7．2 钢框架—混凝土内筒结构经济性分析
目前北京赛博思公司针对北京的地质情况开发出了一套SBS-PSC多层钢框架—核心筒结构体系，该体系已通过建设部专家论证。由于北京地区设防地震烈度是8度（0.2g），采用SBS-PSC结构体系主要是使结构具有足够的抗侧移刚度。
7.2.1 住宅体系特点
1．结构。楼梯间或卫生间为钢筋混凝土现浇筒体，筏板基础；其余部分为热轧H型钢框架，基础为钢筋混凝土单独基础设连系梁。
2．楼板。两种方案:①压型钢板上现浇钢筋混凝土，焊栓钉与梁连接；②在梁间架设活动模板托梁，铺设模板后现浇钢筋混凝土楼板，梁上预焊栓钉与楼板连接。
3．外墙。既可为填充砌体，也可为轻质复合挂板。
4．内墙。分户墙及潮湿环境可用砌体填充；内隔墙及干燥环境可用轻钢龙骨石膏板。
5．吊顶。当采用压型钢板楼盖方案时，吊顶为轻钢龙骨石膏板吊顶；当采用平板楼盖方案时，做吊顶或抹灰。
6．防火。部分构件以砌体包覆，其他构件涂防火涂料，达到耐火等级二级。
7．层高。当楼板采用压型钢板方案时，层高取3m，最大净高2.7m，当楼板采用平板方案时，层高取2.8m，最大净高2.6m。
7.2.2 工程实例
北京信息产业开发区某住宅楼，建筑面积5700m2，6层，层高2．8m，顶层2．9m。本建筑抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0．2g，设计地震分组第一组，II类场地土，基本风压0.35kN/m2，地面粗糙度C类。80mm厚现浇钢筋混凝土楼板，混凝土强度等级C20。钢框架柱:H200×200×12×8，梁:H250×125×9×6，均为热轧型钢。梁Q235钢，柱Q345钢。梁柱刚接，采用栓焊混合连接。剪力墙厚200mm。外墙为250mm厚加气混凝土砌块。分户墙、卫生间、厨房、楼梯间为150mm厚加气混凝土砌块，其余户内分隔墙为100mm厚轻钢龙骨石膏板墙。其平面布置如图7-3所示。
图7-3 标准层平面图
7.2.2.1 结构布置及设计计算
一、基本计算假定
1．楼板为刚性楼板。即在平面内刚度无限大，平面外刚度为零。
2．框架芯筒在水平力作用下协同工作。
3．框架节点为刚性节点，框架梁与剪力墙连接为铰接，柱脚为刚接。
4．对称结构不考虑扭转耦联作用。
5．水平力由剪力墙承担，竖向荷载作用在框架上，内力分析时考虑模拟施工方法。
6．剪力墙为主要抗侧力构件，计算地震作用时不采用钢结构地震影响曲线。
7．计算地震作用时，活荷载折减系数为0.5，计算柱、基础时活载不折减（也可以按规范折减）。
8．框架抗震等级为三级，剪力墙抗震等级为二级。
9．柱计算长度按无侧移考虑。
计算软件采用中国建筑科学研究院TAT结构三维分析软件，前处理用STS进行。
二、计算结果分析
1．地震周期
X向:T1=0.4332s，T2=0.0834s，T3=0.0356s；
Y向:T1=0.4167s，T2=0.1045s，T3=0.0501s。
振型曲线见图7-4，第一振型明显为剪力墙的弯曲型曲线，剪力墙是主要抗侧力结构。
图7-4 振型曲线
2．总地震剪力
QOX=3488kN，占总质量的8.63％；QOY=3755kN，占总质量的9.28％。
3．结构位移
地震作用下，层间位移最大值为1/1643，总位移为1/2211，均满足规范要求。
4．柱、梁强度验算
由计算结果可知:
（1）底层柱长细比为66.14，略大于《高层民用建筑钢结构技术规程》中60的规定，因低层结构尚未超过80（文献），仍满足要求。
（2）计算结果显示未满足强柱弱梁公式的要求，实际工程中柱采用16Mn钢。39柱轴力最大N=1036kN，f=315N/mm2，轴压比:N/（A×f）=1036×103/（64.28×102×315）=0.5＜0.6可满足要求。
（3）梁强度除少数（如31梁）略超规范外，其他均满足要求。
7.2.2.2 构造及主要连接节点
一、结构主要连接节点（见图7-5～图7-14）
图7-5 梁柱的横向连接
图7-6 梁柱的纵向连接
二、建筑构造
1．设计标准
应按照《住宅设计规范》（GB 50096—1999）和该规范所指引的防火、日照、节能、燃气等有关规范以及一些地区性标准。
图7-7 钢梁与剪力墙的连接
图7-8 钢柱柱脚
2．防火
一般住宅耐火等级按二级，钢框架构件的耐火时间为柱2.5h，梁1.5h，在设计中采用砌体包覆或防火涂料的办法来处理；楼板采用压型钢板方案时，如只做模板使用可不做防火处理。
3．保温隔热
图7-9 钢梁与现浇平板连接（平行）
(www.daowen.com)
图7-10 独立钢柱防火
图7-11 分户墙外端柱
图7-12 外墙与钢柱连接
在试点工程中采用了外墙砌块内抹FGC复合隔热层的办法，经实测满足节能要求。
4．外墙与钢框架的连接
当采用混凝土砌块方案时（非承重），应参照《混凝土小型空心砌块建筑技术规程》（JGJ/T 14-95），砌块与钢框架应有可靠连接，在试点工程中把砌块外墙落至基础连梁上，外墙与钢柱柔性连接；采用砌体填充时也可以在各层楼板上砌筑，仍应注意可靠锚固和阻断冷桥；当采用条形外挂板或整开间外挂大板时，必须注意接缝设计和有安装调节措施，注意制品和框架的误差应有一个合理的配合关系。
图7-13 楼层节点
图7-14 框架与大板的连接
5．楼板隔声
楼板隔声是住宅中的一个难点，在试点工程压型钢板方案中，采用设置一层轻钢龙骨石膏板吊顶的办法，实测撞击声压级为70dB，满足标准要求；如果采用平板现浇板底抹灰的办法则很难满足，建议结合内装修做一层吊顶。
6．设备
由于采用了钢框架和轻质墙，水、暖、气及电气的空间条件与常规有所不同，在吊挂、暗埋、检修、防火以及管线穿梁（结构认可）等方面给出细部设计。一般说来，由于采用了框架及轻质墙，使管线的敷设有了更大的自由度。
7．内装修
可以有两个方案，以毛坯房形式交工或以精装修形式交工，采用第一方案时，须对后工序切实做出某些限定和控制，特别是要符合《建筑内部装修设计防火规范》（GB 50222-95）和防水工程的有关规范和标准。建议尽量采用第二种方案，并且在完成细部设计的基础上部分项目以工厂化生产的方式完成内装修，这样做的好处是:（1）扩大体系优势，降低整体成本；（2）规范装修，提高品质；（3）通过专业设计提高装修品位。缺点是:缺乏个性化，但可以提出一个装修菜单供用户或开发商选用。
7.2.2.3 材料、施工及质量措施
一、材料选择
1．钢材采用国产热轧H型钢。
2．压型钢板选用GL-1型，由lmm镀锌卷板压型，波高76mm，波距344mm，作为模板使用在连续板条件下跨度可达3.6m，无须支撑。
二、钢结构的加工与安装
由于采用了热轧H型钢，钢构件的加工量较小，工序主要为锯切、钻孔、焊加劲板、加工柱脚、制作连接件、处理高强螺栓连接面等，构件加工量约为焊接结构的1/3。如果批量较大，可考虑定尺的型钢运至现场，在现场建立二次加工车间完成加工。因最大构件质量小于600吨，所需工装比较简单。钢结构的安装工序滞后于剪力墙施工，按常规方法进行，现场只需汽车吊作业。构件加工及安装的主要依据是《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205—2001）及《建筑钢结构焊接与验收规程》（JGJ81-91）。
三、平板楼盖的施工
当选用平板楼盖方案时，为减化支撑并加快进度可使用免支撑模板架（见图7-15）。
图7-15 免支撑模板架
四、主要施工技术
以SBS-PSC体系现有构成，主要施工技术包括:
1．钢筋混凝土单独基础及连系梁，包括锚栓的设置和电气接地；
2．大模板或滑模施工钢筋混凝土剪力墙（或芯筒）；
3．压型钢板作模板现浇钢筋混凝土楼盖或用活动支架支撑模板现浇楼盖；
4．栓钉焊接；
5．钢结构的加工与安装；
6．局部或底层劲性混凝土施工；
7．带有劈裂装饰面的混凝土小型空心砌块或其他砌体外墙以及与钢结构的连接；
8．外墙内保温采用浆体或其他方法；
9．外墙挂板及其预制、运输、堆放、吊装，误差控制、接缝及密封；
10．钢构件的构造防火和使用防火涂料；
11．轻钢龙骨石膏板内隔墙；
13．采用顶层坡屋面跃层时，彩色钢板复合板施工技术；
14．聚氨酯泡沫现场喷涂；
15．土建工程的其他常规技术；
16．设备工程的新技术，如PVC排水管、复塑给水管、分户采暖系统、电热膜采暖、智能化项目、新的计量方法等。
7.2.3 存在的问题及其探讨
钢框架—混凝土核心筒结构存在的问题是:
1．在水平地震作用下混凝土内筒开裂，将导致结构刚度减小，而加大钢框架的剪力，结构的水平位移迅速增大。
2．要进一步分析研究钢框架—核心筒结构的抗震性能。
3．确定适宜的层间位移限值。
4．混凝土内筒的施工误差远大于钢结构。
5．钢框架柱网宜相对规整，芯筒分布位置有一定要求，又使户型设计受到约束。因此，在建筑设计方案中应注意扬长避短，得到合理的户型平面和丰富的外部造型。
6．多层钢结构住宅的理想外墙应当是功能齐备的轻质外挂板（工厂生产）或现场复合的轻质板外墙系统，目前国内还没有开发出这样的挂板或外墙系统。现阶段除应为开发或引进作准备外，采用轻质砌体填充外墙仍然是一种可靠的选择。
7.2.4 结论
1．该体系用钢量省，型钢部分为33kg/m2，钢筋部分为21kg/m2。
2．有效使用面积比砖混结构增大5％。
3．施工不受季节限制，主体构件工厂化加工，机械化程度高，施工工期短。
4．房间形式灵活多样，满足人性化设计要求。
5．同等利润的情况下，在北京地区其造价可与多层内浇外砌、异型柱框架填充墙及全砌块结构等大体持平。如果钢结构住宅建设批量较大，其预制部分有望降低成本10％～20％，总成本可降低5％～10％。
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