摘要：国家大力扶持钢结构住宅，实现建经济的可持续发展。本文介绍了多高层钢结构住宅常见结构体系，且通过在应用中的相互比较，阐述了各自体系的受力特点以及发展现状和应用范围，在不同地区建造钢结构住宅区别选型。并重点介绍了钢板剪力墙结构体系的分类和性能特点以及在我国的研究现状和应用。

关键词：钢结构住宅    结构体系     钢板剪力墙

建设部于1999年开始将钢结构住宅列为重点推广项目，建设部科技司在2001年上半年,召开了“钢结构住宅产业化技术导则编制研讨会”和“钢结构住宅建筑体系及关键技术研究课题立项评审会”，次年6月 “2002中国·钢结构住宅建设与发展论坛”与“中国国际钢结构展览会”在北京圆满召开。“2003年全国钢结构行业年会”和“钢结构住宅产业化发展论坛”同期在京召开。这表明政府对钢结构住宅产业化的大力扶持， 随着住宅业成为我国经济发展新的增长点，近十年的时间，我国钢结构住宅建筑快速发展，量与质都有了较大提高。而住宅产业化的前提是具备与产业化相配套的新技术、新材料和新体系。所以研究、开发技术成熟的、能被市场广泛接受的钢结构住宅体系和新型材料已成为当务之急。本文将主要介绍钢结构住宅的不同结构形式，并对钢板剪力墙体系进行重点阐述。

1  钢结构住宅的常见结构形式

传统的钢结构住宅主要应用于1~3层的低层别墅建筑中，常见的结构形式是有明确梁柱的型钢框架结构、薄壁杆件轻钢龙骨体系、工厂预制板结构体系（国外建筑中常用）。近些年随着建筑材料和施工技术的发展，同时由于多层、高层钢结构住宅具有：体系具有良好的抗震性能；自重轻，降低基础造价；运输、安装工程量减少，提高施工效率；提高住宅建筑的有效使用率；管线布置方便等优点。钢结构住宅已向多层和高层建筑发展，结构形式和材料也伴随有新的发展。

目前常见的结构体系主要有：纯框架体系、钢框架—支撑体系、钢框架－砼核心筒体系、错列桁架体系、框架－墙板体系。

1.1纯钢框架结构体系

纯框架结构体系是指房屋的纵向和横向均采用框架作为承重和抵抗侧力的主要构件所形成的结构体系。框架梁与柱的连接一般采用刚性连接，为加大结构的延性，或防止梁与柱连接焊缝的脆断，也有少数采用半刚性连接构造。框架结构具有：杆件类型少、构造简单、施工周期短、结构设计理论成熟、节点构造简单等优点。但是其抗侧力刚度较小，水平位移较大。对于多层住宅结构，钢框架体系仍然是不可或缺的基本体系之一。但是对于高层建筑不是太合适。

1.2 钢框架－支撑结构体系

以框架体系为基础，沿房屋的纵、横两个方向均布置一定数量的竖向支撑所形成的结构体系称为框架—支撑结构体系。该体系中的支撑框架中的梁与柱大多仍为刚性连接。支撑斜杆两端与框架梁、柱的连接在结构计算简图中假定为铰接，但实际构造多采用刚性连接。

按照支撑形式的不同，分为中心支撑和偏心支撑。钢框架－中心支撑体系具有较大刚度和强度，大震下，支撑易屈曲失稳，造成结构抗震性能急剧下降，属于非延性结构。钢框架－偏心支撑体系具有更大抗侧刚度和极限承载力，在罕遇地震作用下，支撑系统若破坏，内力可以重新分布。由于有耗能连梁，小震时，构件处于弹性状态，大震下，耗能连梁在巨大剪力作用下，先发生剪切屈服，从而保证支撑稳定，具有良好的耗能能力。是一种较好延性体系，已成为高层钢结构的一种重要形式。

该体系改进了框架体系抗侧力能力较弱的缺点，但支撑体系尤其是偏心支撑体系施工时难度较大，且支撑截面宽度较大，墙板与其不易配套，给室内装修带来一定的问题。

1.3钢框架－砼核心筒结构体系：

钢框架－砼核心筒体系是指由钢筋混凝土芯筒与外圈的刚接或铰接钢框架共同组成的混合结构体系。混凝土芯筒是结构体系中的主要或唯一的抗侧力竖向构件。芯筒承担着绝大部分或全部的水平荷载。

虽然混凝土筒体抗侧力效果较好、节约钢材、降低造价，施工方便，但由于核心筒与钢框架的延性、刚度严重不匹配。钢筋混凝土核心筒约承担85%以上的水平力，在强震下，作为第一道防线的核心筒很容易遭到破坏，而第二道防线钢框架非常薄弱，结构基本丧失了继续抵抗地震作用的能力。该种结构不宜用于抗震设防烈度较高的地区。

1.4错列桁架结构体系

交错桁架结构体系因为结构计算较复杂、桁架与钢柱连接节点构造要求较高、桁架的运输和吊装容易出现杆件挠曲、桁架下弦与压型钢板组合楼板的连接构造还需要进一步研究等一些问题，在我国应用还比较少。交错桁架结构体系的基本组成是楼板、桁架和柱子。柱子仅在房屋周围布置，不设中间柱。桁架的高度等于楼层高度，跨度等于建筑全宽，它的两端支承在房屋外围钢柱上，在相邻柱轴线上为上、下层交错布置。而楼面板跨越桁架间距的一半，一端支承在一桁架的上弦杆，另一端则悬挂在相邻桁架的下弦。纵向一般设置支撑或做成框架。该体系利用小柱距获得大开间，楼板直接支承在相邻桁架的上下弦上，不需设楼面梁格，使楼盖体系更为简洁，在满足使用净高的要求下，可降低层高，节约造价。桁架隔层布置，减小了桁架弦杆引起的局部弯矩，使柱在框架平面内的弯矩很小，主要受轴力，可缩小框架柱断面。桁架横向刚度大，侧向位移很小，侧向位移容易满足。该种结构性能优越而且用钢量较纯框架结构减少30%～40%。

1.5框架－墙板结构体系

框架－墙板体系是以钢框架为基础，在框架间嵌置一定数量的带肋钢板或预制钢筋混凝土墙板所组成的结构体系

整个建筑的竖向荷载全部由钢框架承担。水平荷载由钢框架和墙板共同承担，并按两类构件的层间抗侧刚度比例进行分配。一般水平剪力主要由墙板承担。水平荷载引起的倾覆力矩由钢框架和钢框架－墙板组合体系来承担。由于墙板具有较强的抗侧刚度和受剪承载力，在水平荷载作用下，框架－墙板体系的侧移比框架体系小很多，因而用于层数更多的建筑。

2框架-钢板剪力墙体系

上述纯框架体系、钢框架—支撑体系、钢框架－砼核心筒体系在我国应用广泛，错列桁架体系相对应用较少。而框架－墙板结构体系按照墙板材料的不同，又有更多的分类。本文将对按墙板类型划分出的框架-钢板剪力墙体系进行介绍。

首钢2005年与西安建筑科技大学进行了的折板钢板剪力墙抗侧力课题研究，宝钢的耐久耐锈钢被浙江精工钢结构有限公司和同济大学共同研究开发的“多高层钢结构住宅结构方案”采用，作为钢结构主件。而带缝钢板剪力墙是宝钢Living Steel项目组于2007年开始研发的专业抗震技术。08年用于由宝钢承建的都江堰幸福家园·逸苑（一期）工程的带缝钢板剪力墙结构，日前通过四川省组织的抗震设计专项论证。与会专家一致认为，宝钢带缝钢板剪力墙的强度、稳定性能均符合要求，并具有良好的延性。

2.1框架-钢板剪力墙体系的概念

框架－墙板结构体系的概念最初来源于德国的 Trape Steg Profil  (简称 TSP)体系。德国的TSP体系用折板钢板做工字型钢的腹板，用于大的梁，柱子和吊车梁，也用于桥梁和大跨结构。它的原理也是通过薄板几何形状的改变，防止过早弹性失稳，

以便充分发挥材料强度。

2 .2钢板剪力墙的形式

常见的钢板剪力墙有以下几种形式

1、薄钢板墙和厚钢板墙

根据内填钢板高厚比的大小，钢板剪力墙可以分为薄板和厚板。

厚板剪力墙( 高厚比小于250)具有较大的弹性初始面内刚度，通过面内抗剪承担整体倾覆力矩，在大震作用下具有良好的延性及稳定的滞回性能。一般不会发生局部屈曲，对周边框架梁柱的依赖程度小。

薄板剪力墙(高厚比大于250)高厚比较大，在侧向力较小时就发生局部屈曲，并随着侧向力的逐渐增大在钢板墙对角线方向形成拉力带；拉力带锚固在边框上，对柱形成附加弯矩，因此薄板钢板墙对周边框架梁柱的依赖性较大。

2、加劲和非加劲钢板墙

加劲钢板墙的设计原理是利用不同形式的加劲肋来延缓钢板的屈曲，从而提高钢板的极限承载力及延性。对薄钢板墙，可以通过设置加劲肋以改善其受力性能及延性。加劲肋有多种形式，如十字或井字形布置的加劲肋、对角交叉加劲肋和门、窗洞边加劲肋等。

3、开缝钢板墙

传统的钢板墙是一块完整的内填钢板与框架梁柱连接的形式，开缝钢板墙根据开缝的位置不同分为两侧开缝钢板墙和内填板上带竖缝的带缝钢板墙。

a) 两侧开缝钢板剪力墙    是在钢板剪力墙只有上、下边与框架梁相连，在左、右两侧与框架柱之间留出一定的距离。

非加劲开缝钢板墙厚板与薄板的荷载---位移曲线的性质有很大的区别：厚板刚度和极限承载力较高，但位移曲线在达到极限承载力后出现下降，延性较差；而薄板的刚度和极限承载力很低，但荷载位移曲线在后期稍有上升。四边嵌固钢板墙无论厚板还是薄板，在达到极限承载力后荷载----位移曲线均没有明显的下降段。非加劲开缝钢板墙的刚度比非加劲四边嵌固钢板剪力墙低，降低的比例随边长比的增大而减小。

b) 带缝钢板墙    是受混凝土开竖缝剪力墙的启示提出的。由于开设竖缝，降低了钢板墙的初始抗侧刚度，但改善了板的受力性能。通过把钢板转换为并列壁柱的形式来抵抗剪力，使钢板由原来的剪切变形转换到以弯曲变形为主，从而增加了板的耗能能力。

2.3 钢板剪力墙结构优、缺点：

钢板剪力墙结构具有自重轻，可减小地震作用，同时降低基础造价；能提供更大的使用空间；结构的水平刚度相同时，用钢量比纯框架结构少的优点。

同时由于钢板剪力墙本身只承受水平荷载，竖向荷载完全由周边的框架柱承担。钢板剪力墙结构完全符合第一道抗震防线低轴压比的抗震设计要求；钢板剪力墙的设置可缓解对梁柱节点区的延性要求。

钢板剪力墙屈曲后屈服（薄板）或屈服后屈曲（厚板）还能继续承受荷载，结构不仅使框架具有很好的延性，还能靠钢材本身的塑性发展提供阻尼耗能能力，相比混凝土结构延性大大增加。钢板剪力墙结构能非常理想地满足三水准抗震、二阶段设计的要求。

虽然具有以上特点和优越性，但是钢板墙的研究只局限于理论方面，没有提出设计准则；常用的板高厚比变化范围的研究不足；纵横加劲板的屈曲后强度应用研究不足；钢板墙周边框架柱刚度影响的研究非常少。使得钢板剪力墙结构现阶段的应用还不是很广泛。

结语

本文介绍了钢结构住宅常见体系的受力特点，但是对于各种钢结构住宅结构体系，目前还没有明确规定其适用范围。例如对不同层数和高度的住宅应采用不同的结构形式，但是采用纯钢框架或支撑框架，还是采用钢框架----剪力墙以及钢骨混凝土结构或交错桁架体系，其钢构件的截面型式是采用热轧H型钢，还是采用焊接H型钢，或是采用箱型截面更合理等都没有明确。建议在住宅结构选型时应从结构的受力性能出发，以降低用钢量为目标，从而得到定性的结论，应该对多高层钢结构住宅进行优化设计。虽然在这方面已经进行了不少的研究工作,但是还没有能够在实际的工程中广泛推广应用。钢结构住宅体系的选型和结构优化任重而道远。

钢结构住宅体系缺乏统一的标准准则，从设计到施工、建筑防火及工程验收等环节差别较大。我国多高层钢结构住宅结构体系的研究时间短、深度不够，还需要在试验和研究方面做大量的工作，尤其针对我国抗震设防高烈度地区，以指导我国相应规范的制订和完善。

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