1概述

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隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速發(fā)展，必將興建大量的低層及多層住宅。傳統(tǒng)上，這些建筑都采用砌體結(jié)構(gòu)，其施工便捷，造價(jià)低廉，易于取材。但其缺點(diǎn)也是顯而易見的，砌體結(jié)構(gòu)抗震性能差，破壞環(huán)境，這與我國(guó)現(xiàn)有的國(guó)情及國(guó)策相違背。我國(guó)鋼產(chǎn)量的迅速提升，為在低層住宅中采用鋼結(jié)構(gòu)提供了基本保證。

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1．1輕鋼住宅的優(yōu)點(diǎn)

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輕鋼住宅一般指以冷彎薄肇型鋼，輕型焊接和高頻焊接型鋼、輕型熱軋型鋼、薄鋼板、薄鋼管及以上各構(gòu)件拼接、焊接而成的組合構(gòu)件為主要受力構(gòu)件，大量采用輕質(zhì)隔離材料的低層和多層鋼結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，輕鋼住宅具有如下優(yōu)點(diǎn)：

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1)強(qiáng)度高，自重輕，抗震性能高；

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2)施工速度快，建設(shè)工期短；

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3)便于工業(yè)化、定型化生產(chǎn)；

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4)建筑空間布置靈活，能滿足不同住戶對(duì)住宅的多種功能要求；

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5)有利于環(huán)保。

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1．2輕鋼住宅結(jié)構(gòu)體系

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1)框架結(jié)構(gòu)。這種體系在低層鋼結(jié)構(gòu)住宅中較早得到應(yīng)用，它構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工速度快，技術(shù)難度小，同時(shí)由于低層住宅對(duì)水平荷載的要求不高，避開了框架結(jié)構(gòu)彈性剛度差的缺點(diǎn)；梁與柱之間的連接采用剛接，各部分剛度分布均勻。

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2)框架支撐結(jié)構(gòu)體系。這種體系是框架結(jié)構(gòu)的延伸，為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，減小層間位移，在框架的基礎(chǔ)上增加支撐，從而提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度，增強(qiáng)了抵抗水平風(fēng)荷載和地震作用的能力。它的應(yīng)用范圍很廣泛，在國(guó)外很早就開始應(yīng)用。

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3)輕鋼龍骨體系。這種體系是隨著鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的不斷成熟而產(chǎn)生的，從目前國(guó)外已經(jīng)應(yīng)用的輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系來看，它主要分為：冷彎薄壁型鋼格構(gòu)式結(jié)構(gòu)體系和熱軋型鋼組成的龍骨結(jié)構(gòu)體系。冷彎薄壁型鋼格構(gòu)式結(jié)構(gòu)體系的主承重結(jié)構(gòu)是將工廠預(yù)制的冷彎薄壁型鋼(C型或z型)在施工現(xiàn)場(chǎng)用螺栓連接形成結(jié)構(gòu)骨架，再封上墻板、樓板、屋面板形成整體住宅，主要在低層住宅中應(yīng)用，它又分Balloon式和Platform式格構(gòu)體系。兩者的區(qū)別是Balloon中的墻支柱在樓板連接處不間斷，而Platform式中的墻支柱在樓板連接處斷開，上一層的墻支柱支承在下一層的樓板上。輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系在歐洲和北美洲較為成熟并大量應(yīng)用于低層鋼結(jié)構(gòu)住宅。輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)使鋼結(jié)構(gòu)住宅的優(yōu)點(diǎn)更加突出：高強(qiáng)、自重輕、抗震性能好、可隨意拼接、耐久、工業(yè)化生產(chǎn)和施工安裝速度快等，具有較好的綜合經(jīng)濟(jì)效益，被廣泛

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地應(yīng)用于現(xiàn)代低層鋼結(jié)構(gòu)住宅中。

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2低層輕鋼骨架住宅的設(shè)計(jì)

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本文所提及的低層輕鋼骨架住宅，主要是指Platform式格構(gòu)體系。在歐洲及北美地區(qū)，此體系大量應(yīng)用于三層及以下的住宅中，并且由于具有完善的設(shè)計(jì)表格，其設(shè)計(jì)、施工都相當(dāng)簡(jiǎn)單、便捷；在我國(guó)，輕鋼骨架住宅處在推廣階段，其設(shè)計(jì)方法以參考國(guó)外規(guī)范及設(shè)計(jì)表格為主。

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2．1輕鋼骨架房屋受力特征分析

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Platform式格構(gòu)體系輕鋼骨架的構(gòu)成要素是龍骨一面一體；每一個(gè)體完成一個(gè)或數(shù)個(gè)建筑功能，體與體從受力體系上看，輕鋼骨架房屋的豎向分體系

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是以龍骨為特征的柱、梁；水平分體系是以?shī)A板為特征的樓板、墻；荷載的傳遞路線如圖1所示(此處，樓板作為剛性樓板，起到將水平荷載在各抗側(cè)力構(gòu)件間按剛度進(jìn)行分配的作用)。之間不應(yīng)有結(jié)構(gòu)上的交叉。

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從受力特征上看，輕鋼骨架房屋屬于剪力墻結(jié)構(gòu)體系。傳統(tǒng)的剪力墻是由混凝土澆筑或由單塊砌塊砌筑而成；而輕鋼骨架中的剪力墻是由龍骨、夾板及螺釘連接而成，通過螺釘?shù)倪B接，保證了龍骨與夾板的共同作用。在這個(gè)體系中，柱和墻是無法截然分開的，很難弄清楚在承受豎向荷載或是水平荷載的過程中，墻板和柱各分擔(dān)了多大比例；但是，有理由相信，有夾板的柱子，其承受豎向荷載的能力要高于沒有夾板的柱子，而有了龍骨的墻體，其承受水平荷載的能力也高于沒有龍骨的夾板。

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從連接上看，輕鋼骨架房屋的連接均為柔性連接，每個(gè)連接點(diǎn)、每個(gè)構(gòu)件，所允許的變形能力都足夠的大，而且，由于連接點(diǎn)很多，單個(gè)連接點(diǎn)的失效對(duì)結(jié)構(gòu)的整體性能是微乎其微的，這樣的結(jié)果使得在地震及特殊情況下，其倒塌概率很低；對(duì)抗震非常有利。

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2．2輕鋼骨架房屋設(shè)計(jì)過程分析

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在我國(guó)，由于缺乏必要的設(shè)計(jì)表格及設(shè)計(jì)軟件，所以，設(shè)計(jì)基本上依賴于國(guó)外圖標(biāo)及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。由于國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)與我國(guó)規(guī)范的差異性，其設(shè)計(jì)文件在我國(guó)是901—不合法的，我國(guó)雖然已在《鋼結(jié)構(gòu)住宅》中對(duì)輕鋼骨架房屋有所提及，但對(duì)于與圖集有出入的建筑，仍然無法得到合理的設(shè)計(jì)。此處，筆者試圖利用我國(guó)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)輕鋼住宅進(jìn)行合理、安全的設(shè)計(jì)。

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2．2．1基本假定

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1)樓板在平面內(nèi)是剛性的；

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2)豎向荷載由龍骨單獨(dú)承擔(dān)，夾板為其平面外穩(wěn)定提供保證；

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3)水平荷載由墻體單獨(dú)承擔(dān)；墻體平面外剛度不予考慮；

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4)水平荷載產(chǎn)生的彎矩由墻體端部龍骨通過拉壓作用承擔(dān)。

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2．2．2設(shè)計(jì)原則

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1)保證各面內(nèi)豎向龍骨的相互對(duì)應(yīng)，確保豎向荷載的傳遞路線；

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2)水平龍骨(梁)與豎向龍骨相互對(duì)應(yīng)，在自身平面內(nèi)形成鉸接框架體系；

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3)地震荷載采用底部剪力法進(jìn)行計(jì)算。

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2．2．3設(shè)計(jì)方法

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有了上述假定及基本原則，就可以根據(jù)我國(guó)的相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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豎向龍骨的設(shè)計(jì)：豎向龍骨按軸壓柱進(jìn)行設(shè)計(jì)。在龍骨位置，螺釘距離一般要求小于300 mm，根據(jù)AISI設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其計(jì)算長(zhǎng)度可取2倍的連接件距離，即600mm；在強(qiáng)軸方向，其計(jì)算長(zhǎng)度即為龍骨長(zhǎng)度。

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水平龍骨的設(shè)計(jì)：水平龍骨按照梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于有夾板密鋪在梁的上方，設(shè)計(jì)中可以不考慮梁的穩(wěn)定性；對(duì)于屋頂梁在風(fēng)吸力作用下的設(shè)計(jì)，若龍骨下翼緣無鋪板，應(yīng)考慮其扭轉(zhuǎn)屈曲，以防止其側(cè)向失穩(wěn)。

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墻體的設(shè)計(jì)：墻體(均指承重墻體)要承擔(dān)由樓板分配來的水平荷載，如同其他的結(jié)構(gòu)體系一樣，對(duì)墻體長(zhǎng)度及開洞大小有一定的要求。當(dāng)墻體開洞較大時(shí)，應(yīng)不考慮該墻體的水平承載力，此時(shí)可采用單柱承受豎向載荷(搖擺柱)；墻體距離應(yīng)滿足規(guī)范要求，以確保剛性樓板的假定。對(duì)于開洞墻體，可以假定墻體有效高度等于總高度減去平行于受力方向的所有洞口或非結(jié)構(gòu)板尺寸的總和。對(duì)于墻體所能承受的剪力，我國(guó)規(guī)范尚無具體規(guī)定，在AISI標(biāo)準(zhǔn)中，采用5398N／m的允許荷載來確定剪力墻的要求；上述承載能力是在如下前提下得到的：

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邊緣構(gòu)件的設(shè)計(jì)：在整個(gè)蒙皮體系(墻體，樓板)中，邊緣構(gòu)件的設(shè)計(jì)及構(gòu)造是非常重要的，這是因?yàn)楹奢d在蒙皮面內(nèi)將產(chǎn)生剪力和彎矩，剪力在墻體設(shè)計(jì)中已經(jīng)得到解決，彎矩則由端部邊緣構(gòu)件的拉壓作用進(jìn)行平衡；在抗震設(shè)計(jì)中，邊緣構(gòu)件的設(shè)計(jì)可以根據(jù)墻體所能承受的最大剪力進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保邊緣構(gòu)件的安全性。

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連接的設(shè)計(jì)：連接采用自攻螺釘連接，螺釘承受剪切力和拉力。

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3低層輕鋼住宅在我國(guó)的推廣及應(yīng)用

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3．1輕鋼住宅推廣的必要性

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?由于采用了較薄的鋼板，并且充分利用了蒙皮效應(yīng)和鋼構(gòu)件的屈曲后強(qiáng)度，用鋼量為30～40 kg/m2；而且，其優(yōu)秀的抗震能力使其非常適合在我國(guó)應(yīng)用，尤其在廣大的農(nóng)村地區(qū)；而我國(guó)傳統(tǒng)的磚石結(jié)構(gòu)，雖然造價(jià)低廉，但其抗震能力較差，同時(shí)對(duì)耕地破壞嚴(yán)重，這與我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的國(guó)策是相違背的；而推廣輕鋼住宅，可以有效地解決上述問題。

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3．2推廣輕鋼住宅所面臨的問題

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在我國(guó)，推廣輕鋼住宅仍然面臨許多難點(diǎn)，主要有以下幾個(gè)方面：

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1)缺乏必要的規(guī)范及設(shè)計(jì)表格，設(shè)計(jì)難度大；

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2)缺乏與之配套的造價(jià)低廉的結(jié)構(gòu)板材；

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3)民眾的可接受程度有待提高。

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3．3前景及展望

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輕鋼骨架體系所具有的多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)家的政策引導(dǎo)下，通過各相關(guān)部門的努力，充分借鑒國(guó)外低層住宅的制造經(jīng)驗(yàn)嘲，進(jìn)一步完善節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及施工方法，輕鋼骨架住宅體系必將取代傳統(tǒng)的磚石體系，成為小城鎮(zhèn)建設(shè)及農(nóng)村建設(shè)的主力軍。

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