, steel frame and supporting system, steel frame and concrete core tube system, steel frame and steel plate shear wall system, etc. According to the existing mature systems, a new high-rise steel structure residential system is proposed steel megaframe of high-rise steel residential system. And this paper describes the structure form, mechanic characteristic and advantages of the system in detail. Through the research, it is found that the application of the steel mega-frame system to the high-rise steel residence is reasonable, and it can further promote the development of our country s residential industrialization. Keywords High-Rise Steel Residential Building, Steel Mega-Frame Structure, Residential Industrialization 巨 型 钢 框 架 高 层 钢 结 构 住 宅 体 系 概 述 刘 健, 王 萍 中 国 建 筑 科 学 研 究 院 深 圳 分 院, 广 东 深 圳 收 稿 日 期 :2016 年 6 月 29 日 ; 录 用 日 期 :2016 年 7 月 14 日 ; 发 布 日 期 :2016 年 7 月 19 日 文 章 引 用 : 刘 健, 王 萍. 巨 型 钢 框 架 高 层 钢 结 构 住 宅 体 系 概 述 [J]. 土 木 工 程, 2016, 5(4): 125-130. http://dx.doi.org/10.12677/hjce.2016.54017

摘 要 本 文 分 析 了 现 有 高 层 钢 结 构 住 宅 所 采 用 的 纯 框 架 体 系 钢 框 架 - 支 撑 体 系 钢 框 架 - 混 凝 土 核 心 筒 体 系 和 钢 框 架 - 钢 板 剪 力 墙 体 系 等 几 种 结 构 形 式 在 已 有 的 成 熟 体 系 下 提 出 了 一 种 新 的 高 层 钢 结 构 住 宅 体 系 巨 型 钢 框 架 高 层 钢 结 构 住 宅 体 系, 并 详 细 介 绍 了 该 体 系 的 结 构 形 式 传 力 特 征 及 其 特 点 通 过 研 究 发 现 将 巨 型 钢 框 架 体 系 应 用 到 高 层 住 宅 中 是 合 理 的, 并 且 能 够 进 一 步 推 动 我 国 住 宅 工 业 化 的 发 展 关 键 词 高 层 钢 结 构 住 宅, 巨 型 钢 框 架 结 构, 住 宅 工 业 化 1. 引 言 当 前 国 内 大 量 住 宅 建 设 造 成 了 资 源 浪 费 环 境 恶 化 等 严 重 的 后 果, 建 设 部 已 多 次 倡 导 发 展 钢 结 构 住 宅, 从 而 推 动 住 宅 产 业 升 级 伴 随 着 社 会 的 进 步, 钢 结 构 以 其 优 良 的 材 料 特 征 在 建 筑 业 日 益 受 到 广 泛 关 注 高 层 钢 结 构 住 宅 具 有 建 筑 功 能 好 施 工 速 度 快 工 业 化 程 度 高 周 期 短 综 合 技 术 经 济 指 标 好 抗 震 性 能 优 越 绿 色 环 保 等 特 点, 将 钢 结 构 用 于 住 宅 建 筑 具 有 得 天 独 厚 的 技 术 优 势, 也 符 合 我 国 当 前 的 产 业 政 策 [1] [2] 目 前 我 国 试 建 了 一 批 高 层 钢 结 构 住 宅, 在 施 工 和 使 用 过 程 中 发 现 了 一 些 问 题, 对 钢 结 构 住 宅 的 发 展 有 所 影 响 因 此 有 必 要 对 钢 结 构 体 系 及 其 维 护 体 系 进 行 总 结 分 析 和 比 较, 在 此 基 础 上 研 究 适 应 钢 结 构 住 宅 发 展 的 钢 结 构 体 系 和 维 护 结 构 体 系 2. 高 层 钢 结 构 住 宅 体 系 研 究 目 前, 国 内 高 层 钢 结 构 住 宅 体 系 一 般 采 用 纯 框 架 体 系 钢 框 架 支 撑 体 系 钢 框 架 混 凝 土 核 心 筒 体 系 和 钢 框 架 钢 板 剪 力 墙 体 系 等 几 种 结 构 形 式 2.1. 纯 框 架 体 系 纯 钢 框 架 体 系 是 多 层 钢 结 构 住 宅 中 最 常 见 的 一 种 结 构 体 系, 该 体 系 的 梁 柱 构 件 刚 接, 依 靠 梁 柱 受 弯 来 承 受 竖 向 荷 载 和 水 平 荷 载 [1] 这 种 体 系 的 主 要 特 点 : 结 构 各 部 分 刚 度 比 较 均 匀, 传 力 路 线 明 确, 建 筑 平 面 布 置 灵 活, 可 以 做 成 大 开 间, 充 分 满 足 建 筑 布 局 上 的 要 求, 制 作 安 装 简 单 但 该 结 构 体 系 的 弹 性 刚 度 较 差 并 且 抗 侧 移 刚 度 小, 抗 震 能 力 较 弱 因 而 该 结 构 体 系 为 控 制 过 大 位 移, 梁 柱 截 面 尺 寸 加 大, 用 钢 量 明 显 高 于 其 他 结 构 形 式, 造 价 太 大, 不 适 合 在 小 高 层 钢 结 构 住 宅 中 推 广 建 造 2.2. 钢 框 架 - 支 撑 体 系 钢 框 架 支 撑 体 系 主 要 分 为 钢 框 架 中 心 支 撑 钢 框 架 偏 心 支 撑 和 内 藏 钢 板 支 撑 剪 力 墙 结 构 3 种 结 构 形 式 该 结 构 体 系 主 要 是 借 助 支 撑 来 承 受 水 平 力 和 提 供 侧 向 刚 度, 通 过 在 钢 框 架 中 沿 房 屋 进 深 方 向 布 置 钢 支 撑, 或 沿 房 屋 进 深 和 纵 向 布 置, 有 时 还 可 以 用 中 心 支 撑 框 架 体 系 连 接 成 支 撑 芯 筒, 以 此 获 得 较 大 的 抗 侧 移 刚 度 该 结 构 体 系 中, 支 撑 对 结 构 的 抗 侧 力 贡 献 很 大, 而 且 用 钢 量 也 较 纯 钢 框 架 少, 造 价 经 济 但 是 钢 支 撑 的 存 在 影 响 门 窗 洞 口 的 布 置, 给 住 宅 布 局 造 成 不 便 同 时 由 于 住 宅 的 层 高 低, 构 件 节 间 尺 寸 小, 而 导 致 支 撑 构 件 及 节 点 数 量 较 多, 节 点 为 框 架 梁 框 架 柱 钢 支 撑 三 种 构 件 的 连 接, 构 造 复 杂, 使 其 施 工 难 度 较 大 126

2.3. 钢 框 架 - 混 凝 土 核 心 筒 体 系 钢 框 架 混 凝 土 核 心 筒 结 构 体 系 是 钢 框 架 和 混 凝 土 核 心 筒 之 间 通 过 钢 梁 连 接 组 成 的 混 合 结 构 体 系 其 中 混 凝 土 核 心 筒 是 主 要 的 抗 侧 力 竖 向 构 件, 而 建 筑 物 重 力 等 引 起 的 竖 向 荷 载 主 要 由 钢 框 架 承 受, 因 此 该 体 系 具 有 钢 材 用 量 少 造 价 低 施 工 方 便 等 优 点 但 是 该 体 系 由 于 钢 框 架 与 混 凝 土 核 心 筒 之 间 存 在 刚 度 和 延 性 不 协 调 的 情 况, 所 以 其 抵 抗 地 震 能 力 较 弱, 并 且 该 体 系 现 场 浇 筑 混 凝 土 的 工 作 量 较 大, 工 期 较 长 [2] 目 前 该 体 系 是 我 国 高 层 超 高 层 建 筑 中 应 用 最 广 泛 的 一 种 2.4. 钢 框 架 - 钢 板 剪 力 墙 体 系 钢 框 架 钢 板 剪 力 墙 体 系 是 多 高 层 钢 结 构 中 一 种 新 型 的 抗 侧 力 体 系 这 种 体 系 的 主 体 结 构 由 钢 框 架 和 钢 板 剪 力 墙 组 合 而 成 剪 力 墙 通 常 采 用 梁 柱 构 成 的 框 架 来 加 固, 以 防 止 产 生 剪 切 屈 曲 钢 板 安 装 在 一 跨 或 多 跨 框 架 范 围 内, 与 周 围 钢 梁 钢 柱 形 成 钢 板 剪 力 墙, 钢 板 剪 力 墙 主 要 承 受 水 平 力 作 用, 竖 向 力 作 用 主 要 由 周 边 的 框 架 柱 承 担 该 体 系 主 要 是 具 有 刚 度 匹 配 延 性 协 调 抗 剪 承 载 力 高 大 震 耗 能 和 减 震 效 果 好 等 特 点 [3] 因 此 该 结 构 体 系 比 较 适 合 小 高 层 住 宅 结 构, 而 其 中 钢 板 剪 力 墙 造 价 较 高, 推 广 前 需 做 大 量 研 究 工 作 3. 巨 型 钢 框 架 高 层 住 宅 体 系 通 过 对 上 述 几 种 钢 结 构 住 宅 的 结 构 体 系 研 究 发 现 : 目 前 的 钢 结 构 住 宅 体 系 存 在 整 体 造 价 高 防 腐 和 防 火 处 理 难 度 大 配 套 围 护 结 构 不 理 想 施 工 难 度 大 等 问 题, 阻 碍 了 高 层 钢 结 构 住 宅 的 发 展 因 此 有 必 要 在 已 有 成 熟 结 构 体 系 和 维 护 体 系 的 基 础 上 去 研 发 新 的 高 层 钢 结 构 住 宅 体 系 3.1. 巨 型 钢 框 架 高 层 住 宅 结 构 体 系 形 式 近 几 年 来, 巨 型 钢 框 架 结 构 体 系 被 广 泛 的 应 用 于 高 层 及 超 高 层 建 筑 中, 是 一 种 成 熟 的 结 构 体 系 本 文 中 提 出 巨 型 钢 框 架 高 层 钢 结 构 住 宅 体 系 是 根 据 已 有 的 巨 型 钢 框 架 结 构 体 系 的 特 点, 将 结 构 体 系 中 的 巨 型 钢 框 架 作 为 主 结 构, 主 框 架 之 间 的 多 层 结 构 作 为 一 个 竖 向 单 元 的 次 结 构 [4] 在 该 体 系 中, 主 结 构 可 以 是 由 大 截 面 梁 和 大 截 面 柱 组 成 的 大 型 跨 层 钢 框 架, 次 结 构 则 可 以 采 用 相 对 成 熟 的 多 层 轻 钢 框 架 结 构 多 层 薄 壁 轻 钢 结 构 自 承 重 板 式 结 构 装 配 式 轻 钢 轻 混 凝 土 建 筑 体 系 和 工 厂 制 作 现 场 吊 装 就 位 的 模 块 化 等 集 成 房 屋 该 结 构 体 系 中 的 主 结 构 与 次 结 构 2 部 分 是 相 互 独 立 的, 因 此 次 结 构 可 以 落 在 本 单 元 的 主 结 构 梁 ( 桁 架 ) 上, 形 成 落 地 式 次 结 构 单 元 ( 如 图 1 所 示 ), 也 可 以 悬 挂 在 上 一 个 单 元 的 主 结 构 梁 ( 桁 架 ) 上, 形 成 悬 挂 式 次 结 构 单 元 ( 如 图 2 所 示 ) 3.2. 巨 型 钢 框 架 高 层 住 宅 结 构 的 传 力 特 征 巨 型 钢 框 架 高 层 住 宅 结 构 中, 荷 载 由 主 结 构 钢 框 架 集 中 承 受, 次 结 构 则 只 起 辅 助 作 用 和 大 地 震 下 的 耗 能 作 用 次 结 构 承 担 本 楼 层 的 竖 向 荷 载 和 水 平 荷 载, 然 后 通 过 垂 直 构 件 将 水 平 力 和 垂 直 力 传 到 主 结 构 楼 层 梁 上, 再 经 过 主 结 构 楼 层 和 主 结 构 的 竖 向 构 件 将 荷 载 作 用 传 递 到 基 础, 传 力 路 线 明 确 [5] 3.3. 主 结 构 钢 框 架 的 组 成 在 巨 型 钢 框 架 高 层 钢 结 构 住 宅 体 系 中, 每 隔 若 干 层 设 置 一 根 大 截 面 梁, 每 隔 若 干 开 间 设 置 一 根 大 截 面 框 架 柱, 从 而 形 成 了 主 结 构 巨 型 钢 框 架 主 结 构 的 巨 型 梁 要 比 一 般 梁 的 截 面 大 很 多, 可 以 采 用 实 腹 截 面 空 腹 框 架 结 构 和 桁 架 结 构 巨 型 柱 可 以 采 用 实 腹 柱 ( 钢 混 凝 土 或 组 合 柱 ) 空 腹 框 架 和 竖 向 支 撑 结 构, 如 果 充 分 考 虑 巨 型 结 构 柱 的 截 面 形 式, 可 以 尽 量 采 用 钢 管 混 凝 土 柱 矩 形 柱 和 组 合 巨 型 钢 管 混 凝 土 柱, 以 127

Figure 1. Steel mega- frame structure 1 图 1. 巨 型 钢 框 架 结 构 形 式 1 Figure 2. Steel mega-frame structure 2 (secondary structure suspension) 图 2. 巨 型 钢 框 架 结 构 形 式 2 ( 次 结 构 悬 挂 ) 便 保 证 住 宅 室 内 不 会 出 现 边 角 柱 的 情 况, 更 有 利 于 住 户 布 置 房 间, 增 加 室 内 美 感 3.4. 次 结 构 形 式 的 选 取 在 巨 型 钢 框 架 高 层 钢 结 构 住 宅 体 系 中, 主 结 构 钢 框 架 之 间 的 各 个 次 结 构 是 相 互 独 立 的, 因 而 各 层 次 框 架 的 柱 网 形 式 和 尺 寸 可 以 互 不 相 同, 也 可 以 根 据 使 用 空 间 的 需 要 抽 去 一 些 柱 子, 扩 大 柱 网 而 且 在 该 体 系 中 次 结 构 仅 承 担 本 楼 层 的 竖 向 和 水 平 荷 载, 因 此 次 结 构 中 的 梁 柱 截 面 都 可 以 做 的 很 小, 以 便 于 楼 面 的 合 理 使 用 次 结 构 形 式 的 选 取 则 主 要 是 看 体 系 中 主 结 构 的 形 式 以 及 整 体 结 构 的 形 式 由 于 次 结 构 的 独 立 性, 因 此 次 结 构 的 形 式 可 以 有 很 多 种 其 中, 多 层 轻 钢 框 架 结 构 具 有 良 好 的 结 构 性 能, 利 于 灵 活 的 建 筑 布 置, 易 于 工 业 化 和 产 业 化 生 产, 加 快 施 工 周 期, 适 用 于 作 为 次 结 构 参 与 结 构 整 体 工 作, 次 结 构 梁 端 可 以 采 取 单 侧 滑 移 或 2 端 铰 接 的 连 接 方 式 ; 多 层 薄 壁 轻 钢 结 构 自 重 轻, 便 于 整 体 运 输 安 装, 构 件 截 面 尺 寸 小 墙 体 薄, 有 利 于 提 高 房 屋 使 用 率, 适 用 于 只 作 为 荷 载 施 加 到 主 结 构 上, 不 贡 献 结 构 刚 度 ; 自 承 重 板 式 结 构 则 主 要 由 墙 板 和 楼 板 承 受 荷 载, 重 量 轻, 保 温 隔 音 性 能 好, 施 工 装 配 化, 也 较 适 用 于 只 作 为 荷 载 施 加 到 主 结 构 上 3.5. 模 块 化 房 屋 模 块 化 房 屋 作 为 巨 型 钢 框 架 住 宅 中 的 次 结 构 是 一 种 很 好 地 选 择 模 块 建 筑 体 系 代 表 了 目 前 世 界 上 最 先 进 的 住 宅 设 计 和 建 造 水 平, 也 是 目 前 国 际 上 最 先 进 和 最 彻 底 的 住 宅 产 业 化 工 业 化 的 建 筑 模 式 将 模 块 化 房 屋 应 用 到 钢 结 构 住 宅 领 域 中, 能 够 提 高 我 国 住 宅 的 质 量 和 性 能, 使 劳 动 密 集 型 的 建 筑 模 式 转 化 为 技 术 密 集 型, 全 面 促 进 我 国 住 宅 产 业 化 的 升 级 例 如 卓 达 新 材 集 团 采 用 的 新 型 建 材 与 现 代 工 艺 建 造 的 模 块 化 房 屋, 对 人 类 传 统 建 筑 业 实 现 了 两 大 颠 覆 一 是 颠 覆 了 传 统 房 屋 的 品 质, 人 们 今 后 将 居 住 在 有 氧 无 128

害 的 房 子 内 ; 二 是 对 建 筑 生 产 方 式 的 颠 覆, 人 们 在 建 筑 工 地 将 再 也 看 不 到 尘 土 飞 扬 砖 瓦 满 地 泥 水 横 流 的 景 象, 看 到 的 将 是 技 术 工 人 们 机 械 化 的 洁 净 省 时 工 厂 式 的 装 配 式 施 工, 建 筑 周 期 缩 短 了 原 来 的 三 分 之 二 3.5.1. 模 块 化 房 屋 的 建 造 理 念 1) 将 设 计 好 的 建 筑 物 划 分 成 若 干 个 尺 寸 适 宜 并 易 于 运 输 的 空 间 模 块 2) 每 一 个 空 间 模 块 都 是 由 一 系 列 的 二 维 平 面 构 件 构 成, 从 承 重 结 构 门 窗 墙 体 到 室 内 装 修 等, 统 一 设 计 并 在 工 厂 里 制 造 通 过 工 厂 先 进 的 生 产 装 配 线 以 及 严 格 的 生 产 和 质 量 监 控 系 统 把 所 有 二 维 构 件 组 装 成 一 个 个 空 间 模 块 3) 最 后 将 组 装 好 的 空 间 模 块 运 至 工 程 现 场 进 行 吊 装 连 接 成 结 构 整 体 3.5.2. 模 块 化 房 屋 的 特 点 1) 模 块 建 筑 集 成 钢 结 构 框 架 和 混 凝 土 楼 板, 设 计 灵 活 多 变 尺 寸 和 形 状 多 样 化, 能 够 适 应 市 场 需 求 2) 房 屋 的 每 一 个 模 块 可 以 通 过 完 善 而 严 格 的 车 间 质 量 管 理 体 系 来 更 好 地 控 制 建 筑 质 量 3) 建 造 周 期 短, 工 期 相 当 于 传 统 建 筑 模 式 的 1/3 到 1/4, 建 筑 经 济 效 益 高, 投 资 回 报 快 4) 在 现 场 施 工 作 业 期 间 可 以 做 到 零 污 染 无 水 化, 符 合 城 市 可 持 续 发 展 战 略, 其 环 保 节 能 性 能 大 大 高 于 传 统 的 建 筑 模 式 4. 巨 型 钢 框 架 高 层 住 宅 结 构 体 系 的 特 点 巨 型 钢 框 架 高 层 住 宅 结 构 体 系 具 有 如 下 特 点 : 1) 主 结 构 钢 框 架 刚 度 大, 巨 型 钢 框 架 结 构 与 一 般 的 高 层 建 筑 所 使 用 的 纯 框 架 结 构 或 框 架 - 支 撑 结 构 相 比, 具 有 刚 度 大 的 特 点 即 使 是 宽 度 与 长 度 之 比 较 大 的 细 长 比 例 结 构, 在 风 和 地 震 力 作 用 下 也 很 难 摇 晃 [6] 2) 每 个 主 结 构 梁 之 间 的 各 层 为 一 组 次 结 构, 次 结 构 受 力 模 式 简 单 3) 次 结 构 的 柱 网 布 置 灵 活, 住 宅 户 型 多 样, 满 足 人 们 的 需 求 4) 每 组 次 结 构 底 层 或 顶 层 可 形 成 大 空 间, 建 筑 底 层 可 以 通 过 吊 杆 悬 挂 在 第 一 层 主 结 构 上, 形 成 底 部 大 空 间, 避 免 出 现 结 构 转 换 层 5) 现 场 施 工 量 少, 主 结 构 和 次 结 构 可 以 单 独 施 工 并 同 步 进 行, 实 现 住 宅 工 业 化 生 产 巨 型 钢 框 架 可 以 先 施 工 其 主 结 构, 与 此 同 时 次 结 构 在 工 厂 模 块 化 预 制 好 后, 可 进 行 住 宅 的 拼 装 化 施 工 所 以 巨 型 钢 框 架 高 层 住 宅 体 系 现 场 施 工 量 少, 大 大 加 快 了 施 工 效 率, 节 省 了 工 期, 提 高 了 综 合 效 益 6) 主 体 钢 结 构 范 围 少, 防 腐 和 防 火 处 理 及 维 护 简 单 由 于 该 体 系 中 承 重 结 构 的 大 量 减 少, 因 此 更 有 利 于 钢 结 构 的 防 腐 和 防 火 保 护 的 施 工 和 维 护 5. 结 语 通 过 对 巨 型 钢 框 架 高 层 钢 结 构 住 宅 体 系 的 研 究 发 现, 将 巨 型 钢 框 架 这 一 成 熟 体 系 应 用 到 高 层 钢 结 构 住 宅 中 是 完 全 合 理 的 该 种 新 型 的 高 层 钢 结 构 住 宅 体 系 的 成 功 运 用 可 以 改 进 我 国 建 筑 资 源 耗 能 过 大 的 问 题, 进 一 步 推 动 我 国 住 宅 工 业 化 和 绿 色 建 筑 的 发 展 参 考 文 献 (References) [1] 周 学 军, 焦 红, 王 松 岩. 钢 结 构 与 钢 筋 混 凝 土 结 构 小 高 层 住 宅 的 经 济 性 分 析 [J]. 山 东 建 筑 工 程 学 院 学 报, 2004, 19(4): 77-80. [2] 谢 振 清, 丁 维, 孙 彤. 莱 钢 H 型 钢 钢 结 构 节 能 住 宅 建 筑 体 系 的 开 发 和 实 践 [J]. 建 筑 钢 结 构 进 展, 2003, 5(4): 68-74. 129

[3] 左 振 波, 左 振 明, 左 春 仁. 高 层 建 筑 巨 型 框 架 结 构 应 用 及 其 受 力 特 征 [J]. 大 连 大 学 学 报, 2003, 24(2): 35-37. [4] 尹 宗 军. 高 层 钢 结 构 住 宅 的 特 点 和 结 构 体 系 分 析 [J]. 工 程 与 建 设, 2006, 20(6): 744-746. [5] 王 克 青, 孙 凌 志, 同 飞. 多 高 层 钢 结 构 住 宅 体 系 的 选 型 及 优 越 性 [J]. 建 材 技 术 与 应 用, 2007(2): 29-30. [6] 沈 祖 炎, 陈 荣 毅. 巨 型 结 构 的 应 用 与 发 展 [J]. 同 济 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ), 2001, 29(3): 258-262. 期 刊 投 稿 者 将 享 受 如 下 服 务 : 1. 投 稿 前 咨 询 服 务 (QQ 微 信 邮 箱 皆 可 ) 2. 为 您 匹 配 最 合 适 的 期 刊 3. 24 小 时 以 内 解 答 您 的 所 有 疑 问 4. 友 好 的 在 线 投 稿 界 面 5. 专 业 的 同 行 评 审 6. 知 网 检 索 7. 全 网 络 覆 盖 式 推 广 您 的 研 究 投 稿 请 点 击 :http://www.hanspub.org/submission.aspx 130