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钢结构高层住宅的优缺点范文1
关键词: 钢结构住宅体系性能研究
中图分类号： TU391 文献标识码： A
钢结构住宅在我国是一种新的住宅建筑形式，具有施工简便、工期短、投资回报快、结构抗震性能好等优点，很好地符合了我国住宅产业化的发展方向，有着巨大的发展潜力。我们针对钢结构住宅框架结构的综合性能进行了初步探讨，并分析比较了几种不同结构形式的优缺点，以期对工程实际有所裨益。
一、结构性能研究
钢结构住宅可采用的结构形式包括框架结构、框支结构、框架核心筒体系、轻钢龙骨结构以及交错桁架体系等。其中框架结构传力明确、构造简单，在多层、小高层或高层中均可采用，是最基本的结构体系。我们从多层及小高层两个方面对钢结构框架体系进行讨论，通过大量的计算数据分析了梁柱截面变化对结构侧移的影响效果，以及结构最大侧移、层高、跨距与单位耗钢量之间的变化关系。在我国，钢结构住宅的主流及以后的发展方向是多层及小高层住宅，一般都属于平面板式结构，其长、宽及高度都符合一定的范围。根据这些建筑特点，我们首先确定多层及小高层结构的长度、宽度及楼高，其中多层结构长40 m，宽12 m，楼高取22 m，而小高层的长度为48 m，宽度14.4 m，楼高36 m。在此基础上通过改变层数和长度方向的跨数来实现结构跨距、层高的变化。同时在各种跨距、层高情况下又配合有梁柱截面的变化，共有1万余种组合。整个计算分析过程采用ANSYS-APDL语言编程完成，梁、柱用单元Beam188进行模拟，可设置截面，楼板用She1163单元模拟。计算中考虑结构自重、楼面荷载及水平方向静荷载，其中水平荷载仅考虑横向，通过在结构各单元上施加水平加速度a =0.52 m/s2来模拟实现。
1)、梁柱截面对结构侧移的影响效果。
我们在各种层高、跨距情况下分别连续变化梁柱截面的大小，然后计算出结构顶点位移也即结构最大侧移量。以此来考察梁柱截面对结构侧移的影响，并分析结构层高或跨距的变化对这种影响效果带来的改变。发现在多层及小高层结构中，梁、柱截面越大，跨距越小。而层高在一定范围变化时这种影响效果并没有大的波动，不占主要因素见图1：
图1侧移梁柱截面曲线、层高3m、跨距4 m
2)、侧移与单位耗钢量之间的关系
随着梁柱截面的增大，结构侧移必然减小，同时用钢量也增大。为了研究侧移与用钢量之间的变化关系，我们绘制出多层及小高层结构的侧移一单位耗钢量曲线见图2：
图2 最大侧移、单位耗钢量曲线、多层、层高3.3 m
通过对各种层高、跨距情况下侧移一单位耗钢量曲线的分析比较，可得知无论是多层或小高层结构，侧移随单位耗钢量的增大面减小，当跨距较大时变化较为迅速，但当单位耗钢量达到85kg/m2后，曲线趋于水平，此时再一味增大梁柱截面并不能有效地控制侧移。同时，层高的变化对侧移与单位耗钢量之间的关系影响不大。
3)、跨距、层高与单位耗钢量的关系
当梁柱截面偏小时，很可能引起结构的内力超限，造成构件破坏或失稳，同时也会导致结构变形过大，影响使用：如果截面偏大的话，结构自重增加，耗钢量增大，也造成不必要的浪费。我们在各种跨距、层高情况下选取最为合理的梁柱截面，选取的原则为保证结构的各项内力均满足要求，同时控制最大层间位移，避免截面过大，造成浪费。将这一合理的梁柱截面所对应的单位耗钢量与结构的跨距、层高联系起来，绘制出跨距一单位耗钢量曲线及层高一单位耗钢量曲线。
图3 跨距、单位耗钢量曲线、多层
由图3及图4可看到，单位耗钢量随跨距的增大面减小，当跨距达到5m以后减小速度渐趋缓慢，到12m或13m左右时耗钢量达到最小，此后耗钢量开始随跨距的增大面上升。因此我们认为钢结构住宅建筑的跨距应控制在5m-12 m。
图4 跨距、单位耗钢量曲线、小高层
图5为层高单位耗钢量曲线，可看出层高越大单位耗钢量越大，当跨距较大时并不明显，面当跨距小于4 m时，变化逐渐显著起来。因此当跨距较大时，层高在一定范围内的改变对单位耗钢量不会带来大的影响。
图5 层高、单位耗钢量曲线
二、举例分析
前面研究并了解了钢结构住宅框架结构的综合性能。在实际工程别是抗震烈度较高的地区，为控制结构在地震作用下的位移，提高抗震性能，会在框架结构的基础上设置抗侧力支撑或核心筒体等。因此，我们拟对多层及小高层钢结构住宅的框架、框支、框筒结构等进行算例分析，以比较各自的优缺点。
对于小高层钢结构住宅，我们对框架、框支、框筒三种方案进行了比较。整个计算采用PKPM系列STS + SATWE完成，考虑风荷载和地震荷载，基本风压0. 35 kg/m2，抗震设防烈度8度，柱采用焊接箱形柱，梁为H型钢，支撑则用小114 x4的圆钢管。计算中楼板假定为刚性楼板，框架节点为刚接，框架梁与核心筒连接为铰接，柱脚刚接。最后的计算结果如表1所示：
从表1结果中可以看出，方案一的钢框架结构自重轻，周期长，地震作用小，但刚度较小，因面在水平荷载作用下的位移较大，最大层间位移角为1/378。而钢结构住宅的外墙及内隔墙普遍采用轻质材料，强度低，变形能力差，过大的结构变形很容易使其开裂。面框架支撑结构由于支撑的设置，横向的抗侧移刚度有了较大的提高，面用钢量只增加了1.43%，结构的自振周期从2.339s减小到1. 662 s，同时地震力增加了约50%。总的来看，应为钢框架支撑结构，仍然具有自重轻，延性好等特点，同时又保证了足够的侧向刚度。方案三的框筒结构侧向刚度很大，但同时自重增大了23.5%，且由于刚度的增加，周期明显减小，结构承受的地震力达到前两方案的两倍左右。
所以，综合经济性、施工方便性、抗侧性能等多个方面来看，在高抗震烈度地区的小高层钢结构住宅中，采用框架支撑体系，具备抗侧刚度较大，施工简便，用钢量少，经济合理等优点。相比于其他结构形式更为适宜。另外，通过对多层钢结构住宅的体系举例比较，我们认为在多层钢结构住宅中，由于建筑高度较低，钢框架结构在保证强度要求的同时能够提供足够的抗侧刚度，因此最为适宜。
总之，通过以上的分析研究，我们发现钢结构住宅中，在框架结构的性能表现方面多层与小高层基本相同或相似。当钢结构住宅的跨距较大时，改变梁柱截面更能有效地控制侧移。当单位耗钢量达到85 kg/m2，再一味增大梁柱截面并不能有效地控制侧移。我们认为钢结构住宅建筑的跨距应控制在5m-12m，此时层高在一定范围内的改变对单位耗钢量不会带来大的影响。在小高层钢结构住宅中采用钢框架支撑体系最为适宜，而多层住宅应尽量采用框架结构。在我国，传统的住宅建筑一般都是采用小跨距、小空间的结构形式，这主要是由砖混结构、钢筋混凝土结构等的结构性能以及当时的住房条件所决定的。参照以上结论，我们认为钢结构住宅采用大跨距、大空间的结构形式更为适宜。这样既能够充分发挥钢结构的性能优势，又能够实现室内无柱、户内无柱，很好地满足了住户对室内空间自由分配的需求。
参考文献:
钢结构高层住宅的优缺点范文2
关键词：钢结构，建筑结构体系，钢结构建筑
中图分类号：TU3文献标识码： A 文章编号：
引言
随着社会步伐的不断变迁，具有强度高、韧性好、抗震性能优、施工周期短等优点的钢结构建筑正逐渐取代传统的粘土、砖石、钢筋混凝土建筑结构，得到了迅速的发展。钢结构建筑体系的类型有多种,按其高度可分为低层和多、高层结构体系, 按跨度可分为大跨度结构体系，超大跨度结构体系。本文主要介绍了不同的钢结构建筑的结构体系。并分析了它们的实例及优缺点,这对今后的建筑设计有一定的指导意义。
低层结构体系
低层钢结构体系在我国主要应用在大型公共场所，由于较钢筋混凝土等的造价较高，在民用住宅上的应用较少。但在欧美等发达国家，低层钢结构在住宅、别墅中的应用相当成熟且广泛。不过随着我国经济的不断发展，钢结构住宅的普及将是一个趋势。现在所谓钢结构在底层建筑中主要的形式有轻钢骨架的形式和门式钢架两种。1.1 轻钢骨架结构
轻钢骨架体系主要分为冷弯薄壁型钢格构式结构体系和热轧型钢结构体系。该结构体系韧性强，不宜受到地震和各种侧向风力的影响；各个部件标准化，方便施工，耗时短，因此成本较低；对空气污染较小，很环保。在现代低层钢结构建筑中具有较高的性价比和经济效益。轻钢骨架体系结构实际上只是相当于一个骨架，其中用来填充骨架结构的结构主要有：楼板，墙板以及屋面板等。1.2门式刚架结构
门式刚架结构是以梁和柱组成骨架，内置支撑的结构体系。基本形式有典型门式钢架、带吊车的门式钢架以及带局部二层的门式钢架。门式刚架结构材料的承载力很好,并且造价低廉。这得益于它自重轻,内力分布均匀的优点。构件工业化程度高, 构件单元安装便捷。
二、多、高层结构体系
多高层钢建筑体系相比低层建筑体系结构而言，更要发挥其钢结构本身的材料优势。当然，与此同时，也要满足多高层建筑的建筑规范。多高层建筑主要采用的是框架体系结构，其中包括：钢框架体系结构、框架-支撑体系结构以及框架-剪力墙体系结构等。2.1 纯框架结构
由梁、柱组成的结构单元称为框架。所谓的框架体系结构是指，用来抵抗侧力的部件均采用的是框架部件。钢框架结构早在1900 年即已出现，类似于钢筋混凝土框架体系。
框架结构因为简单灵活的特性，在施工建造时能够灵活地为建筑物提供较大的空间和更为合理适用的布局；结构各部分的刚度比较均匀，施工时材料的选择上会比较简单，操作性强；框架结构较大的延展性和较长的自振周期使得它的抗震性能很好，对地震的影响不大；框架结构的梁柱构件结构因其独特的优点例如容易实行标准化、定型化以及装配化，这就使我们的设计变得更加简便了。这些很好的优点为钢框架结构在实际建筑应用中奠定了良好的基础。
但是框架结构不可避免的具有自身的缺点，抗侧刚度较小，一般适用于层数不超过30层的高层结构，在较高层建筑上会很容易受到侧向风的影响，危险性较大。2.2 框架-支撑结构在地震时，如果没有钢框架-支撑体系结构的辅助，房屋就很难再险境中存活下来。为此我们增加了房屋的支撑结构来加强多层房屋建筑的侧向刚度以及它抵抗水平风的承受程度。这种体系结构的之所以有这种性能，是因为它能够承受住水平力和侧向力，有了这种性能，使得在房屋的层数过高时比单纯的框架结构更加经济可靠。而且此体系较纯框架结构用钢量少，节点构造较其他体系相对简单。另外，框架支撑体系结构的使用从整体上提高了房屋建筑结构的刚度，使得整体框架结构能够抵抗侧面的压力。同时，从抗震特性以及侧向刚度较大的角度来说，框架支撑体系结构属于双重抗侧力体系。上面已经说过，当楼层高于一定的高度时才有必要使用钢框架的支撑结构，因此在层数较高时适用框架体系结构，这个楼层高度一般是在35到40层左右。2.3 框架- 剪力墙结构 下面我们再来介绍框架-剪力墙结构，这种结构是用来抵抗竖向的压力以及侧向力的，其中框架是用来承担来自竖向和水平的负荷。，而剪力墙的作用主要是平均各层框架之间的力，从而承担了大部分的剪力，因此，剪力墙的结构虽然简单但非常具有实用性。 钢框架-剪力墙结构比钢框架结构的刚度和承载能力都大大提高了，无论在非地震区还是地震区，这种结构型式都可用来建造较高的高层住宅，一般是40-60层的结构。
其实，钢结构的种类有很多，还有一些比较常用的结构，例如有交错桁架体系悬挂结构、框架筒体系、矩形框架体系、外交叉桁架体系等，这里就不一一赘述。
三、大跨度结构体系
近几年来，大跨空间结构发展十分迅速，并且随着它的飞速发展，这种体系结构已经在建筑行业拥有了不可动摇的地位。 主要应用在剧院、展览馆等公共建筑和造船厂等生产性建筑。大跨度钢结构建筑分为平面结构和空间结构。下面我们来依次对平面结构和空间结构进行讨论和细分。
3.1 平面结构 （1）梁式结构 梁式结构体系,主要是桁架。梁氏结构现在应用广泛，可用于工业和民用的建筑中。在使用过程中它不会产生水平方向的推力，因此可以用来支撑墙壁，它的制造和安装过程也比较简单，使用十分方便。在跨度较小时，可以采用实腹式梁式结构；跨度在50-70m及更大时，不能采用梁式结构。 （2）框架结构
框架结构也有很多自身的优点，例如，框架结构与梁式结构相比，可以从一定程度上降低建筑物的高度，另外它还从选材以及高度上都降低了成本，因此比梁式结构更加的经济。 目前，主要应用在工业建筑物中。（3）拱式结构 拱式结构主要用于屋盖的设计，受力合理，比梁式和框架式屋盖结构经济。主要应用在民用公共建筑物中。 3.2 空间结构 （1）网架和网壳结构 网架、网壳是一种高次超静定空间结构体系。与平面结构不同的是，这种结构能够承受来自各方面的力或者是负载强度，另外它还有很多的优点，网架和网壳结构的空间刚度和抗震性能都比较好。杆件自重较轻，非常节约材料，可以利用小规格的杆件建成大跨度的结构。并且杆件规格划一，适于工业化生产。该体系广泛用于公共建筑及工业厂房等屋盖承重结构。
（2）悬索结构 悬索结构的主要的受力构建就是用来拉东西的索，这种索可以悬挂在相应的支撑结构上。在使用悬索进行支撑时，由于轴向拉伸作用，使得钢材的强度得以充分利用；施工方便，费用低；便于建筑建造。是比较理想的大跨度结构形式之一。
现如今，大跨度体系结构在建筑结构中使用的非常广泛，但美观性也是需要让人考虑的一个因素，因此在使用这种结构的时候，往往要更注重它的美观性。四、钢结构建筑的发展前景 钢结构建筑在我国有广阔的前景，适应于时代的发展。这是因为钢具有强度高、质量小、韧性好、抗震性能施工周期短等优点以及我们国家发展和环保的需求，使得钢结构建筑能够迅速发展，甚至成为整个建筑体系中的主流。 钢结构应用范围广泛，在住宅建筑、各个行业以及城市规划建设中具有很大的应用前景。
五、结语 在钢结构飞速发展的今天，新型的钢结构体系以飞快的速度不断涌现。我们若想更加正确的选择我们所应使用的钢结构体系，就必须及时去了解每一种钢结构体系的使用性能。钢结构具有强度高、质量小、韧性好、抗震性能好、施工周期短等优点，是一种有利于保护自然环境、符合我国现代基本国情的可持续发展的绿色建筑模式，可带动各种产业的大力发展，给社会带来大量的经济效益、社会效益和文化附带效益。
参考文献：
【1】李天，门式钢架轻钢结构支撑体系的建模及受力分析，郑州大学，SteelConstruction 2005。
钢结构高层住宅的优缺点范文3
一、混凝土结构的分类
混凝土结构包括素混凝土结构、钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构等。
素混凝土是针对钢筋混凝土、预应力混凝土等而言的。素混凝土是钢筋混凝土的重要组成部分，由水泥、砂（细骨料）、石子（粗骨料）、矿物掺和料、外加剂等按一定比例混合后加一定比例的水拌制而成。这种材料具有较高的抗压强度，而抗拉强度却很低，故一般在以受压为主的结构构件中采用，如柱墩、基础墙等。
钢筋混凝土结构是指用配有钢筋增强的混凝土制成的结构。承重的主要构件是用钢筋混凝土建造的，包括薄壳结构，大模板现浇结构，以及使用滑模、升板等建造的钢筋混凝土结构的建筑物。钢筋承受拉力，混凝土承受压力。具有坚固、耐久，防火性能好，比钢结构节省钢材，成本低，可模性好，结构造型灵活，以及整体性、延性好，适用于抗震结构等特点，因而在建筑结构及其他土木工程中得到广泛应用。
预应力混凝土是在混凝土结构构件承受荷载之前，利用张拉配在混凝土中的高强度预应力钢筋而使混凝土受到挤压，所产生的预压应力可以抵消外荷载所引起的大部分或全部拉应力，也就提高了结构构件的抗裂度。这样的预应力混凝土一方面由于不出现裂缝或裂缝宽度较小，因此比相应的普通钢筋混凝土的截面刚度要大，变形要小。另一方面，预应力使构件或结构产生的变形与外荷载产生的变形方向相反（习惯称为“反拱”），因而可抵消后者一部分变形，使之容易满足结构对变形的要求，故预应力混凝土适宜于建造大跨度结构。混凝土和预应力钢筋强度越高，可建立的预应力值越大，则构件的抗裂性越好。同时，由于合理有效地利用高强度钢材，因而可节约钢材，减轻结构自重。由于抗裂性高，可建造水工、储水和其他不渗漏结构。
二、混凝土结构的优缺点
钢筋混凝土结构在工程中有着广泛的应用，这是因为它有很多优点，其主要优点有：整体性好，可灌筑成为一个整体；可模性好，可灌筑成各种形状和尺寸的结构；耐久性和耐火性好;工程造价和维护费用低。
但是钢筋混凝土结构也存在一些缺点，主要是结构自重大、抗裂性差、一旦损坏修复比较困难、施工季节环境影响较大等，这也使钢筋混凝土结构的应用范围受到某些限制。随着科学技术的发展，上述缺点已在一定程度上得到了克服。如采用轻质混凝土可以减轻自重，采用预应力混凝土可以提高结构或构件的抗裂性能，采用植筋或粘钢等技术可以较好地对发生局部损坏的混凝土结构或构件进行修复，等等。
三、混凝土结构的工程应用
改革开放后，混凝土高层建筑在我国有了较大的发展。20世纪70年代北京饭店、广州白云宾馆和一批高层住宅（如北京前三门大街、上海漕溪路住宅建筑群）相继兴建。80年代，高层建筑的发展加快了步伐，结构体系更为多样化，层数增多，高度加大，已逐步在世界上占据领先地位；广州的中天广场，80层，322m高，为框架—筒体结构；香港的中环广场达78层，374m，三角形平面筒中筒结构；广州国际大厦63层，199m，是80年代世界上最高的部分预应力混凝土建筑。随着高层建筑的发展，高层建筑结构分析方法和试验研究工作在我国得到了极为迅速的发展，许多方面已达到或接近国际先进水平。
在大跨度的公共建筑和工业建筑中，常采用钢筋混凝土桁架、门式刚架、拱、薄壳等结构形式。工业建设已经广泛地采用了装配式钢筋混凝土及预应力混凝土。为了节约用地，在工业建筑中多层工业厂房所占比重有逐渐增大的趋势，在多层工业厂房中除现浇框架结构体系以外，装配整体式多层框架结构体系已被普遍采用。整体预应力装配式板柱体系由于构件类型少，装配化程度高，整体性好，平面布置灵活，是一种有发展前途的结构体系。升板结构、滑模结构也有所发展。此外，如电视塔、水培、水池、冷却塔、烟囱、贮罐、筒仓等特殊构筑物也普遍采用了钢筋混凝土和预应力混凝土。如高380m的北京中央电视塔、高405m的天津电视塔、高490m的上海东方明珠电视塔等。
混凝土结构在水利工程、桥隧工程、地下结构工程中的应用也极为广泛。用钢筋混凝土建造的水闸、水电站、船坞和码头在我国已是星罗棋布。如黄河上的刘家峡、龙羊峡及小浪底水电站，长江上的葛洲坝水利枢纽工程及三峡工程，等等。
钢筋混凝土和预应力混凝土桥梁也有很大的发展，如福建乌龙江大桥，最大跨度达144m，全长548m；四川泸州大桥，采用了预应力混凝土T形结构，三个主跨均为170m，主桥全长1255．6m，引道长达7000m，是目前我国最长的公路大桥。
混凝土结构是我国工程建设中应用广泛的一种结构，在现代化建设事业中起着重要作用。随着改革开放的不断深入，中国的建筑业必将走向世界。
参考文献：
［1］彭少民主编.混凝土结构.武汉工业大学出版社，2002.
