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何保康等：多层薄板轻钢房屋体系可行性报告(结构部分)

作者：建筑中国建筑金属结构信息网网    
时间：2009-12-22 20:26:10 [收藏]

    （西安建筑科技大学中国建筑金属结构信息网所长/博导　教授 何保康、长安大学建筑工程学院 院长/教授 周天华）

    一、国内、外薄板轻钢房屋体系应用状况
    　　1. 三层以下的低层薄板轻钢房屋住宅体系
    　　近二十余年，薄板轻钢房屋体系（也称为冷弯薄壁型中国建筑金属结构信息网CFSF体系）在欧美、澳洲、日本等国家得到较广泛应用，主要用作三层以下的别墅住宅、公寓及其他民用房屋。

    薄板轻钢房屋体系源于传统的木结构房屋，从住宅产业化、环保、抗震防灾、加速房屋建造周期等因素考虑，国外薄板轻钢房屋体系用于替代传统的木结构房屋(图1)。由于国外人少地广，民用住宅主要为1~2层别墅房屋。因此，三层以下的薄板轻钢房屋体系别墅住宅公寓替代木结构房屋在国外有着广阔市场和发展前景。
    　　在美国，薄板轻钢房屋于1993年建造了15000幢，1996年为75000幢，预计2002年房屋数量将增加5倍[1]，为加快这种房屋体系在美国的应用，由全国住宅房屋研究中心（NAHBRC）、美国钢铁学会（AISI）和美国城镇住房开发部（DHUD）等机构，组织并编制了这类薄板轻钢房屋体系（1~3层）设计、建造标准并实现了设计标准化、图表化，在北美称之为“惯用法”（Prescriptive Method）[2,3,4,5,6]。为加速推广这类产业化程度较高的薄板轻钢房屋体系住宅，1998年还成立了北美钢构联盟（NASFA），他们计划将这类薄板轻钢房屋体系争取到2002年后占美国住宅建筑25%左右的份额[1]。
    　　在澳洲，薄板轻钢房屋体系也有较快发展，由博思格钢铁（Blue Scope Steel）、悉尼大学研究和开发，澳大利亚钢铁协会（AISC）及澳大利亚标准委员会（ASC）分别于1991年、1993年先后二次颁布了这类薄板轻钢房屋体系（1~2层）的设计标准AS 2623-1993[7,8,9]。此外，澳洲新西兰海狮（Hayes）公司研制了一种专门用于轧制薄板轻钢房屋体系构件的万能轧机，配合这套轧机，海狮（Hayes）公司还研发了一套海狮CAD、CAM软件。在澳大利亚有不少专门生产这类薄板轻钢房屋体系的房屋工厂。
    　　在日本，自1996年板神大地震后，由新日铁等几家钢铁、钢构公司研究、开发研制了薄板轻钢房屋体系，日本钢铁协会薄板轻钢委员会于2002年颁布了这类薄板轻钢房屋体系（3层以下）的设计手册[10]。目前日本每年建造薄板轻钢房屋别墅、公寓等约一万余幢。
    　　薄板轻钢房屋体系经过十余年应用与发展，作为3层以下低层建筑，无论从结构的安全可靠性，还是制造、安装各种工法已基本完善，各国设计建造的房屋体系也基本类同。为此，国际规范委员会（ICC）于2000年出版了这类薄板轻钢房屋体系国际规范标准[11]。
    　　近几年，我国在建设部大力推行中国建筑金属结构信息网住宅政策推动下，不少房屋公司开发或引进这类1~3层薄板轻钢房屋体系，其中上海现代房地产实业有限公司还自主开发了利用稻草板作保温材料的称之MB-1轻钢龙骨体系低层装配式房屋（见图2）并颁布了上海市地方标准[13]；北新房屋有限公司在北京、山东等地建造了一批以新日铁工法的薄板轻钢房屋（见图3）并制定了公司标准 [14]；上海美建公司、阿姆斯特公司、上海绿筑住宅系统科技有限公司等建造了一批代表北美体系的薄板轻钢房屋住宅别墅（见图4），上海绿住公司也制定了公司的企业验收标准[15]。
    　　据不完全统计，我国近年已建成的这类薄板轻钢房屋体系约有一千余幢。中国工程建设标准化协会（CECS）正组织人力编制这类薄板轻钢房屋体系的设计标准“低层冷弯薄壁型钢建筑技术规程”[16]。总之，我国薄板轻钢房屋体系尚属起步、发展阶段。
    　　2006年11月26日至12月2日，由建设部住宅产业化促进中心组团去日本考察薄板轻钢房屋体系应用状况，此次考察所见，日本在三层以下薄板轻钢房屋体系在结构某些部件上有些改进，如新日铁近期开发的一种新型套管式抗拔锚栓已用于工程实践。此外，开发研制的水泥木纤维板替代OSB板。日本除薄板轻钢别墅外，还兴建一批三层公寓和小户型分户住宅，结构外型平整、有利抗震（如图5、6所示）。
    　　但是，代表团在日本未见有超过三层的多层薄板轻钢房屋体系工程实例。因此，就目前日本三层以下的薄板轻钢房屋体系，可否用于三层以上的多层薄板轻钢房屋尚难下结论。




    2. 三层以上的多层薄板轻钢房屋住宅体系
    　　多层薄板轻钢房屋体系在各国应用的实例不多，但从一些不完整资料或介绍中见到，在北美地区已将薄板轻钢房屋体系用于三层以上的多层房屋住宅中。
    　　2001年，美藉华人钟志明、毛昭宁组建的千禧国际科技顾问公司、毛昭宁建筑师事务所有一份“轻钢在中国”的介绍资料[12]，其中有一张在美国用薄板轻钢房屋体系建成六层公寓照片（见图7）。但末见有详细的结构体系介绍。
    　　2004年，加拿大滑铁卢大学徐磊教授在西安讲学中介绍了加拿大、美国等地建造的一些多层轻钢建筑实例(见图8~11所示)。大部分为六层以下，但其中最高一幢高达9层(图11)。在所见到的多层轻钢建筑介绍资料中，其中不少都是由美国的一家Worthington/Dietrich公司建造的。
    　　美国土木工程学会结构杂志发表二篇报告[18,19]，介绍了北美多层薄板轻钢房屋体系结构组成的一些概况。文献都表述了在北美将冷弯型钢骨架体系CFSF(Cold-Formed Steel Framing)用于3~7层多层建筑，从文献资料介绍，北美CFSF多层房屋结构体系是多种多样的，如楼面结构有：
    　　（1） 如三层以下轻钢楼面类同，在C型钢梁上铺OSB木板(图12)，当梁垮度较大时,还用格构式桁架梁代替C型实复式钢梁(图13)；
    　　（2） 采用予制空心混凝土楼板(Precast hollow-core concrete slabs)楼面(图14)；
    　　（3） 压型钢板现浇混凝土楼面(图15)等。



    CFSF多层房屋结构体系的墙体有：
    　　(1) 类同三层以下锗体，由C型钢立柱和结构墙面板组成，由于多层立柱承受外荷载增大，立柱截面改用弯折腹板及复杂卷边的C型钢(Sigma Stud)，如图16所示。为提高立柱稳定性，在立柱二侧翼缘上设置柔性扁钢水平支撑(图17)，有时在二立柱之间设置刚性水平型钢支撑(图18)。为承受较大水平风载和地震荷载，承重剪力墙体上、下二角端处设置交叉扁钢支撑（如图19所示），这也符合强震区对多高层房屋抗侧的规范要求，经试验证实，这种柔性扁钢支撑具有相当的抗侧能力。
    　　(2) 带隔热保温层的混凝土组合墙板结构(图20)。由此类墙体支承薄板轻钢楼面和屋面。



    CFSF多层房屋结构体系屋面结构，基本与三层以下薄板轻钢房屋屋面类同，只是在屋架与墙体支承处的防风吸力构造连接上有加强。
    　　在我国国内，美国Worthington/Dietrich公司于2006年在常熟也建造了一栋六层的薄板轻钢房屋住宅试点楼（图21），其冷弯型钢构架采用的是北美体系，详细情况有待进一步考察。
    　　北美建造的冷弯型钢构架CFSF多层房屋结构体系，目前尚未查到有专门的设计标准，但有的营造公司自行编制有专有的设计程序、结构选用图表及连接节点构造详图等。从总体上看，北美的冷弯型钢构架CFSF多层房屋结构体系，其理论和实践均不如三层以下薄板轻钢房屋那样成熟、完整。
    　　二．开发多层薄板轻钢房屋体系特点及存在的问题
    　　从上节的介绍可知，北美多层薄板轻钢房屋有多种不同的构造体系，在我国若要开发这类多层住宅房屋，首先要确定采用何种结构体系。
    　　所谓房屋的结构体系是指房屋承受外荷载的结构类型和其传力途径。一般房屋所承受的外荷载有二类，即垂直于地面的竖向荷载和平行于地面的水平荷载（如风载、地震作用等）。房屋结构体系根据房屋层数不同，即外载大小尤其是水平荷载大小不同，采用不同的结构体系。如常用的有刚架结构、框架支撑结构、框架?剪力墙结构及框架?筒体结构体系等等。这些不同的结构体系，最主要差别是抗侧力结构不同，房屋层数越多，其作用的水平荷载越大，房屋的抗侧力结构要求越高。
    　　对于多层(6层以下)薄板轻钢房屋体系结构形式，有以下二条途径可供选择：
    　　(1) 采用轻型H型钢刚架或框架支撑结构作为主结构，上述三层以下薄板轻钢房屋中采用的冷弯薄壁型钢构架体系仅作为填充墙体、楼面及屋面等次结构的混合轻中国建筑金属结构信息网体系。这种结构体系可满足房屋承受和传递外荷载的要求。
    　　(2) 基本采用上述三层以下薄板轻钢房屋中采用的冷弯薄壁型钢构架体系，在抗侧体系上，借鉴北美CFSF多层房屋结构体系一些有效措施，以满足薄板轻钢多层房屋承受和传递外荷载的要求。
    　　经综合分析比较，本报告建议采用上述第二种方案，即以冷弯薄壁型钢构架体系的板块多层房屋体系（简称：多层CFSF体系），这种体系有以下优点及问题：
    　　1、多层CFSF体系优点
    　　1） 冷弯薄壁型钢为主要承重骨架承载力高、节约钢材。
    　　冷弯薄壁型钢与同样截面积的热轧型钢相比，其截面力学特性指标如惯性矩、面积矩可提高50~180%，回转半径提高50%以上。这些力学指标表明：用冷弯薄壁型钢作承重骨架，用较少钢材可取得较大的承载力。图22所示为不同结构用钢量的近似比
    　　较，图中轻钢体系即为本报告所述多层CFSF体系，其用钢最省为30~42kg/m2。


    2）.构件强度高、自重轻，截面尺寸小，有利抗震和增加房屋使用面积。
    　　冷弯薄壁型中国建筑金属结构信息网重量是热轧普中国建筑金属结构信息网的1/3-1/5，是混凝土结构的1/6-1/10；轻钢墙体重量仅是砖混墙体的1/9-1/10左右。构件自重轻便于整体运输、安装。构件截面尺寸小、墙体薄，有利提高房屋使用率，与一般混凝土房屋相比，增加房屋使用面积5~10%
    　　3）.构件采用镀锌或镀铝锌薄钢板，防锈性能好，减少结构维修护理费用。
    　　根据建筑物建造地点、环境不同，型钢镀锌量要求也不同，锌层厚度决定房屋构件使用寿命。目前，各国标准基本分三挡。
    　　(1) 构件地处潮湿环境且裸露状态时，镀锌量要求275克/m2 (相当镀锌厚度为20微米)；
    　　(2) 承重及外墙构件，镀锌量要求180克/m2 (相当镀锌厚度为13微米)；
    　　(3) 非承重构件, 镀锌量要求120克/m2 (相当镀锌厚度为8微米)。
    　　根据英国钢铁公司对不同地区、环境的15栋轻钢住宅跟踪取样的测试结果：轻钢镀锌构件锈蚀率为三年平均不到0.1微米，也就是说，8微米厚镀锌冷弯薄壁型钢构件，正常使用条件下，使用寿命可达240年。而一般住宅的设计寿命仅50年。
    　　美国国家住宅研究中心（NAHBRC）对4栋地处环境较差寒冷或炎热近海地域轻钢住宅跟踪取样测试结果表明：目前采用的轻钢镀锌构件住宅，使用寿命可达100年以上。因此，采用镀锌或镀铝锌冷弯薄壁型钢构件作成的薄板轻钢房屋结构体系，就防腐而言，其耐久性远大于设计使用年限，可以认为其耐久性是可靠的。
    　　次外、薄壁型钢构为不燃材料，也无木结构存在的虫蛀问题。
    　　4）.工厂制造、工地拼装，施工速度快，基本可以实现住宅房屋产业化的目标。
    　　由于构件轻，房屋的墙体、楼面(包括面板，乃至门窗，外装饰面材、保温材料等)基本上均可在工厂制造完成，板块运送至工地，没有焊接等工序，采用自攻螺钉或螺栓连接拼装，基本上可以实现住宅房屋产业化的目标（见图23）。房屋建造施工速度之快，是其它任何结构体系相可比拟的。


    为说明这类房屋施工速度之快，在此仅举一例。2006年11月26日至12月2日由建设部住宅产业化促进中心组团去日本考察薄板轻钢房屋体系应用状况，代表团于11月28日上午到知叶县东海市参观正在兴建二幢别墅工地(每幢约200平米)，当天约10余位工人刚从基础上开始做一层地面和墙面(见图24照片)，第二天29日上午再到工地时，二层别墅结构已经封顶(见图25照片)。


    5）.钢材回收率为100%，施工干作业，符合国家持续发展和环保、节能要求。
    　　用回收废钢炼钢，耗能仅为矿石冶炼的40%；中国建筑金属结构信息网房屋基本为干作业，节约大量施工用水，改善混凝土结构施工环境脏乱、燥音大的局面；次外，墙体构造有空腔，室内外空气在墙体内可流动，建筑的热工性能、房屋居住舒适度好，符合国家可持续发展和环保、节能的要求。

    　2、多层CFSF体系问题
    　　这类房屋体系的屋面、楼面结构，由低层改为用于多层使用功能并不发生改变，因此，这二部分结构在多层房屋结构体系中，基本上仍可沿用低层薄板轻钢房屋体系的构造和作法。
    　　多层薄板轻钢房屋CFSF体系最主要的问题是墙体结构。由图26可见，屋面、楼面均支承在墙体结构上，它们所承受的各外荷载均要传递给墙体结构。因此，墙体结构除承受墙体本身的荷载外，还要承受屋面、楼面传来的竖向荷载和平行于墙面的水平荷载。并由上至下，逐层传递，最终由底层墙体传至混凝土基础。因此，随着房屋层数增加，墙体尤其是下部几层墙体受力将随之增加。以下简要分析一下，墙体的受力和传递过程一。
    　　垂直荷载：主要由冷弯薄壁型钢屋架、楼面型钢梁传给墙体型钢立柱(Stud)承受并传至 基础。由于屋架、楼面梁和墙体型钢立柱基本在同一轴线平面内，故墙对垂直荷载的承受和传递是明确的(见图27)。且这些构件间距仅400~600mm，

    各构件所受外荷载不大，由此可见：薄板轻钢房屋体系墙体对承受和传递垂直荷载而言，由3层改作5~6层是可行的。但底部三层墙体立柱应适当加大截面尺寸。
    　　水平荷载：薄板轻钢房屋体系承受水平荷载包括：风载和地震作用荷载等。水平荷载主要由平行于荷载方向的墙体承受并传至基础。承受水平荷载的墙体称之为剪力墙体(Shear Wall)。当一个水平力作用在墙体顶端时，则在墙体底部将产
    　　生一对力矩和剪力，水平力作用产生的力矩将使墙体发生传动(如图27所示)。为防止和承受力矩对墙体传动作用，因此，在墙体底部二端设置抗拔锚栓(Hold Down 如图29所示), 水平力作用产生的墙体底部剪力将使墙体发生水平移动，为此，在墙体底部设置了抗剪螺栓(如图30所示)。

    这里要强调的是：这类薄板轻钢房屋体系的墙体上、下是不连续的，各层楼板将墙体分成各层自身的墙体段；为了传递屋面、各层楼面传来的水平荷载，并由墙体一层层传至基础，在各层不连续墙体之间设置了专门的附加连接件如抗拔锚栓(Hold Down )、抗剪螺栓等等，通过这些连接件使上、下不连续的墙体连接成整体，并如同传统剪力墙的作用一样，承受并传递作用于房屋的水平风荷载和地震作用，起到整体建筑抗侧力体系的作用。这是这类房屋结构体系由低层改为多层后，安全可靠与否的关键部位。
    　　目前，薄板轻钢房屋体系采用的墙体构造，对承受和传递3层以下的住宅或公寓等房屋的水平荷载而言是可行的。但对3层改作5~6层后是否可行，显然是不足的。因此，由低层改为多层薄板轻钢房屋体系，墙体抗侧力构造必须作适当的改进和增强，以承受和传递由于层数增加而增大水平荷载。
    　　三、多层薄板轻钢房屋结构体系存在问题处理设想、建议
    　　综上所述，就目前三层以下的墙体构造、尺寸等不能满足5~6层薄板轻钢房屋体系主要存在以下问题：
    　　(1) 单根C型钢墙体立柱尺寸不能满足5~6层竖向荷载下的强度和稳定性要求；
    　　(2) 抗侧力结构体系不能满足5~6层水平荷载下墙体抗剪和抗倾覆要求。墙体设置的抗拔锚栓及抗剪螺栓尺寸、数量及构造等均有待改进。
    　　上述问题1是不难解决的，只需加大在房屋底部几层的墙体立柱截面，例立柱可用二根或多根C型截面组成（见图31）或设计一种新型立柱截面，如北美多层轻钢房屋建议采用Sigma型截面立柱等（见图16）。

    上述问题2是取决于能否用于多层薄板轻钢房屋体系关键问题。首先，需改进并增强墙体抗剪、抗倾覆承载能力，如底层抗拔锚栓可改为双锚栓构造或连接锚栓的悬壁连接件直接落地等措施(图32所示)，以减轻立柱局部受力过大而被拉断或压屈破坏现象。在二层以上层间立柱设置的抗拔锚栓亦可采用新日铁研制的带套管的抗拔锚栓，必要时也可采用双锚栓构造等。

    其次，可借鉴北美多层轻钢房屋采用的在剪力墙体中设置水平及交义支撑等措施(图17~19所示)，以增强墙体抗侧能力，这种作法也相当于在多层薄板轻钢房屋体系中作了二道抗侧力“防线”，这也符合抗震规范对强震区多、高层房屋抗侧要求的
    　　以上对多层薄板轻钢房屋体系加强抗侧结构建议作法，很不成熟，尚待深入研讨，仅作参考。目的是想要说明：将低层薄板轻钢房屋体系用于多层房屋体系时，加强墙体抗水平荷载的构造，还是有措施可循的。因此，研发多层薄板轻钢房屋CFSF结构体系，从结构安全可靠角度论证是有可能的，也是可行的。
    　　为研发多层薄板轻钢房屋结构CFSF体系，在具体作法上有如下建议：
    　　（1）在国内、外对薄板轻钢房屋结构体系充分调研论证基础上，建议由一家设计单位（如请北新房屋）作一幢6层住宅房屋薄板轻钢房屋CFSF体系的试设计，抗震设防裂度可取为上海（7度）及北京（8度）二地,。通过设计，作初步经济分析比较；
    　　（2）重点对多层薄板轻钢房屋CFSF体系墙体抗侧能力作必要的试验研究。如墙体1:1模型抗剪承载能力试验(见图33所示)；若有可能，作一个单元1:1模型的多层薄板轻钢房屋体系住宅抗震模拟试验(见图34所示)；
    　　（3）兴建试点工程并总结推广。

    四、结 语
    　　综上所述，对在我国研发多层薄板轻钢房屋CFSF体系，从房屋结构受力角度，总结如下：
    　　1. 薄板轻钢房屋体系经过国内、外二十余年应用与发展，作为3层以下低层建筑，无论从结构的安全可靠性，还是制造、安装的各种工法、设计标准等已基本完善并是可行的。
    　　2. 在国外，多层薄板轻钢房屋体系，近几年在北美己经用于工程实践，其结构体系多种多样，主要用于住宅、公寓、办公楼及旅馆等商用房屋，但目前尚未见到专用的设计标准或指南；因此，这类房屋体系在国外尚属起步、开发阶段。
    　　3. 在我国研发多层薄板轻钢房屋体系，宜采用类同在我国已用于低层别墅住宅的薄板轻钢房屋体系，即以冷弯型钢骨架CFSF (Cold-Formed Steel Framing)的多层薄板轻钢房屋体系，因为这类房屋体系具有工厂制造、工地拼装，施工速度快，可实现住宅房屋产业化的目标。
    　　4. 实现以冷弯型钢为承重骨架CFSF的多层薄板轻钢房屋体系，其关键在于要提高承重抗剪墙体的抗侧能力。可借鉴北美多层轻钢房屋结构增强抗侧能力的一些有效的措施和构造，如改进墙体立柱截面型式、尺寸和增设墙体水平和交叉扁钢支撑等都是可行的。总体而言，研发多层薄板轻钢房屋CFSF体系是可能的。
    　　5. 研发多层薄板轻钢房屋体系必须遵循技术先进、经济合理、安全适用的原则。因此，在对国内外信息资料、工程实践作充分调研、论证的基础上，对房屋结构体系作出合理选择，并进行试设计，开展必要的1:1结构模型的试验研究，以确保选用结构体系的安全、可靠并经济合理。
    　　以上报告，仅从房屋的结构角度，对实现多层薄板轻钢房屋CFSF体系的可行性提出一些初步论证，片面之处，在所难免，仅供参考。
    参考文献：
    　　[1] YU,W.W. Cold Formed Steel Design.,3nd Ed. John Wiley & Sons Inc. New York,2000.
    　　[2] Prescriptive Method for Residential Cold-Formed Steel Framing, First Edition. NAHB Research Center 400 Prince George’s Boulevard Upper Marlboro, MD 20774-8731, May 1996.
    　　[3] Commentary on the Prescriptive Method for Residential Cold-Formed Steel Framing, First Edition. NAHB Research Center 400 Prince George’s Boulevard Upper Marlboro, MD 20774-8731, May 1996
    　　[4] Prescriptive Method for Residential Cold-Formed Steel Framing, Year 2000 Edition. North American Steel Framing Alliance, 2000.
    　　[5] Commentary on the Standard for Cold-Formed Steel Framing-Prescriptive Method for One and Two Family Dwellings, December 31,2003. AISI.
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    　　[11] International Residential Code for One and Two-Family Dwellings. International Code Council, 2000
    　　[12] 钟志明、毛昭宁, 轻钢在中国 ,千禧国际科技顾问公司，毛昭宁建筑师事务所,2001年2月。
    　　[13]上海市建筑产品推荐性应用标准，MB-1 轻钢龙骨体系低层装配式房屋规程，上海市工程建设标准化办公室，上海现代房地产实业有限公司，2001 上海。
    　　[15] 低层冷弯薄壁型中国建筑金属结构信息网施工质量验收规程，企业标准， 上海绿筑住宅系统科技有限公司，2005, 上海。
    　　[16]中国工程建设标准化协会标准 低层冷弯薄壁型钢建筑技术规程，(征求意见稿),CECS,2004 北京
    　　[17]中华人民共和国国家标准，冷弯薄壁型中国建筑金属结构信息网技术规范 GB50018-2002，中国计划出版社，
    　　北京，2002。
    　　[18] D. Allen, Mid-Rise Construction Detailing Issues with Cold-Formed Steel and Compatible Construction Materials，Structural Engineering and Public Safety, Proceedings of the 2006 Structures Congress, ASCE 2006.
    　　[19] Nabi A. Rahman, Cold-Formed Steel-Plank System for Mid-Rise Construction, Structural Engineering and Public Safety, Proceedings of the 2006 Structures Congress, ASCE 2006.
    （何保康西安建筑科技大学中国建筑金属结构信息网所长/博导　教授、 周天华 长安大学建筑工程学院 院长/教授）
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