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多高层钢结构住宅技术及应用
合肥工业大学土木与水利工程学院 王静峰
1 绪论
1.1 国外钢结构住宅发展概况
国外采用钢结构建造住宅的主要是钢铁生产大国和钢结构建筑比较发达的国家和地区，如欧洲、北美、日本和澳大利亚，其中在北美、日本和澳大利亚1~3层的低层住宅是住宅的主流形式，因此钢结构住宅多为低层；在欧洲许多国家钢结构多层和高层住宅建造量较大，工业化生产和预制装配程度也较高。
20世纪50年代，欧洲由于受到“二战”的严重影响，对住宅需求非常大，为解决房荒问题，欧洲一些国家采用了工业化程度较高的钢结构建筑体系，建造了大量住宅，形成了一批完整的、标准的钢结构住宅体系，并延续至今。60年代，住宅建筑工业化的高潮遍及欧洲各国，并发展到美国、加拿大、日本等经济发达国家。
近年来，随着钢结构建筑技术的不断提高与发展，社会对住宅的需求经历了一个“由注重数量，到数量与质量并重，再到质量第一，进而强调个性化、多样化、高环境质量”的发展阶段。许多西方国家的住宅工业化生产又出现了新的高潮。
瑞典是世界上住宅工业化最发达的国家，其80%的住宅采用以通用部件为基础的住宅通用体系；在美国现有34家专门生产单元式建筑的公司；在钢结构住宅体系上，国外已开发了钢结构工业化生产体系，并不断提升住宅产品的性能指标。
目前，国外的钢结构住宅工业化生产方面的研究已进入对住宅体系灵活性、多变性的研究，以大适应面和产生规模效应。如日本的三泽住宅以“年住宅”的概念，达到年销售量近万套；以及英国政府委托建筑领域完成的一份被称作“建筑生产反思”的报告中提出了一个最新的观念：将制造业的生产方式列入建筑业，它打破了人们长期以来认为的建筑业不同于制造业，认为它的每个产品都是独一无二的观念。
值得注意的是，住宅产业化的实现体现出这样的基本原则，即以模数化构建标准化，以标准化推动工业化，以工业化促进产业化。从20世纪90年开始国外已形成了从设计、制作到供应的成套技术及有效的供应链管理，其中轻钢结构因其自重轻、强度高、空间利用率高等特点，发展成为单元式建筑的主干，主要用于住宅、饭店、酒店的修建或扩建中。
1.2 发展钢结构住宅符合我国产业政策要求
中国是世界上最大的砖砌体建筑和混凝土建筑大国，每年生产7000多亿块砖（约占世界产量的1/2），5亿吨水泥（占世界产量1/3强），生产砖的代价是每年毁坏农田15万亩，消耗标准煤约7000万吨，生产水泥的代价是每年排放温室气体CO2约3亿吨，破坏的矿山和排放的废水则难以统计，更为严重的是，砖、混凝土都是不可再生材料，一次性使用后果严重，形成的建筑垃圾将难以处理。
钢结构建筑的发展带来了解决问题的突破口。首先，钢材是一种高强度高性能的绿色环保材料，具有很高的再循环使用价值。其次，钢结构具有抗震性能好的特点，结构空间布局灵活，构件截面尺寸小，住房使用面积高，可有效提高使用面积5%～8%，满足居民的投资要求。钢结构有利于工业化配套生产，具有安装方便建造速度快的优点，工期可缩短1/2～1/3，减少了企业投资的财务成本。
同时钢结构建筑的发展，会带动一系列
相关轻质高强墙体材料的发展，为我国产业结构调整，实现产业升级创造条件。因此，在禁止使用实心粘土砖之后，积极开发、生产实用新型的钢结构住宅体系，建立替代现有结构体系的新型建筑结构体系，已迫在眉睫。
钢结构的发展是我国社会经济发展水平，钢结构建筑技术发展的必然产物。第一，我国钢铁行业迅猛发展，钢产量从1978年的3718吨增加到1996年的超过1亿吨，到目前，连续9年是世界第一产钢大国。总的消费量超过了美国和日本的总和。近年来，随着我国冶金企业的不断调整产业结构，钢与钢材的品种、规格日渐增多，建筑配套产品日益齐全，为钢结构住宅发展奠定了物质基础；
第二、我国政府高度重视钢结构建筑发展，建设部在新修订的《建筑技术政策》中，明确提出积极发展钢结构的方针，把钢结构技术列为十大重点推广技术。同时，1998年成立国家建筑用钢领导小组，足以证明国家对发展钢结构建筑的重视，这必将对我国钢结构建筑的发展起积极推动作用。
另外，发达国家建筑用钢量为其钢产量
45%～55%，而我国建筑用钢量仅为钢产量的20%左右。同时，住宅产业是我国国民经济新的增长点，住宅建筑量大面广，在推进住宅产业现代化过程中，钢结构住宅发展前景广阔。钢结构住宅因其固有的优点将成为我国推进产业现代化的主要建筑体系。
1.3 我国钢结构住宅建设现状
我国“十五”期间计划达到每年建筑钢结构用钢量将占全国钢材总产量的3%；到2015年将达到钢材总产量的6%。这是已经公布的《国家建筑钢结构产业“十五”计划和2015年发展规划纲要》明确提出的发展目标。为促进我国钢结构住宅产业化发展，建设部于2002年发布了《钢结构住宅产业化技术导则》，并审批通过了三批共36项钢结构住宅科研项目立项和确定了北京赛博思金属结构工程管理公司的第一个建设部钢结构住宅产业化科技示范工程。
目前我国钢结构住宅的开发应用已呈现出更为广泛与深化的发展趋势，同时全国各地也相继建成了一批钢结构住宅示范工程。低层钢结构住宅有河北唐山的裕华道轻钢别墅、浙江杭州的金都富春山居，都是轻钢框架；多层钢结构住宅有湖南长沙的远大集成住宅，为钢框架结构，北京的亦庄青年公寓，为钢框架混凝土核心筒结构，山东济南的艾菲尔花园，为钢框架结构，山东莱钢樱花园4号楼和试验楼，为钢框架支撑结构，山东莱钢的南生活区4号楼，为钢框架—预制混凝土剪力墙结构；
小高层钢结构住宅有北京金融街的12层板式住宅金宸公寓，为钢框架-混凝土核心筒结构，天津建工丽苑小区住宅，为钢管混凝土柱框架核心筒结构，山东莱钢的13层樱花园1号楼，济南伟东新都住宅小区，结构为钢框架—混凝土剪力墙结构；
高层钢结构住宅有北京朝阳区十里堡的晨光家园B区、上海中福城二期、三期住宅、广西南京的湖滨大厦等，为钢
管混凝土柱框架-核心筒结构，上海的中福花苑一期，为钢-混凝土剪力墙结构体系。安徽马鞍山的光明新村1号楼和2号楼，还有济南百花小区1号楼，是钢-混凝土混合结构体系，新疆乌鲁木齐市新民西街化工集团综合楼，为钢框架混凝土
核心筒结构，陕西的丽彩天玺，为全钢构体系
上海中福城二期住宅
建筑地点：位于上海市黄浦区。
建成时间：2002年
建筑面积：6万平方米
建筑高度：60米
建筑特点：占地面积9289m2。由10个高层住宅单元通过三层裙房连成一体，地下 1层、地上18层。楼梯间、电梯井集中布置在核心筒内，采用大柱网结构，柱距7.8m，户内不设柱。工程投资1.26亿，造价2100元/m2 。
综合用钢量指标：

上海中福城二期建筑平面图

上海中福城二期：梁柱节点施

上海中福城二期：钢框架和混凝土核芯筒

已建成的上海中福城二期
上海中福城三期住宅
建筑地点：位于上海市黄浦区。
建成时间：2002年
建筑面积：6万平方米
建筑高度：17层(56.7米)、31层 (98.85米)
建筑特点：占地面积9946m2，住户236户，由两幢住宅组成，南面为一幢17层住宅，北面为一幢31层住宅，全钢结构，地下1层。建筑平面为单元式布置，二梯二户，大柱网，柱距7.8~8.4m(两个开间为一个柱网)。住户可以根据需要进行自由分隔。

上海中福城三期标准层结构布置
上海中福花苑一期
占地面积1.5万m2，总建筑面积约11.8万m2，住宅约9.2万m2
南楼34层，高99.2m，北楼29层，高83.2m
钢-混凝土剪力墙结构体系
柱：钢管混凝土柱
梁：H型钢梁
楼板：钢筋混凝土现浇板
型钢用量：55kg/ m2
新疆乌鲁木齐市新民西街化工集团综合楼
建筑面积1.7万m2 ，地上21层，地下2层，建筑高度66.8m
柱：箱形钢柱
梁：H型钢梁；
剪力墙厚：400mm
马钢光明新村1号楼
建筑面积9700 m2，17层，总高54米
..柱：H型钢劲性混凝土柱
..梁：H型钢梁
..现浇钢筋混凝土楼板
..钢-混凝土混合结构体系
马钢光明新村2号楼
建筑面积14500 m2，17层，总高59.6米
柱：H型钢劲性混凝土柱
梁：H型钢梁
钢-混凝土混合结构体系
济南百花小区1号楼(东方丽景大厦
建筑面积31710 m2， 26层，高89米
柱：方钢管
梁：H型钢梁
钢-混凝土混合结构体系
济南艾菲尔花园住宅
建筑地点：位于济南市经六路延长线以南。
建成时间：2002年
建筑面积：4万平方米
建筑高度：小高层(33米)、多层住宅(15米)
建筑特点：其中三栋小高层、11层，采用钢框架－中心支撑结构体系；三栋多层住宅，5 层，采用纯钢框架结构体系。
济南伟东新都住宅小区
建筑地点：位于济南市市中心区东八里洼
建成时间：2003年
建筑面积：3.7万平方米
建筑高度：小高层(36米)
建筑特点：5座小高层由山东莱钢建设有限公司建设，均为12层，采用钢框架剪力墙结构。
陕西丽彩天玺
建筑地点：位于陕西省咸阳市宝泉路3号
建成时间：2001年
建筑面积：3.8万平方米
建筑高度：高层(99米)
建筑特点：占地约4000平方米，32层，采用全钢结构体系。

钢管混凝土柱与栓钉

压型钢板做楼板模板

安装楼板栓钉
1.3 钢结构住宅的优势
钢结构住宅与其它结构相比，在使用功能、设计、施工以及综合经济方面都具有优势，主要体现在以下方面：.可以更好的满足大开间、灵活分割的要求，使用面积增加5%～8%；
.与钢结构配套的轻质墙板、复合楼板等新型材料，符合建筑节能和环保的要求；
.钢结构及配套技术相应部件的绝大部分易于定型化、标准化，可采用工业化生产方式，实现构件的工厂预制和现场装配化施工，实现技术集成化，提高住宅的科技含量和使用功能；
.钢结构住宅体系可以实现住宅建筑技术集成化和产业化新思路
.钢结构住宅体系工业化生产程度提高，现场湿作业少，而且钢材本身可再生利用，符合环保建筑的要求；
.钢结构体系轻质高强，可减轻建筑结构自重的30%，大大降低基础的造价；
.钢结构体系施工周期短，可以大大提高资金的投资效益，所以虽然其直接造价略高，但综合效益却明显高于传统的住宅体系。
.钢结构通用体系具有充分的灵活性、可改性和安全性，有利于保证现
代居住生活的需要，适应现代住宅市场的需求；
.开发钢结构住宅体系对于消化钢材和水泥，带动建筑、冶金、建材、化工等一大批跨部门、跨行业企业的发展也有着重要意义。
1.4 钢结构住宅的不足
钢结构住宅虽然优点众多，但在我国处于发展初期阶段，仍存在很多问题：
.与钢结构住宅相配套的抗侧力体系和材料问题，都没有很好的解决，尤其是墙板、楼板等围护材料，目前较好的外墙板造价偏高，而价格低的预制墙板材料在解决保温隔热、热桥等方面又达不到要求；
.造价也是制约钢结构发展的一大因素，从理论上分析，钢结构占有一定的优势，但在实际工程中，由于经验不足、专业人员的缺乏，而且配套体系不完善，会使钢结构住宅的造价还是比混凝土结构高，使钢结构在中低层、中低档住宅方面缺乏竞争力。
.钢结构住宅的技术要求高，涉及的材料、部件种类多，防火性能、防腐性能都是其中的技术难点
.另外，在技术规范、标准方面，虽然目前单一的专业技术规程规范比较齐全，但是对于作为钢结构住宅的综合性技术规程尚待编制。
1.5 钢结构住宅的发展前景
近年来，我国城镇年住宅竣工面积约6亿m2，投资约6000亿元。目前我国住宅仍以传统混凝土结构和砌体(特别是粘土砖)结构为主，这两种结构既不便于产业化，也不利于社会环境与可持续发展。住宅产业化是我国住宅发展的必由之路，因为这将成为推动我国经济发展的新的增长点。钢结构住宅体系易于实现工业化生产、标准化制作，而与之相配套的墙体材料可以采用节能、环保的新型材料，它属于绿色环保性建筑，可再生重复利用，符合可持续发展的战略。
我国在加入WTO之后，房地产也面临着与国际接轨，而国内的建筑生产效率较低，尚属劳动密集型产业，而钢结构住宅属于高技术高效率的产业，其发展必将带动建材、冶金、信息、机械尤其是钢铁产业的发展。
钢结构住宅的发展将带动住宅施工行业的革新。如果说钢筋混凝土结构的发展是使施工从手工业进入机械化，那么钢结构的应用就将使住宅施工实现现代化。
钢结构住宅在我国的住宅产品中还是新秀，虽然长处多多，但能否成为一个有特色的建筑分支产出，还有待于行业有关各方共同努力开发打造。
2钢结构住宅的结构体系
2.1 轻钢龙骨结构体系
轻钢龙骨结构体系主要用于中低层住宅或别墅，大致可分为两类，一类为以冷弯C 型钢组成的龙骨体系，另一类以小型热轧型钢组成的龙骨结构体系。
轻钢龙骨体系一般由柱、梁、天龙骨、地龙骨及中间腰支撑通过配套扣件和加劲件用自攻螺钉连接而成，梁柱构件厚度在1～3 mm，柱子间距为400～600 mm。其主要受力机理为：柱子与上下龙骨及支撑或隔板组成受力墙壁,竖向力由楼面梁传至墙壁的天龙骨,再通过柱子传至基础；
水平力由作为隔板的楼板传至受力墙壁再传至基础。由于在传力过程中，墙面板承受了一定的剪力，并提供了必要的刚度，故墙面板应满足一定的要求。楼板可采用楼面轻钢龙骨体系，上覆刨花板及楼面面层，下部设置石膏板吊顶，既可便于管线的穿行，又满足了隔声要求。

轻钢龙骨结构有四个突出的技术特征：
一是构造特征，它以C形或U形这两种简单截面形式的冷弯型钢龙骨为基本结构构件，经装配工艺构成各种复杂形式的梁柱或大型组合构件，再经组装工艺成为完整的住宅结构框架；
二是材料特征，它采用壁厚为0.8～1.8mm的冷轧热镀锌钢板为构件材料，不同于传统概念的冷弯型钢构采用的厚度为2.0～2.7mm的裸钢板。
三是构件强度特征，镀锌钢板经冷弯加工成型，加工过程使材料产生形变强化，进而提高了构件的屈曲强度；
四是连接特征，它不采用焊接或螺栓连接的方式，而是采用自攻自钻螺钉，这种连接工艺的效果是使螺钉与被连接构件之间没有间隙，保证了结构的稳定性。
轻钢龙骨结构体系的优点为:
u 重量轻
构件由壁厚0.8～1.2mm（最大为2.4mm）的热浸镀锌钢板制造，在满足相同承载能力的前提下，它的重量最轻。配合轻质功能建筑材料，轻钢龙骨建筑的整体重量约为混凝土结构建筑的1/3。结构重量轻，基础就十分简单，一般采用荷载8吨的条形基础就能满足需要，工程造价也相应降低。
u 抗震好
冷弯型钢构件与外墙板组成“板肋”构造，抗水平荷载和垂直荷载的能力都大大提高，抗风性能与抗震性能优于其它结构。
u 寿命长
构件采用热浸镀锌钢板，抗腐蚀性能极佳，而且钢结构构件全部封闭在不透水气的复合墙体内部，不会腐蚀和霉变，不怕虫蛀，使用寿命可达70年以上。
u 使用面积大
围护墙厚度15～20cm，内墙厚度12cm，使用面积可比混凝土结构增加15%，得房率可高达90%以上
u 开间灵活
最大跨度可以做到8m，业主可以随意对建筑平面进行分割和布局，形成大开间、高净空的理想空间形式。
u 建筑周期短
主要构件可在工厂预制，一栋300平方米的别墅建筑周期2～3个月。
u 舒适度高
视野好，墙体保温隔热好，冬暖夏凉，有自然通风设置
u 绿色环保的建设理念
仅在现场装配，无建筑垃圾。
2.1.1 轻钢龙骨结构体系的设计
轻钢龙骨体系在欧美等发达国家已经应用了几十年，技术成熟，在北美国家属冷弯薄壁型钢构范畴。但在我国，轻钢龙骨结构体系构件的材料厚度不符合《冷弯薄壁型钢构技术规范》（GB50018-2002）的规定，只能另建体系，约定俗成地称为“轻钢龙骨”结构体系。

轻钢龙骨框架结构与构件名称示意图

轻钢龙骨框架结构与构件名称示意图
轻钢龙骨体系的全部管线系统是在钢结构构件中布置的，这也是钢结构建筑的一大特征。为便于走线，构件沿中心线布置了孔洞，在构件加工生产过程中也有开孔工序。但开孔位置会影响构件的强度，尺寸不当可能造成构件在工作状态下失稳，所以必须有一定的开孔设计原则。

安装完成的智能化控制管线
2.1.2 OSB板及其在轻钢龙骨结构中的增强作
OSB板，Oriented Strand Board板，即定向刨花板。是由矩型木板薄片一层层沿水平方向粘结压制而成。
OSB板具有很好的加工性，抗冲击能力和强度比其他人造木板高得多，握钉能力更是出色，OSB板主要用于屋顶、承重的剪力墙和楼面覆盖层等结构，它具有支撑荷载的能力以及抵抗水平失稳的能力，和钢结构一起组成完整的结构体系，其典型的蒙皮作用可提高结构的整体刚度和承载力，这种结构也称为“板肋”结构。
2.1.3 轻钢龙骨结构的节点设计
（1）构件与基础的连接
基础进行过程中，各种结构与基础相连接的预埋件要准确定位及安装，主要有直条式抗风连接带、地脚螺栓、加固扁铁等。基础工程完成以后，在基础与钢结构的沿地龙骨之间首先要做好隔潮垫层，然后铺设18mm的OSB板或其他木质衫垫，以缓冲钢构件与混凝土的硬接触。

沿地龙骨、柱与基础的连接1

沿地龙骨、柱与基础的连接2和连接3

地脚螺栓连接 基础中预埋的管路

预埋直条式抗风连接带及连接

柱脚连接的加固方式

基础上的防潮层、OSB垫层和搁栅防振胶垫
（2）一楼地面搁栅

正在施工的地下室顶棚搁栅
（3）墙柱组合以及转角节点

墙及转角节点的水平剖面示意图

墙及转角节点示意图

墙及转角的地面工法

墙及转角的上部工法 墙及特殊转角的处理
（4）斜支撑与临时支撑

支撑框架示意图 支撑框架与临时支撑

支撑框架 支撑框架的脚部连接工法

支撑框架的脚部连接工法
（5）楼层搁栅及结构构件的连接

楼板节点示意图 楼板连接处理细节

楼板连接方法的垂直剖面图

楼板施工实景

校验楼层搁栅

从首层看楼层搁栅
（6）洞口处理及过梁的连接

过梁工法示意图

过梁组合工法 窗洞口的梁柱组合工法

屋架与柱连接节点示意图

屋檐口部分的工

2.1.4 轻钢龙骨结构体系的建造

电器控制箱预先安装在龙骨上

安装钢结构构件

钢结构封顶

安装OSB结构板

2.2 钢框架结构体系
钢框架结构体系是钢结构多层房屋中最常用的结构体系。梁柱多采用轧制或焊接H型截面，有时柱也采用箱形截面。这种结构体系受力明确，使用灵活，制作安装简单，施工速度较快，但为抵抗侧向力所需梁柱截面较大，一般可用于6 层以下的多层建筑，且一般情况下，梁柱节点应采用刚接。这种体系用于高层建筑经济性较差。
2.3 钢框架支撑体系
对于多层及小高层建筑，可在建筑的外墙、结合门窗位置布置双向交叉支撑，支撑可采用角钢、槽钢或圆钢，可按拉杆设计。轻钢住宅结构中，支撑不一定必须从下到上同一位置设置，也可跳格布置，其目的主要是为了增加结构的刚度。外墙开有门窗时，也可在窗台高度范围内布置支撑，形成类似周边带状桁架的结构形式，对结构整体刚度进行加强。
对于高层住宅，可选择山墙和内墙布置中心支撑或偏心支撑，值得注意的是，当采用单斜柱体系时，应设置不同倾斜方向的两组单斜杆，以抵抗双向地震作用。在节点方面，若支撑足以承受建筑物的全部侧向力作用，则梁柱可做成铰接，如支撑不足以承受建筑物的全部侧向力作用,则梁柱可部分或全部做成刚接。
在高烈度地区，如果柱子比较细长，则大多采用偏心框架支撑体系，这种体系的特点是，在小震或中等烈度地震作用下，刚度足以承受侧向水平力，在强震作用下，又具有很好的延性和耗能功能。支撑框架在水平力作用下，类似于竖向悬臂桁架，柱子像弦杆一样承担外部荷载产生的弯矩、斜支撑和梁如同腹杆承受水平力，腹杆承担水平剪力。弦杆的轴向变形对框架侧向变形的影响使结构产 “弯曲”的形状，而腹杆的变形对框架侧向变形的影响，使结构产生“剪切”的形状，最终形成的侧向变形形状是弯、剪两种曲线效果的组合。
弯、剪效果的相对大小，主要取决于耗能支撑的刚度，一般在均衡的低层支撑结构中，剪切变形最为重要，有时它基本决定了结构的侧向变形，因此这种结构的底层层间变形较大;在中高层结构中，柱子中较大的轴向变力和变形，以及二者沿高度的大量积累，使弯曲变形占主导地位;在高宽比大于8的单对角支撑区格中,全部水平位移的60 %～70 %通常是弯曲变形引起的，因此这种结构的顶端或接近顶端的层间变形最大。
据此认为,对于剪切型的低层结构,应注意在结构的底部设置耗能支撑;对于弯曲型的中高层结构,不能忽视在结构的顶部设置耗能支撑。支撑布置时,不得采用支撑点在柱中的K形支撑,同时对支撑构件应控制其轴压比,7 度设
防时一般不得大于 ，如果作为住宅结构层高较低,构件节间尺寸较小,导致支撑构件及节点数量均较多,而且传力路线较长,抗侧效果差,支撑结构体系也可考虑采用跨层支撑
2.4 钢框架剪力墙体系
钢框架剪力墙体系中，一般在钢框架内采用带竖缝钢筋混凝土抗震墙板或内埋钢支撑的预制钢筋混凝土墙板，它可与室内横隔墙结合布置，形成房屋的主要抗侧力构件。这种体系的抗侧力刚度较大。预制混凝土墙体中的钢板支撑只有在支撑点处与钢框架相连,而且混凝土墙板与框架梁柱留有空隙,所以从受力上来说,它仍是一种支撑。但其特点是内藏钢板按强度控制设置,不考虑屈曲。
对混凝土墙体应双面配筋,且双面钢筋应互相拉结,在钢支撑端部范围内,应设置加强构造钢筋,如采用梅花形钢筋、螺旋形钢筋、钢箍等。这种体系受力性能良好,支撑构件相对较经济,且能与隔墙布置相结合。但现场安装比较困难,制作比较复杂。
2.5 钢-混凝土组合结构体系
钢－混凝土组合结构的平面布置一般为楼电梯或卫生间采用钢筋混凝土,形成主要的抗侧力结构,而外周的框架则采用钢框架。这种结构体系将钢材的强度高、质量轻、施工速度快和混凝土的抗压强度高、防火性能好、抗侧刚度大的特点有机地结合起来。外周梁柱一般采用刚性连接,而楼面钢梁与混凝土墙则采用铰结。由于混凝土承担了绝大部分的水平力,故而混合结构的位移控制指标可参照钢筋混凝土结构。但框架部分承担的地震剪力不得小于结构底部剪力的20%和楼层最大剪力的1. 8倍二者的较小值,在大多数情况下,后者往往起控制作用。
这种体系的住宅平面上应限制无剪力墙部分框架的长度,否则楼面无限刚的假定将很难满足。这种受力特点的结构整体破坏属于弯剪型,结构破坏主要集中于混凝土芯筒,特别是结构下部的混凝土筒体四角,对这些部位应予加强,保证筒体的延性。此外,钢梁与混凝土墙体的连接部位受力复杂,也是最易遭受破坏的地方,该节点应保证能承受钢梁可能出现的轴向力。
这种体系的不足是芯筒为混凝土,质量减少不是很多,现场捣混凝土的工作量仍然较大。从建筑平面布置的角度来看柱子一般布置在阳台或转角部位,以利于住户的装修处理
2.6 错列桁架结构体系
错列桁架桁架结构体系由美国麻省理工学院于20世纪60年代首先提出,并成功用于多个公寓及旅馆建筑中。该体系是由房屋外侧的柱子和跨度等于房屋宽度的桁架组成,桁架高度等于层高,在相邻柱上为上下层交错布置,楼板一端搁置在桁架的上弦,另一端搁置在相邻桁架的下弦。由于两开间布置一榀桁架,且中间无柱子,所以非常适合住宅、旅馆建筑各单元的灵活布置要求。

这种体系的受力特点为:水平力主要通过楼板传至相邻桁架的斜腹杆,如此水平荷载最终通过落地桁架的斜腹杆或底层支撑传至基础,楼层间的柱子主要承受轴力,其所受的剪力和弯矩很小。由于桁架有整层高,所以整个体系刚度较大,一般不需要增加柱子刚度以控制位移。由于错列桁架结构体系中柱子主要承受轴力,其柱截面强轴可布置在纵向,故其纵向侧移刚度亦较大。这种体系的用钢量可比框架结构减少30 %～40 % ,因此,该体系是一种经济、实用、高效的新型结构体系。目前湖南大学正对该体系作系统研究。
3 钢结构住宅的连接
钢框架体系中，连接节点起到传递内力的作用，它的性能直接关系到整体结构的性能。在钢结构住宅体系中，主要有以下几种连接:
梁柱连接、梁墙连接、柱脚连接 、结构和围护构件的连接
3.1 钢结构住宅的梁柱连接
钢框架体系中，梁-柱连接节点起到传递弯矩和剪力的作用，是钢框架的主要组成部分，不但影响到结构承载力的可靠性，而且直接影响工程造价。梁柱连接的设计应满足足够的强度和适当的刚度，满足“强节点弱构件”抗震设计原则，同时连接还必须满足“延性”要求。自1885年美国兴建第一座高层钢结构建筑以来，梁柱连接经历了普通螺栓连接－铆钉连接－焊接连接－高强螺栓连接的发展过程。按照梁柱连接的转动刚度与连接构造之间的关系可将梁柱连接节点分为三类:
铰接（柔性连接）:分析、设计中假定为仅传递剪力，不传递弯矩。通常视将梁的腹板与柱相连或梁端承托件连于柱的节点为铰接。
刚性连接:假定框架变形时梁柱没有相对转动，之间的夹角保持不变。包括全焊连接，栓焊连接，全栓连接等。在高层钢结构中，凡抵抗侧力的框架一般均采用刚接。
半刚性连接:转动刚度介于铰接和刚接之间的连接形式
3.1.1 铰接连接
梁与柱的铰接方案，在工程中也有广泛应用。多层或高层钢框架凡用支撑或剪力墙一类构件承受水平荷载（框架仅承受重力荷载）和提供抗侧刚度的结构体系，梁与柱连接几乎均采取铰接方案。一般仅将梁的腹板与柱相连或将梁端承托件连于柱的节点视为铰接，铰接只能承受很小的弯矩，这种连接实际上是为了实现简支梁的支承条件，即梁端没有线位移，但可以转动。
有三种典型的梁与柱铰接方案，包括用连接角钢、端板和承托三种方式。连接角钢或端板可以放在梁高度的中央，也可以偏上放置，偏上的好处是梁转动时上翼缘处变形小，对梁上面的铺板影响小。
当梁用承托件连于柱腹板时，宜用厚板作为承托构件，以免柱腹板承受较大弯矩。在需要用小牛腿时，则应做成I形截面，并把它的两块翼缘都焊于柱翼缘，使偏心力矩以力偶形式传给柱翼缘。
由梁腹板连接角钢（或节点板）传递剪力的节点是典型的梁柱铰接节点。这种连接能传递有限的弯矩值，在设计中可不予考虑，它们的延性足以容许被连接梁的充分转动。与梁腹板相连的高强度螺栓除承受梁端剪力外，还应考虑偏心弯矩的作用，这种偏心的附加作用一般不影响柱的设计。这种节点构造简单，传力明确，施工方便，但节点抗弯能力很差。在工程中应用也比较广泛，一般用于非地震区的低、多层钢结构住宅的钢框架中，也可以用于高层钢结构住宅框架中的次要位置。
顶底角钢节点形式中的上角钢主要是为梁提供稳定性，全部剪力看成由支座角钢的焊缝传递给柱子。支座角钢的厚度由承载肢的临界弯曲应力控制，在无加劲角钢支托的情况下，应验算支托角钢的厚度。顶底角钢因破坏形式比较复杂，且影响承载力的因素较多，而且其承载力离散程度较大，目前还仅限于试验研究阶段，尚未见工程应用的报道。

3.1.2 刚性连接的几种形式
刚性连接的主要构造形式有以下三种:(1)全焊节点，即梁的上下翼缘用全熔透坡口对接焊缝，腹板用角焊缝与柱翼缘连接；(2)全栓接节点，梁的翼缘和腹板通过T形连接件使用高强度螺栓与柱翼缘连接；(3)栓焊混合节点，即梁的上下翼缘通过全熔透坡口对接焊缝与柱翼缘，梁腹板使用高强度螺栓与预先焊在柱翼缘上的剪切板相连接。全焊节点适用于工厂连接，不适用工地连接，而全栓接节点的费用较高，因而栓焊混合节点在多高层建筑钢结构中成为典型的梁柱刚性节点形式。

3.1.3 刚性连接的问题
20世纪70～80年代完成的一大批节点和框架试验为美国、日本等国的规范采用栓焊混合节点提供了依据。根据理论和试验研究认为，栓焊混合节点具有较好的塑性转动能力，因此到1994年以前，栓焊混合节点成为钢框架结构中的常用的梁柱刚性节点形式。
但在1994年美国北岭地震和1995年日本阪神地震中，数百幢多高层钢结构房屋的梁柱刚性连接节点出现大量的脆性断裂.根据震后对钢结构破坏的观察和检测，钢框架梁柱刚性节点的破坏形式可归纳为梁柱刚性连接的脆性断裂，通常集中在节点下翼缘焊缝处。
其可能存在的原因可以从以下几方面来解释。从梁的角度来看，首先位于梁上翼缘的刚性楼板与梁组成了组合截面，使得梁截面的中和轴上移，这就导致梁的下翼缘在荷载作用下会有较大的受拉变形，同时楼面板与梁的共同作用也降低了上翼缘屈曲的可能性；其次梁与楼板的共同变形导致下翼缘应力的增大。从焊接的角度看，第一，由于焊接工艺的要求须设置焊接垫板，下翼缘的垫板位于梁截面最大受拉纤维处，相对来说上翼缘焊缝处的焊接垫板所处的截面位置具有较小的应力和应变；
第二，在上翼缘处施焊的困难比下翼缘处小一些，技术人员则可以更好的控制上翼缘焊接的质量;第三，焊接质量达不到预期目的，离散性较大;第四，大量焊缝集中于小范围，产生了相当高的约束力;第五，梁下翼缘的焊接施工在腹板所留焊接孔内进行，无法一次连续完成，在翼缘中残留下焊接缺陷:第六，焊接垫板在施焊后留在原处，使柱翼缘、对接焊缝与垫板间形成一条“人工”的“K”形裂缝，裂缝尖端的应力集中非常严重;第七，焊缝自身存在质量缺陷，如裂缝、欠焊、夹渣及气孔等。
基于以上原因，在震后进行的研究中，减少梁翼缘处对接焊缝的应力，人为地使塑性铰在梁上某一部位形成，成为改进刚性节点设计的重要思路。具体方法主要有两种:一是将梁端连接部位局部加强，但需注意不要因此出现弱柱，有违“强柱弱梁”抗震设计原则。另一种方法是，在离开柱面一定距离处将梁的上、下翼缘局部削弱。
3.1.4 新型刚性连接类型
（1）加强连接型:
加腋节点:加腋节点是在节点部位梁的下面加上三角形的梁腋，其目的在于通过加腋增加节点处截面的有效高度，从而迫使塑性铰在梁腋区域外形成，减少梁下翼缘处对接焊缝的应力。梁腋由H型钢或工字钢切割而成，梁腋的腹板、翼缘分别通过角焊缝、对接焊缝与梁柱焊接。试验结果表面，此种形式节点的塑性转角达到0.04弧度以上。此外，由于与柱焊接的梁端截面高度增大，柱翼缘出现厚度方向裂缝的可能性有所减少。缺点是，梁腋与柱翼缘之间的斜向坡口焊缝，施焊比较困难。
加盖板节点:加盖板节点是在节点部位梁的上下翼缘外表面焊上楔形的钢板，在现场采用坡口全熔透对接焊缝和角焊缝分别与柱翼缘和梁翼缘连接，使焊缝截面面积不小于单独翼缘截面面积的1.2倍，盖板的长度宜取0.3hb且不小180mm(hb为梁截面高度)。加设盖板后，减少了柱表面区域的应力集中程度，迫使较大应力和非弹性应变远离焊缝、切割孔，使三向拉应力状态向梁中转移。
根据试验，此类节点具有较好的塑性转动能力，多数试件的塑性转角大于0.025弧度;但也有少数构件出现脆性断裂，原因是梁翼缘的有效厚度加大，坡口焊缝因过厚而出现残余三轴拉应力，以及柱翼缘热影响区扩大并严重变脆，加大了柱翼缘层状撕裂的危险性。
（2）梁翼缘削弱型:
梁翼缘削弱型，是按照“强节点弱构件”的抗展设计概念，采取削弱节点附近梁翼缘的办法，以保护梁柱间的连接焊缝，实现梁端塑性铰位置的外移。试验结果表明，梁的塑性转角在0.03弧度以上。
狗骨式梁柱刚性连接
狗骨式梁柱刚性连接节点是在靠近柱边的等截面钢梁上，将上、下翼缘沿梁的纵向对称于腹板进行圆弧切割，其翼缘的切除宽度约为40%;梁腹板与柱翼缘之间用角焊缝代替通常的螺栓连接；上下翼缘的全熔透坡口焊缝要用引弧板；下翼缘焊接衬板要割除，割除后，焊根用焊缝补焊；上翼缘衬板焊后保留，用焊缝封闭；柱翼缘加劲板与梁翼缘等厚等等。其实质是削弱了梁翼缘，将塑性铰人为外移，从实际发展情况看，因削弱梁截面的方法省工、效果好，己在某些工程中采用。对于这类节点应特别注意削弱处气割后，应磨平，避免在刻痕处产生应力集中效应，减少梁的塑性变形能力。
梁翼缘钻孔:削弱梁翼缘的一种更简单的方法是，在离开柱面一段距离处，在梁的上翼缘和下翼缘各钻两排圆孔，一种方法是，所有孔径都相等；另一种，由柱面算起，由近到远，孔径逐渐加大。
梁翼缘削弱型节点的最突出优点是:构造简单、造价低、施工方便。缺点是:可能需要加大整根梁的截面尺寸，以满足承载力和刚度的需要。

（3）预应力型:
设计概念:
①一般的抗震钢结构是利用结构的延性和非弹性耗能来吸收输入结构的地震能量。然而，地震时结构的过大塑性变形，往往导致结构承载力的下降，以致危及结构安全。
②美国里海大学通过实验研究，借鉴预制混凝土结构后张无粘结预应力组装原理，以顶底角钥连接的半刚性连接节点为基础，增设后张预应力拉杆，使结构在增大耗能容量的同时，提高梁柱节点在往复地震作用下梁端转动变形的可恢复性，减少节点角变形的积累。
细部构造:
①在梁端上、下翼缘设置角钢，采用高强度螺栓与柱进行摩擦型连接；并在梁的上、下翼缘设置盖板，以防梁翼缘局部屈曲。
②在梁翼缘与柱翼缘之间设置承压型钢垫板，以保证梁翼缘及其盖板与柱翼缘接触。
③在梁柱节点处，沿梁轴线设置数根后张预应力高强度钢丝束，并将其在节点区段以
外锚固。

预应力型节点
（4）加强梁段型:
这类节点的基本构造是，在工厂里将一段较宽翼缘短梁焊于柱上，形成带有各层悬臂梁段的树枝状柱，然后，在工地现场再采用栓焊连接或全螺栓连接将悬臂梁段与梁拼接。短梁特意做得稍强一些，短梁翼缘可以是变宽度或等宽度，使梁端塑性铰位置由柱面向外转移，这种梁柱连接方法在日本得到广泛应用。这种节点的优点是:关键性梁柱连接焊缝，可以在工厂内制作，质量可以得到较为严格的控制;现场仅有高强度螺栓连接工作，安装费用较低。缺点是:树形柱的运输较复杂、费用较高。

（1）端板连接:
端板焊于梁端部横截面上，用高强度螺栓与柱翼缘相连。端板连接节点力的传递：梁端弯矩化为一对力偶，拉力经上翼缘传出，因此受拉的螺栓布置在受拉翼缘的对称位置；压力可以由端板或柱翼缘承担，压力区可少量设置螺栓，压力区的螺栓和受拉力的螺栓共同传递剪力。当端板厚度较小而变形较大时，端板受到撬力的作用，出现附加撬力和弯曲现象，其受力与T形连接相似。由端板的受力和变形分析可知，端板上、下两部分受力自相平衡，所以完全可将上下两部分端板分离出来，形同两个T形连接件，而其受力和变形也与T形连接相同。
端板连接的计算方法，一般采用：1）螺栓和板同时计算法；2）兼承剪、拉的螺栓连接计算法。
端板大多数情况下伸出梁高度范围之外，或上边伸出，下边不伸出。外伸端板连接节点传力路线明确，计算简单，安装比较方便，但对梁的长度尺寸要求比较严格。所以建议在非抗震区的多层钢结构住宅中可采用该类节点连接形式。
（2）短T形钢连接:
梁-柱连接可采用T形连接件通过高强度螺栓连接。T形连接件可由H型钢切成，也可铸成（如日本的HISPLIT）。节点的传力途径是：梁端弯矩由梁翼缘T形连接件传递，剪力由腹板与柱的连接接头传递。由T形连接件连接的梁柱节点，其转动刚度在很大程度上受螺栓预拉力和T形件翼缘抗弯能力的影响，在地震荷载作用下，难以满足刚接要求，当按非抗震设计时，也应考虑节点的柔性，所以短T型钢连接在非抗震区一般视为半刚性连接节点。日本的HISPLIT连接件为铸钢件，具有较强的刚性。采用这种连接件时，节点的承载力、刚度和延性均优于普通的焊接连接，具有稳定的恢复力特性，可视为刚接，但钢材用量会稍多一些。
如日本赤胶王子饭店，39层，高139.8m，用钢量8500t，其中HISPLIT连接件用钢量 500t，约占用钢量的6%。由于现在普遍采用焊接，这种连接形式已较少采用。用T形连接件可简化节点的制作与安装，公差容易保证，施工时在工地拧紧高强度螺栓即可。短T型钢连接因刚度较大在多高层钢框架中也已开始使用，在非抗震区高层钢结构住宅中也可以借鉴使用。

（3）顶底角钢连接和顶底角钢、腹板双角钢连接:
梁柱用上、下角钢连接时，受拉一侧的角钢在弯矩作用下，不仅竖肢变形，水平肢也变形，因此其连接刚度较端板连接与短T型钢连接都要低。
顶底角钢、腹板双角钢因破坏形式比较复杂，且影响承载力的因素较多，连接因其承载力离散程度较大，目前还仅限于试验研究阶段。在工程中目前还未见报道，但有些国家通过一些辅助焊