4.2　结构框架体系

适用于住宅的钢结构框架体系根据层数、抗震等要求可分为纯钢框架结构体系和钢混结构体系。具体有以下几种。

4.2.1　薄壁钢骨体系

该体系在美国、加拿大等国家广泛应用。北美钢结构协会（NASFA）专门针对此类型住宅制订了描述性规范（Prescriptive Method for Residential Cold-Formed Steel Framing）。

薄壁钢骨体系外墙和楼板均采用由超级防腐的高强冷轧或冷弯镀锌钢板制作的轻钢龙骨为结构承重体系，轻钢龙骨用钢的强度指标是33～50KSI（换算成公制是230～340N/mm²）。其中采用最多的是33KSI，与我国3号钢的强度类似。墙体和楼板密集的薄壁钢骨（通常龙骨间距400mm）形成整体受力的基本框架体系，墙体龙骨厚度100～150mm，楼面龙骨的高度一般为300mm高，这样墙体和楼面的中空空间可为住宅中布置管网提供方便。轻钢龙骨的截面形状可分为C型槽钢和C型立龙骨，槽钢和立龙骨的宽度可以从60～360mm不等，满足不同结构部位、不同荷载、不同构件的要求。一般作为承重构件的镀锌钢板厚度为1.0～1.2mm。内隔墙不承重，可根据需要调整室内空间格局。

在北美，此结构体系采用2×4（inch）模数，适用于不超过两层的別墅、集合住宅等小型居住建筑。单栋建筑物最大尺寸应控制在11m×18m（宽×长）以内，楼面最大荷载首层不大于1.92kN/m²，二层不大于1.44kN/m²，设计最大风速不超过117m/sec。钢骨形状通常为C型或L型，厚100～150mm，结构体系的连接为专用高强螺钉，薄壁钢骨根据需要在满足规范要求的前提下可以开槽、开孔，以备管线埋设和连接件穿过。

薄壁钢骨体系住宅源自北美木结构住宅。由于其较木结构更优越的抗震、耐久性能，而受到越来越广泛的接受。在美国，随着人们对环境保护的重视及森林资源的不断减少，钢结构住宅已成为装配式住宅的首选，目前美国70％以上的小住宅采用此种结构体系。20世纪80年代日本从北美引进该体系，经过6年时间，投资55亿日元对其加以改进，在构造处理上更加适应日本多风、多地震灾害的岛国环境状况，加强了结构体系抗风、抗震措施。

目前，在北美和日本，针对该体系的一系列配套措施、设备部品已非常完备，除结构体系的各种原材料、加工机械设备和连接配件外，从墙体围护板材、饰面材料、保温防水材料到配套厨卫设备、固定家具等一应俱全，有上千种部件可供挑选。在空间设计上，由于采用模数化设计，设计师可根据业主要求灵活调整空间格局，满足不同生活方式的需要。

总体来看，薄壁钢骨体系住宅是一种工厂化制造，能快速组装，完全干作业的装配式轻钢结构住宅体系，具有用钢量少、抗震、节能和建造省时、省工等特点。目前，我国北新集团推出的薄板钢骨体系住宅就是与日本住房公司合作引进的该种体系小住宅。据测算，此种住宅每平方米用钢量不超过40kg/m²，造价1200～3000元/m²。（根据饰面材料和门窗材料的不同而有所区别）。

4.2.2　纯钢框架体系

大量低、多层住宅适宜采用空间（梁、柱）结构体系。框架体系的轻钢住宅自重轻，自震周期长，对地震作用不敏感。由于其侧向刚度小，当结构高度或层高较大时，需设置侧向支撑以形成支撑框架结构。

采用梁柱结构体系的钢结构住宅，柱网排布有大跨度和小开间密柱式两类。

1．应用于住宅的大跨度结构，合理利用钢结构的受力特点，充分发挥钢材作用，建筑空间开敞，平面布置灵活，空间可变性较强，但结构构件尺寸随柱网加大而加大。受梁柱体系高、跨比的限制，随着跨度的增加，结构钢梁的高度也随之增加，通常结构钢梁高、跨比为1∶15～20，从结构受力分析的合理性和经济性两方面考虑，用于住宅的大跨度钢结构柱网以6～7.2m为宜。此时结构梁高约300～500mm，按层高2.8m考虑，立面开窗高度能达1.4m以上，基本满足住宅规范要求。也有采用更大跨度结构柱网（类似于排架结构），但通常为进深方向长跨距，开间方向即便在层高加大的状况下，也不宜过大，主要还是从经济方面考虑。

2．小开间密柱式布置。根据建筑设计，每一开间均设有柱子，一般3～5m，此结构类型由于跨度小，梁、柱断面都相对减少，在立面开窗、开门上有较大自由度，由于跨度小，结构梁柱断面小，相应的楼板厚度减薄，结构自重减轻，是比较经济的做法。缺点是住宅空间布局受限制较大，难以形成开敞的大空间，建筑空间的可变性较弱。

3．侧向支承的设置可以提高结构压杆（柱）、梁和框架的稳定承载力。支撑设置得当，可以获得节约钢材的效果。应该明确，支撑并非不受力构件，它作为支撑构件的弹性支座，应满足一定的刚度要求，同时还应具有必要的承载力。支撑通常用各种型钢、圆钢管或粗钢筋等在墙体平面内布置垂直支撑体系，根据要求，可沿纵、横向单向布置或双向布置。支撑的形式有X型、人字型、倒人字型、W型、倒W型、门式、单斜杆型、八字型等，还可采用偏心支撑。支撑在建筑中的布置应均匀对称，以保证结构框架整体的稳定性，同时还要尽量避开需要开设门窗洞口的部位。对于板式住宅，支撑多设于楼梯间、厨房、卫生间等部位，对于点（塔）式住宅应设于交通核心筒位置（楼、电梯间）。在不影响建筑功能的前提下，在平面上支撑应均匀布置。支撑与框架铰接，按拉杆或压杆设计。

纯钢框架体系适用于低层和多层住宅，通常住宅层数超过3层、7度以上抗震设防要求，就应设置侧向支撑。

4.2.3　钢混组合结构(www.daowen.com)

钢混组合结构是指钢框架和钢筋混凝土结构混合使用的钢结构类型。

1．钢管混凝土结构和钢骨混凝土结构

钢管混凝土结构指结构梁柱及支撑采用圆型或方型的钢管，钢管内现场灌注混凝土的框架体系。通常是在螺旋焊接钢管内灌注高强度等级混凝土。对柱而言，采用组合结构可以利用钢材高强轻质的特点，钢管内的混凝土能有效提高钢管的局部稳定，外部的钢管对管内的混凝土起到紧箍的作用，提高了混凝土的承载力。这样可以最大限度地减小构件的截面尺寸，增加建筑使用面积，而且节约了柱的支模量。对梁而言，有两种做法，外包钢板方式可替代部分梁内钢筋，也节约支模量。更加普遍采用的是钢梁外包混凝土的做法，可以解决钢梁的防火问题。钢管混凝土由于内部混凝土的导热作用，其耐火性能也大大优于纯钢结构。施工时，一般以每3层为一个制作单元，整根钢管柱一次吊装就位，为主体结构安装创造了流水作业的条件。

钢骨混凝土结构是在钢梁、钢柱周围配置钢筋，浇注混凝土后使钢骨与混凝土成为一体共同作用的组合结构构件。由于钢骨的存在，使得构件延性得到很大改善，变形能力强，抗震性能好，承载能力高。混凝土对于钢骨的包裹解决了钢结构的防火、防腐问题，通常100mm的混凝土外包耐火极限能达到2.85h，满足一般多高层结构柱的耐火极限要求。

钢管混凝土结构和钢骨混凝土结构都是结构框架体系采用钢与混凝土组合作用，两种材料相辅相成共同工作，都具有承载力高、抗震性能好、变形能力强的特点。其中，钢骨混凝土更接近于混凝土框架结构的受力、变形状态。由于整体受力性能优于纯钢框架结构，这两种体系多用于高层及中高层住宅建筑，结构优势发挥得更加充分。

2．钢框架—混凝土核心筒体系

这种结构体系在钢结构中加入钢筋混凝土筒体结构，核心筒刚度大，抗侧力强，主要承担水平荷载，钢框架韧性大，主要承担竖向荷载，二者分工明确，共同作用（图4-3）。

图4-3　钢结构与混凝土筒体连接示意图（圆圈表示铰接）

由于加入了混凝土核心筒的作用，钢结构构件数量相应减少，用钢量有所降低。这种体系用于高层时，钢框架构件有时也会采用钢管混凝土或钢骨混凝土，进一步加强结构整体性。通常混凝土核心筒设置在交通核部分，利用楼电梯间形成内筒，如核心筒满足不了抗剪要求时，可增加剪力墙。剪力墙宜沿两个方向布置，且宜设置在住宅单元分隔、楼盖洞口两侧及平面刚度产生变化的位置附近。所有筒（墙）布置应与框架相协调，满足刚心与重心基本重合的要求，核心筒墙厚度一般不小于层高的1/30。

钢框架—混凝土核心筒体系由于钢与混凝土的共同作用，有良好的抗侧向力性能，抗震性强。更适用于4层以上，抗震设防烈度7度及以上地区。

4.2.4　选择合适的钢结构体系

以上所列钢结构体系住宅结构框架的几种类型，从大方面看即两类——纯钢结构体系和钢混结构体系。具体应用要根据实际情况，综合比较，择优选择（表4-1）。

表4-1　钢结构住宅结构框架类型分析表

目前国内建造的钢结构住宅以上几种结构形式均有，其中薄壁钢骨结构为全套引进国外成熟技术设备，其余以钢混结构居多。一方面，国内设计施工人员习惯于混凝土结构的设计建造；另一方面，国内钢结构规范没有针对住宅类小层高、小跨度、轻荷载结构体系的专门规程，如果统一按公建类取值，势必造成用钢量大，整体造价提高等问题。但从长远看，施工装配化，现场干作业应该是钢结构体系住宅设计建造的主要优势之一。