張曉陽

（東華工程科技股份有限公司，安徽，合肥 230024）

1 概 述

我國的高層鋼結構住宅處在推廣發(fā)展階段，與其相關的技術標準有《建筑抗震設計規(guī)范》［1］、《混凝土結構設計規(guī)范》［2］、《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》［3］、《建筑結構荷載規(guī)范》［4］、《鋼結構設計規(guī)范》［5］、《高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程》［6］等，行業(yè)和地方標準有《鋼結構住宅設計規(guī)范》CECS261、《多高層鋼結構住宅技術規(guī)程》DG／TJ08－2009等，安徽省《高層鋼結構住宅技術規(guī)程》也在編制當中，與此相關的墻、板、柱、支撐等結構構件和子系統相關的行業(yè)標準也很多。這些標準有其各自編制的適用范圍，目前還涵蓋不了“高層”、“鋼結構”、“住宅”的全部內容，不同的地理條件適應性也不同。有些內容缺少標準之間的協調性，有些條款針對性不強，設計時則要參照各個標準規(guī)范，有些規(guī)定和要求需要做判斷和選擇。對高層鋼結構住宅的技術特點進行分析研究，對現行標準的相關內容做針對性的探討和細化，提高針對性和適應性，結合相關技術產品的發(fā)展和應用情況，在依據規(guī)范標準要求的基礎上進行設計和建設，可以更充分地發(fā)揮高層鋼結構住宅的優(yōu)越性，充分體現安全性、經濟性、舒適性，促進高層鋼結構住宅的推廣和住宅產業(yè)化發(fā)展。

2 結合高層鋼結構的特點住宅戶型的設計，合理選擇結構形式和抗側力體系

住宅建筑各個房間的開間和進深因其使用功能各異而不同，布置不規(guī)則，使得結構梁、柱和剪力墻很難在整個樓層平面內對齊貫通。因此在高層鋼結構住宅設計中，需要充分考慮建筑的戶型平面設計與結構的選型布置之間的互相關系及影響。

與高層鋼筋混凝土建筑不同，在高層鋼結構住宅中，除樓梯間和電梯井（簡稱“交通核”）采用鋼筋混凝土筒體外，結構大部分主要構件采用的是鋼結構（包括梁、柱、支撐等）或者鋼－混凝土組合構件（如鋼管混凝土柱、延性墻板等）。交通核以外的抗側力構件主要采用鋼支撐或者延性剪力墻。

由于住宅內外縱墻多開門窗洞的特點，內外縱墻抗側力構件的布置受到的限制較大。鋼支撐的受力性能較好，制作施工方便，但是會影響到門窗的布置，墻面處理面對的困難也較多；鋼板剪力墻等延性墻板可以更好地滿足墻面的處理要求，可以半跨布置減少對門窗開洞的影響，但是技術要求和造價都較高。此外，不同的抗側力構件對建筑熱工性能的影響、對結構的使用維護要求也不同，在建筑方案階段就需要根據這些結構特點進行設計。建筑平面外墻的進退錯落在鋼筋混凝土結構中可以布置“Z”字形剪力墻，而在鋼結構中就會使剪力墻的布置受到限制，所以高層鋼結構住宅的建筑平面布置就需要考慮這些特點，一般要比現澆鋼筋混凝土結構更規(guī)整和規(guī)則。

3 高層鋼結構住宅的適用高度

適度超前的標準可以更好適應實際應用的發(fā)展需要，為高層鋼結構住宅推廣提供技術支持。高層鋼結構住宅設計的高度受到戶型平面、墻體材料、鋼結構的耐久性和使用維護、廚衛(wèi)技術等因素的影響，目前我國的實行的幾個鋼結構住宅標準規(guī)范基本都以100m為建筑高度的限值。隨著高層鋼結構建造技術的快速發(fā)展和日趨成熟，住宅產業(yè)化的積極推進，鋼結構住宅配套技術產品的研發(fā)不斷取得新成果，許多技術難題不斷得到解決，正在逐漸被市場所接受，超高層鋼結構建筑也逐步出現在一線城市以外的更多地方，建造高度超過100m的高層鋼結構住宅和公寓在技術上成為可行。安徽省地方標準《高層鋼結構住宅技術規(guī)程》對適用建筑高度不再作100m的限制，而采用與“高鋼規(guī)”等國家標準一致的適用建筑高度，以適應快速發(fā)展的需要。但是在具體的工程設計中，要結合建筑功能、抗震、消防等技術要求和經濟性，合理確定建筑高度，配合戶型研究確定建筑、結構和設備各方面都合適的平面方案，采取相應的解決方案和技術措施。

住宅建筑需要考慮日照、采光、通風等使用功能需求，常用戶型的住宅建筑平面南北寬度一般在12－18m左右，最大建筑高度也受到結構高寬比要求的制約。在7度抗震設防區(qū)，規(guī)范規(guī)定框架剪力墻結構和框架核心筒結構的適用高寬比不宜大于6－7，相應的最大建筑高度為130m左右。如果要建更高的住宅建筑，就需要對建筑平面和戶型設計進行更多的深入研究和探討，增加建筑平面的寬度；也需要結構工程師對結構體系和結構布置做更多的研究和計算，以保證結構的穩(wěn)定性。

4 結構阻尼比

影響高層鋼結構阻尼比大小的因素很多，不同的結構體系、建筑高度、結構的鋼與混凝土材料比例、墻體材料、墻體與結構主體連接方式（外墻與框架嵌砌或外掛），其阻尼比不同。荷載作用（風荷載或地震作用）和設計階段（彈性或塑性分析）的不同，其阻尼比也不同?！颁撘?guī)”、“抗規(guī)”、“高規(guī)”、“高鋼規(guī)”、《多高層鋼結構住宅技術規(guī)程》等標準對高層鋼結構阻尼比的取值作了規(guī)定，在結構設計計算時，還需要根據高層鋼結構住宅的特點和工程的具體情況，綜合各種影響因素進行分析，才能比較準確確定結構的阻尼比。結構阻尼比隨構件中混凝土和鋼的變形能所占比例大小而不同，剪力墻和框架柱中的鋼－混凝土組合截面越多，即混凝土用量越多，阻尼比就越大，需要進行相應的調整。外墻采用外掛整體墻板，結構阻尼比要大于采用嵌砌砌體。

5 鋼材選用

高層鋼結構住宅的結構應綜合建筑高度、結構和連接形式、制作方法、工作環(huán)境等因素合理選擇鋼材品種，材料的要求可以根據“鋼規(guī)”、“高鋼規(guī)”等標準執(zhí)行。

高層鋼結構承重構件的鋼材可以選用Q235鋼、Q345鋼和Q390鋼，以及Q345GJ、Q390GJ建筑鋼結構專用的高性能鋼板。Q345鋼、Q390鋼是常用的鋼號，如要采用更高強度級別的鋼材，鋼使用時要有依據，則需要有相應的延性與韌性性能保證。GJ鋼板是高層民用建筑鋼結構生產的專用高性能鋼板，比同級別低合金結構鋼具有更好的延性、塑性與焊接性能，但是價格較高，可以根據工程的具體情況使用。

當鋼板厚度≥40mm鋼材時，厚度方向（Z向）抗撕裂性能應符合相關標準的規(guī)定。

由于住宅建筑的特殊性，及使用后較難維修的特點，其鋼構件的耐久性和防護措施就成為非常重要的內容。對外露承重構件和易腐蝕構件，除應采取噴射除銹、長效油漆涂料、加大涂層厚度等防護措施外，必要時可以考慮采用耐候鋼。

6 風荷載計算

“高層鋼結構住宅”屬于對風荷載比較敏感的建筑，風荷載計算對其安全性、經濟性、舒適性有很大的影響?！案咭?guī)”規(guī)定，風荷載比較敏感的、高度超過60m的高層建筑，承載力設計時的風荷載計算按基本風壓的1．1倍采用；“高鋼規(guī)”規(guī)定風荷載計算按基本風壓的1．1倍采用，有特殊要求的高層建筑按1．2倍采用；“荷載規(guī)范”規(guī)定，高層建筑、高聳結構以及對風荷載比較敏感的其它結構，基本風壓的取值應適當提高，并符合有關結構設計規(guī)范的規(guī)定，還說明了可由各設計規(guī)范根據結構的自身特點作出規(guī)定，沒有規(guī)定的可以考慮適當提高其重現期來確定基本風壓。

對于高層鋼結構住宅，當建筑高度超過60m時，可以按照“高規(guī)”規(guī)定，承載力設計時的風荷載計算按基本風壓的1．1倍采用，特殊情況按規(guī)范另行確定；當建筑高度不超過60m時，則可以按照“荷載規(guī)范”規(guī)定附錄E的計算方法，適當提高其重現期來確定基本風壓。在安徽地區(qū)，按70年重現期的基本風壓約為50年重現期的1．05－1．1倍。

住宅小區(qū)的高層建筑集中布置時，樓房相互之間距離較近，計算主體結構的風荷載效應時，應該按“荷載規(guī)范”規(guī)定考慮風力的相互干擾群體效應?？梢詫螚澖ㄖ捏w型系數乘以1．0－1．2的相互干擾系數，復雜情況宜通過風洞試驗或參考類似條件的風洞試驗資料確定。規(guī)范給出了單個和兩個施擾建筑作用的風荷載相互干擾系數圖，但是對于住宅小區(qū)建筑數量更多的情況，風荷載相互干擾群體效應會更復雜，其相互干擾系數需要根據建筑的具體分布情況確定。

7 鋼板剪力墻、帶縫鋼板剪力墻、無粘結鋼板支撐等延性墻板的應用

在高層鋼結構住宅適用的鋼框架、鋼框架－支撐、框架－剪力墻（核心筒）結構體系中，抗側力構件除各種支撐和鋼筋混凝土剪力墻（核心筒）外，根據其特點更多地采用鋼板剪力墻、帶縫鋼板剪力墻、無粘結鋼板支撐等延性墻板。

住宅的戶型平面布置形式受到氣候條件的影響，在冬冷夏熱地區(qū)，典型的框架－核心筒結構體系通常滿足不了住宅的通風、日照等使用要求。當鋼結構住宅的交通核偏置或建筑高度較高時，需要在交通核以外的其它位置布置抗側力構件。可以選用中心支撐、偏心支撐、屈曲約束支撐等，或者是鋼筋混凝土剪力墻、鋼板剪力墻、帶縫鋼板剪力墻、無粘結鋼板支撐等延性墻板。

采用支撐做抗側力構件，技術成熟、設計和施工簡單方便，但是支撐的布置受到內外墻上門窗洞口的制約很大，支撐兩側的覆蓋墻體材料和構造問題也較多；鋼筋混凝土剪力墻因鋼結構特點和施工等因素的影響，主要用于核心筒位置。

鋼板剪力墻、帶縫鋼板剪力墻、無粘結鋼板支撐等延性墻板不承受或較少承受豎向荷載，施工安裝可以在鋼框架形成之后進行，不影響框架的施工進度；可以半跨布置，受門窗洞的影響較?。谎有詨Π鍍擅娓惨耘浣罨炷涟?，厚度和構造容易滿足住宅的墻體和設備管線的布置要求。因此延性墻板在高層鋼結構住宅中具有獨特的優(yōu)點，但是造價和技術要求較高，設計中需要綜合考慮實際情況，選擇合適的結構體系和抗側力構件。

8 梁與剪力墻的半剛性連接

在“高規(guī)”、“抗規(guī)”等標準中，規(guī)定混合結構中樓面鋼梁與鋼筋混凝土剪力墻（核心筒）的連接形式可采用剛接或鉸接。為減小混凝土核心筒和鋼框架柱之間的沉降差異所引起的附加內力、考慮混凝土收縮和徐變因素的影響，樓面梁與與混凝土核心筒的連接宜采用鉸接；如需要增加結構整體剛度時，則可以采用剛接。鉸接的受力計算和構造比較明確、簡單；剛接則需要在混凝土剪力墻內設置型鋼，以便于受力和構造。

在高層住宅建筑中，由于高層住宅的平面通常都在中間部位布置有廚房、衛(wèi)生間和內廳等房間，形成較大的凹槽，外圍框架是分段的、不連續(xù)的，對結構外圍框架的平面內剛度削弱較大，如果將樓面梁與混凝土核心筒的連接設為鉸接，就會影響結構的整體剛度。因此，高層鋼結構住宅樓面梁與混凝土核心筒之間連接方式的選擇，應該根據結構的整體情況確定，不宜簡單地采用鉸接或剛接，并需要采取必要的措施加強結構整體剛度。實際上混凝土剪力墻承受平面外彎距，在計算和構造方面也還存在一定的問題，從結構受力情況和構造來看，樓面梁與與混凝土核心筒的連接處于鉸接和剛接之間的半剛性狀態(tài)，更符合高層住宅鋼結構的特點和需要。雖然半剛性連接目前的理論研究還不夠、計算方法還不夠成熟，但如果進行專門的試驗研究或有可靠的依據，在實際工程中可以嘗試采用半剛性連接。

9 組合樓蓋

高層鋼結構住宅組合樓蓋由樓面梁和樓板構成，應根據建筑的結構性能、使用和施工條件、防火、隔聲要求及工程造價等因素合理選用組合樓蓋和樓板形式，組合樓蓋的樓板可選擇普通混凝土現澆板、壓型鋼板組合樓板、鋼筋桁架組合樓板、預應力疊合板等。

組合樓板與樓面鋼梁有可靠連接時，結構整體彈性計算可以考慮鋼梁和樓板的共同作用，對樓面梁剛度乘以放大系數。“高鋼規(guī)”規(guī)定剛度放大系數為1．2－1．5倍；“高規(guī)”規(guī)定混合結構的剛度放大系數為1．5－2．0倍。鋼梁的承載力設計時考慮到組合樓板與梁連接的可靠程度，一般不按組合梁設計，組合樓板的翼緣作用作為鋼梁的安全儲備。組合樓板與樓面鋼梁之間連接的可靠程度，是鋼梁和樓板共同作用的保證，決定了鋼梁的剛度放大系數，不同類型的組合樓板和連接方式對鋼梁的剛度提高也有所不同，設計時可以根據實際情況依據規(guī)范或者可靠的研究成果確定樓面梁的剛度放大系數。

放大系數取值偏大或偏小都會影響結構計算的準確性和安全性，合理確定反映組合樓蓋實際工作狀況的鋼梁剛度放大系數有很大的意義。保證組合樓板與樓面鋼梁之間的連接足夠可靠，充分發(fā)揮組合梁翼緣的作用，也能夠在鋼梁的承載力設計和撓度驗算時提高梁截面慣性矩，減小鋼梁截面尺寸，減少用鋼量。

10 樓蓋的舒適度和振動頻率

樓蓋的豎向振動頻率是高層建筑舒適度的重要指標?！案咭?guī)”規(guī)定樓蓋的豎向振動頻率不宜小于3HZ；“高鋼規(guī)”規(guī)定其值不宜小于15HZ；《鋼結構住宅設計規(guī)范》（CECS261:2009）規(guī)定其值不宜小于8Hz。合肥工業(yè)大學的鋼筋桁架組合樓蓋剛度、承載力和舒適度系列試驗研究顯示其自振頻率達到15Hz以上。國內外的研究結果建議的樓蓋最小自振頻率在5Hz～15Hz范圍。數據的離散性反映這項研究尚未成熟，綜合現行規(guī)范、研究成果和經濟性，根據目前我國高層鋼結構住宅實際應用情況，綜合樓板采用不小于5Hz的自振頻率是比較適合的。樓板自振頻率的限值所受影響因素很多，包括人的活動頻率、建筑結構對自振頻率的影響、梁板連接方式、樓板振動試驗的條件、試驗與實際工程的差異等等，組合樓板的跨度都會對自振頻率產生影響。鋼筋小桁架混凝土組合樓板等新型樓板的研究、計算方法也不同。因此在樓蓋設計時，需要考慮各種影響因素，控制樓蓋的豎向振動頻率，滿足舒適度要求。

11 墻體材料

高層鋼結構住宅的外墻是重要的建筑圍護結構，對其有著多方面較嚴格的功能要求，如節(jié)能、隔聲、防火、防水、保溫、抗裂等。外墻可選用輕型塊材砌筑，有條件時宜采用性能良好、裝配化程度高、連接可靠的新型復合保溫外墻板。目前研發(fā)和應用的新型復合保溫外墻板的種類繁多，有加氣混凝土墻板、薄板鋼骨復合輕質外墻、鋼筋混凝土幕墻板現場復合外保溫外墻、鋼絲網混凝土預制保溫夾芯板外墻、輕質芯材混凝土大板、鋼絲網水泥夾心板、鋼絲網水泥多孔墻板與纖維水泥板等，但在技術成熟度、性能保證和經濟性等方面都還有待完善。

不同的墻體材料和連接方式，對結構的剛度、阻尼比也有著不同的影響。結構設計要在滿足建筑設計要求的基礎上，根據墻體的材料、剛度、連接方式，合理確定結構計算的剛度折減系數、結構阻尼比等參數，并進行承載力驗算，采取可靠的連接構造措施。

墻體抗裂是住宅質量的一項重要指標，“高鋼規(guī)”規(guī)定高層建筑鋼結構在風荷載下的最大層間位移不宜超過樓層高度的1／400，在地震作用下的最大層間位移不宜超過樓層高度的1／250，其控制值低于鋼筋混凝土結構的要求。在高層住宅建筑中，不太可能采用對結構側移有較強適性的幕墻等體系做外墻，最大層間位移的控制值采用適當提高的1／400，是目前保證高層鋼結構住宅墻體質量的措施之一。

12 高層鋼結構住宅的建造是技術標準和相關技術產品研究的集成

高層鋼結構住宅受使用性質和功能要求等諸多因素的限制和影響，在各個專業(yè)方面都體現出特殊的技術特點和要求，相關的理論研究、技術產品研發(fā)非常廣泛，涉及的規(guī)范和標準也很多。在結構方面，除了本文淺述以外，也還有許多需要不斷深入研究的課題。高層鋼結構住宅技術的發(fā)展是一個不斷推陳出新的完善過程，還有大量的研究工作可以去做，有許多的技術問題需要研究、分析、驗證。要搞好高層鋼結構住宅的設計和建造，不僅需要按照標準規(guī)范執(zhí)行，還要了解掌握相關的新技術、新產品的研發(fā)和應用。

1 GB50011－2010，建筑抗震設計規(guī)范［S］．中國建筑工業(yè)出版社，2010．

2 GB50010－2010，混凝土結構設計規(guī)范［S］．中國建筑工業(yè)出版社，2010．

3 JGJ3－2010，高層建筑混凝土結構技術規(guī)程［S］．中國建筑工業(yè)出版社，2010．

4 GB5009－2012，建筑結構荷載規(guī)范［S］．中國建筑工業(yè)出版社，2012．

5 GB50017－2003，鋼結構設計規(guī)范［S］．中國建筑工業(yè)出版社，2003．

6 JGJ99－98，高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程［S］．中國建筑工業(yè)出版社，1998．