小高层钢-混凝土混合结构住宅体系抗震性能与配套技术综述

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２３卷第２期　２００７年６月　北京建筑工程学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　Ｖ０Ｉ．２３　ＮＯ．２　Ｊｕｎ．２００７　文章编号：１００４—６０１１（２００７）０２—００３１—０５　小高层钢一混凝土混合结构住宅体系抗震　性能与配套技术综述　阎兴华，　孔祥峰，　高旭英　（北京建筑工程学院土木与交通工程学院，北京１０００４４）　摘　要：对国内外钢一混凝土混合结构抗震性能的试验研究、理论分析和工程实例进行了综述，介　绍了国内外钢结构住宅体系内外墙体的技术动态，最后提出了小高层钢一混凝土混合结构住宅体　系需要进一步研究的问题．　关键词：钢一混凝土混合结构；住宅；抗震性能；墙体体系　中图分类号：ＴＵ３７５　文献标识码：Ａ　Ｓｕｍｍａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｓｅｉｓｍｉｃ　Ｂｅｈａｖｉｏｒ　ａｎｄ　Ａｃｃｅｓｓｏｒｙ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｍｏｄｅｒａｔｅ　Ｈｉｇｈ－Ｒｉｓｅ　Ｓｔｅｅｌ－Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｍｉｘｅｄ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｒｅｓｉｄｅｎｃｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｙａｎ　Ｘｉｎｇｈｕａ，Ｋｏｎｇ　Ｘｉａｎｇｆｅｎｇ，Ｇａｏ　Ｘｕｙｉｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　ａｎｄ　Ｔｒａｆｆｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢＵＣＥＡ　Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４４）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｂｏｔｈ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｔｅｓｔ　ａｎｄ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ—ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｍｉｘｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎ　ｏｕｒ　ｃｏｕｎｔｒｙ　ａｎｄ　ａｂｒｏａｄ　ａｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｗａｌｌ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｆｏｒ　ｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌ　ｈｏｕｓｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗｏｒｌｄ　ｉｓ　ｓｉｍｐｌｙ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｔ　ｌａｓｔ，ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｎｅｅｄｅｄ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｒｅｓｏｌｖｅ　ａｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌ—ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｍｉｘｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｓｅｉｓｍｉｃ　ｂｅｈａｖｉｏｒ；ｗａｌｌ　ｓｙｓｔｅｍ　目前，在我国低层及多层住宅居住区容积率低、　土地资源浪费、造价偏高，层数过多的高层住宅有效　使用面积减少、投资大、建设周期长、人文性差，小高　术导则》，这些文件有力地推动了我国钢结构住宅体　系的开发研究和示范工程．本文对国内外钢一混凝　土混合结构的抗震研究进行综述，并对与钢结构住　宅体系相配套的内外墙体进行介绍．　层住宅是城市住宅区较优的选择．纯钢结构住宅存　在侧向刚度小、用钢量大、防火性能差等不足，而钢　混凝土混合结构住宅体系则避免了以上的不足．　采用钢一混凝土混合结构的小高层住宅具有良好的　居住环境、工期短、综合经济效益好的优势．　１钢一混凝土混合结构工程应用及抗　震性能的研究　１．１国内工程应用与研究　１）工程应用　１９９９年，转发了建设部等部门　《关于推进住宅产业现代化，提高住宅质量若干意见　的通知》以及《关于在住宅建设中淘汰落后产品的通　知》，建设部于２００２年发布了《钢结构住宅产业化技　随着钢一混凝土混合结构在高层建筑的广泛应　用，采用该结构体系的住宅建筑也相继涌现出来．　收稿日期：２００７　Ｏ１—２２　基金项目：北京市自然科学基金项目（８０４２００９）．　作者简介：阎兴华（１９４５），男，教授，硕士，研究方向：钢筋混凝土及预应力混凝土、结构抗震及减振　维普资讯 http://www.cqvip.com ３２　北京建筑工程学院学报　２００７正　如北京西三旗水电工程宿舍…、亦庄青年公寓［　、　马钢轻板生态住宅［　、天津市彩丽苑１号楼…、本　溪华夏花园钢结构住宅＿４］、莱钢樱花园１号楼、上海　中福城＿５　Ｊ等．这些工程对钢一混凝土混合结构在住　宅建筑的应用起到了良好的示范作用．其中上海中　为１２层住宅试点工程，楼盖采用了暗钢梁组合楼　盖．试验结果表明，钢一混凝土混合结构的位移延　性系数为８．４，层间位移角最大为１／１８，大变形时具　有良好的承载能力和刚度稳定性，是一种抗震性能　良好的结构体系．　３）理论分析　福城地下１层，地上１８层．结构体系采用钢框架一混　凝土剪力墙体系，框架柱为钢管混凝土柱，框架梁为　高频焊接轻型Ｈ型钢梁，楼板采用压型钢板与现浇　赵西安建立了钢框架和混凝土剪力墙的双列多　质点振动模型［¨　；程绍革采用平面杆系模型，把混　混凝土的组合楼板，其结构的平面布置图如图１所　示．　５　３００　３　１００　３　６００　ｇ　－－Ｔ—Ｔ＿＿——『　图１　上海中福城标准单元结构平面图　２）试验研究　１９９１年底，中国建筑科学研究院结构所进行了　一个１：２０的２３层钢一混凝土混合结构模型试验研　究＿６　；１９９９年，同济大学李国强在模拟地震振动台　上完成了１：２０的２５层钢～混凝土混合结构的模型　实验＿７　；２００４年，中国建筑科学研究院对一个１：１０　的３０层型钢混凝土框架一钢筋混凝土筒体混合结构　模型进行了拟静力试验＿８　Ｊ．２００４年底，中国建筑科　学研究院和西安建筑科技大学对一个１：１０的１２层　钢框架一混凝土筒体混合结构模型进行了振动台试　验＿９］．此外，还有学者针对不同的实际工程，采用不　同的模型比例进行了模拟地震振动台试验＿ｌ　］．　２００３年，我们为了能全面真实地反映结构的受　力性能，以上海某实际工程为背景制作了一个１：５　的大比例试验模型，对其在反复水平荷载作用下的　破坏机制、滞回特性、延性和变形能力等方面进行了　试验研究．研究结果表明，钢一混凝土混合结构在　地震作用下弹性位移角限值可取为１／７ｏｏ，极限层　间位移角限值为１／３０，结构具有良好的延性和变形　性能，钢一混凝土混合结构在往复大变形下承载力　和刚度稳定性良好，是一种具有良好抗震性能的结　构形式，可用于地震区．２００６年初，我们进行了钢　混凝土混合结构板柱一筒模型的往复水平加载试　验．本试验采用１：３的大比例缩尺模型，原型结构　凝土核心筒等效成为宽柱框架与钢框架共同进行分　析［¨　；李国强提出了混合结构的简化分析模型［　，　还建立了一种分区耦合分析模型［　；刘坚等考虑了　钢框架梁柱节点的柔性连接，得到简化计算方　法［＂　．杨淑玲在平面二维分析模型的基础上，加　入钢框架和混凝土核心筒之间的横向钢梁的竖向空　间约束作用，建立了拟三维弹塑性动力分析模　型［１９１．　我们在试验研究的基础上，将混凝土剪力墙视　为带刚域的壁式框架，与钢框架通过铰接的刚性连　杆连接，实现协同工作．考虑了Ｐ一△二阶效应的影　响，对钢筋混凝土构件采用退化四线型恢复力模型　描述，考虑了负刚度，对钢构件则采用双线型恢复力　模型并考虑节点域剪切变形的影响．编制的弹塑性　有限元杆系分析程序对模型结构进行了反复水平荷　载作用下的全过程静力分析及动力时程分析，理论　结果和试验结果吻合良好．　１．２国外工程应用　国外混合结构体系应用比较广泛，如美国的　Ａｎａｃｏｎｄａ　Ｔｏｗｅｒ和纽约４９号塔楼．纽约４９号塔楼　１～３５层采用钢筋混凝土核心井筒及钢框架，３６～　４４层改为钢结构，其标准层平面布置图如图２所　示．　钢框架　—１　’ＴＩ－Ｆ’　ｌ＞＜Ｉ　＜　；ｊ　－广Ｊ　　×《　ｉ≯　：　峰ｉ孽　土芯筒　ｌ　．　．＿　《）　Ｉ　ｆ　ｌ　ｌ　图２纽约４９号塔楼结构平面图（首层～３５层）　目前，美国的混合结构用于非抗震设计的工程　较多．日本过去采用混合结构的工程很少，近年来　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期　阎兴华等：小高层钢一混凝土混合结构住宅体系抗震性能与配套技术综述　３３　情况有所变化，采用钢筋混凝土核心筒一钢框架体系　的工程陆续建成，这当中有札幌的ａ～Ｔｏｍａｍｉ饭店　（３６层，１２１　ｍ），东京的日本银行办公楼（２０层，７８　ｍ）．在欧洲，如比利时、意大利等国，混合结构在住　宅中有较多的应用［　。。．　２相关的配套技术　２．１国内外钢结构住宅墙体体系　２．１．１　国外钢结构住宅墙体体系实例　１）意大利工业化建筑墙体体系　意大利工业化建筑外墙体系采用外挂轻质墙　板［　，通过墙板内的预埋铁件与钢结构梁柱连接，　板缝之间采用防水密封件进行防水，如图３所示．　外墙的外侧采用８０　ｍｍ厚普通混凝土预制条形板　（也可以采用轻混凝土条形板，板面可预制成各种图　案），内侧为１００　ｍｍ厚玻璃棉铝箔隔气层，轻钢龙　骨石膏板．外墙板预埋件采用Ｔ型螺栓与梁连接，　板缝之间设双层密封条．柱子正好在内外侧墙板的　空气层中，内隔墙采用轻钢龙骨石膏板．　图３意大利工业化建筑体系节点构造　１防护板；２．保温棉板；３．Ｈ型钢柱；４．锚固板；５．连接件；６．防水　密封件；７．钢埋件；８．钢主梁；９．轻质外墙板；１０石膏板；１１．钢板　配件；１２．保温棉；１３　石膏板；１４．轻钢龙骨；１５．石膏板；１６踢脚　板；１７．地面；１８．钢次梁；１９压型钢板楼板；２０．现浇钢筋混凝土　板楼板　２）日本高层钢结构住宅墙体体系．　日本是一个多地震的国家，对钢结构住宅墙体　节点的安全性要求很高，采用各种可以适应墙体变　形的柔性节点［２２］．其钢结构住宅外墙一般采用　ＡＬＣ轻混凝土板、塑料板、木板及彩色钢板夹芯板．　图４为一种住宅的外墙构造．　２．１．２我国钢结构住宅墙体　我国钢结构住宅起步较晚，墙体技术相对滞后，　同时由于我国气候、资源及社会经济发展状况的不　同，地区之间也存在较大的差异，其基本的分类如　下：　１）砌筑类轻质墙体　轻质砌块包括普通混凝土小型空心砌块、轻集　料混凝土小型空心砌块、粉煤灰小型空心砌块、加气　混凝土砌块、硅酸盐砌块、石膏砌块等．　图４　日本高层钢结构住宅外墙构造　１．５７ｍｍ厚轻混凝土板；２，钢骨架；３．６６ｍｉＤ＿厚空气层；４．高性能　隔热材料；５．１２　ｍ厚石膏板　图５混凝土砌块做钢结构住宅外墙的现场砌筑　２）单一材质墙板　目前主要有纤维增强硅酸钙板、ＧＲＣ轻质多孔　条板、蒸压轻质加气混凝土板（ＡＬＣ板）、轻质陶粒　混凝土板、石膏空心条板等．其中南京产ＮＡＬＣ１板　和上海产伊通板板内都配构造筋，比普通加气混凝　土板更轻，保温、防火、抗渗、环保性能更好．板面可　以做涂料、油漆、墙纸、瓷砖等各种装饰．ＮＡＬＣ外　墙板节点如图６．　３）复合墙板和复合墙体　近年来，由于建筑节能的需要，住宅外墙往往用　砖或砌块与高效保温材料（如聚苯板、岩棉板或玻璃　棉板等）进行复合，组成复合墙体或复合墙板．　（１）复合墙板：　①水泥砂浆抹面的钢丝网架类夹芯板　由冷拔低碳镀锌钢丝焊成三维网笼，中间芯材　有聚苯乙烯泡沫塑料板或半硬质岩棉板等，面层喷　抹水泥砂浆．外墙板宜用Ｃ２０细石混凝土代替水泥　砂浆［２　３１．此类板材包含了泰柏板、舒乐舍板、３Ｄ　板、ＵＢＳ板、ＧＹ板等．其典型构造见图７．　②钢筋混凝土绝热材料复合外墙板　目前的类型有承重混凝土岩棉复合外墙板、薄　壁混凝土岩棉复合外墙板、混凝土聚苯乙烯复合外　维普资讯 http://www.cqvip.com 北京建筑工程学院学报　图６　ＮＡＬＣ板外墙外挂安装节点图　１．　＠６００（Ｌ＝１０００）专用接缝钢筋；２．专用托板；３．密封胶＋发　泡剂或岩棉；４．Ｌ６３×６＠６００（Ｌ＝１００）；５．ｃｐ１２＠６００钩头螺栓；６．　ＮＡＬＣ外墙板；７．Ｌ６３×６通长　图７钢丝网架夹芯板结构　１．钢丝骨架；２．保温芯材；３．抹面砂浆　墙板、混凝土膨胀珍珠岩复合外墙板等．其中非承　重薄壁混凝土岩棉复合外墙板的组成如图８所示：　结构层由５０～７０　ｍｌｎ厚的钢筋混凝土构成，保温层　为８０　ｍｍ（或由当地气候条件及热工要求而定）的岩　棉半硬板，饰面层为３０　ｍｍ的混凝土砂浆层，结构　层与饰面层之间用钢筋连接件相连接．　（２）复合墙体：　目前我国国内的复合墙体主要是以纸面石膏　板、纤维增强水泥平板（ＧＲＣ板）等轻质薄板为面层　材料，以轻型钢龙骨为骨架，中间填充某种保温材料　（如岩棉半硬板、聚苯乙烯泡沫板）或吸声材料，或是　以空气为隔绝层，经现场拼装而成的轻龙骨薄板类　复合墙体．图９为加气混凝土和挤塑聚苯板组成的　复合墙体．空气层的设置有利于冷凝水或水蒸气的　顺利排出，防止保温材料受潮．同时，电气、水管等　设备管线可以很方便地固定在轻钢骨架上．此外，　复合外墙的外层幕墙板一般应选择具有易装饰、防　水性能优良、耐候性强和易清洁的材料，如铝塑板、　陶瓷板等．　内侧　．　１　●　，——　——，　．　＿　－　●　二＝＝；　２　　＿／　一　，　一二　４　＿　‘　Ｖ　３０　８０　５０　或１００　．　１６０～１８０　图８非承重薄壁混凝土岩棉复合外墙板剖面图　１．钢筋混凝土结构层；２．钢筋连接件；３混凝土饰面层；４．岩棉绝　热层　３　５　２　图９复合墙体　１．１００ｍｍ厚加气混凝土；２．聚合物砂浆；３．　膨胀螺栓；４．Ｌ６０　×４０×４；５．４０×４０×２方形钢管龙骨；６．５０　ｍｍ厚挤塑聚苯板；　７．空气层；８．密封耐候胶；９．３　ｍｍ厚铝塑板　２．２钢结构住宅外窗　钢结构住宅外窗系统研发的重点是利用新型节　能玻璃及框材，设计新型的门窗开启形式以提高外　门窗的各项性能．　２．３整体厨卫　厨房和卫生间设计的合理与否关系到住宅整体　的居住质量．住宅的整体厨卫设计应该重点对厨卫　的位置，厨卫空间的合理分隔（卫生间干湿分离、厨　房洁污分离），厨卫各空间的尺度和面积保障，分质　供水设计系统和太阳能供能系统，厨卫的通风设计、　通用设计等方面做相应的研究．　３需要进一步研究的问题　小高层钢一混凝土混合结构住宅体系是一种新　型的住宅建筑体系，与我国住宅产业化的内涵“节约　型住宅”的要求相一致，是推进我国住宅产业化、现　代化的较理想的住宅建筑体系．围绕我们的课题，　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期　阎兴华等：小高层钢一混凝土ｆ昆合结构住宅体系抗震性能与配套技术综述　３５　针对小高层钢一混凝土混合结构住宅体系，需要进　一抗震性能振动台试验研究［Ｊ］，建筑结构，２００５，３５　（８）：６９—７２　步研究的问题主要有：　（１）在所编制的钢一混凝土混合结构弹塑性分　析程序的基础上，对小高层钢一混凝土混合结构住　宅的结构体系做进一步的分析，同时借鉴相关的规　范、规程，提出设计的具体建议．　（２）对国内外钢结构住宅领域的墙体体系进行　［１０］龚治国，吕西林，卢文胜．混合结构体系高层建筑模　拟地震振动台试验研究［Ｊ］，地震工程与工程振动，　２００４，２４（４）：９９—１０５　［１１］武敏刚，吕西林，混合结构振动台模型试验研究与计　算分析［Ｊ］，地震工程与工程振动，２００４，２４（６）：１０３　１０８　对比分析、优化，提出适合于小高层钢一混凝土混合　结构住宅体系的内外墙体．　　・［１２］　邹昀，吕西林，卢文胜，等．上海环球金融中心大厦整　体结构振动台试验设计［Ｊ］．世界地震工程，２００４，　２５（４）：５４—５９　（３）对钢结构住宅体系的其它配套技术，如平面　户型的布置、太阳能技术等内容进行优化集成，以期　最终形成一套完善的小高层钢一混凝土混合结构住　宅体系．　［１３］　赵西安，高层建筑组合结构分层模型弹塑性动力分　析［Ｊ］．建筑结构，１９８９（６）：１２—１８　［１４］　程绍革，钢一ｆ昆凝土混合结构弹塑性反应分析及探　讨［Ｊ］．建筑结构，１９９８（６）：３３—３５　［１５］　李国强，姜丽人，张晓光．高层钢一混凝土混合结构　参考文献：　［１］张运田．钢结构住宅建筑体系研究进展［Ｊ］．钢结构，　２００２，１７（６）：３７—３９　简化分析模型［Ｊ］，建筑结构，１９９９（６）：１２—１６　［１６］　李国强，丁翔．高层建筑钢一ｔ昆凝土ｆ昆合结构分区耦　合分析模型及开裂层位移参数分析［Ｊ］，建筑结构，　２００２，３２（２）：２１—２５　［２］　戴绍斌，黄俊．钢框架一核心筒钢结构住宅的抗震概　念设计［Ｊ］．武汉理工大学学报，２００３，２５（１１）：５０—　５６　［１７］　刘坚，李开禧，张利，钢框架一ｆ昆凝土剪力墙ｔ昆合结构　的简化计算方法［Ｊ］，四ＪＩｌ建筑科学研究，２００３，２９　（２）：２１—２３　［３］　刘萌，徐立宇．马钢Ｈ型钢钢结构高层住宅设计研究　［Ｊ］．建设科技，２００２（６）：６８—７０　［４］　孙英，张跃峰．本溪华夏花园钢结构住宅设计［Ｊ］．建　筑学报，２００１（７）：４７—４９　［１８］刘坚，李开禧，王耀伟，等．钢框架一混凝土剪力墙混　合结构连续化计算方法［Ｊ］．力学与实践，２００３，２５　（３）：４３—４５　［５］高光虎．高层及多层钢结构住宅设计［Ｊ］．上海宝钢工　程设计，２００１（３）：１—１１　［１９］　杨淑玲．钢框架一混凝土核心筒混合结构弹塑性地震　反应分析方法［Ｄ］．北京：北京工业大学．２００５　［２０］　弓晓芸，严虹．国外工业化钢结构住宅应用探讨［Ｊ］．　工业建筑，２００１，３１（８）：１７～２０　［２１］　张小玲．意大利钢结构住宅设计及建造技术［Ｊ］．建　设科技，２００４（１）：７８—７９　［２２］　陆烨，李国强．日本产业化高层钢结构住宅方案介绍　［ＪＪ．建筑钢结构进展，２００３，５（增刊）　１—１２　［２３］陈福广．新型墙体材料手册［Ｍ］．北京：中国建筑工　业出版社．２００５．１１４—１１７　［６］　龚炳年，郝锐坤，赵宁．钢一混凝土混合结构模型试验　研究［Ｊ］．建筑科学，１９９４（１）：１０—１４　［７］李国强，周向明，丁翔．高层建筑结构钢一混凝土混合　结构模型模拟地震振动台试验研究［Ｊ］．建筑结构学　报，２００１，２２（４）：２～７　［８］　徐培福，薛彦涛，肖从真，等．高层型钢混凝土框筒混　合结构抗震性能试验研究［Ｊ］．建筑结构，２００５，３５　（５）：３—８　［９］储德文，梁博，王明贵．钢框架．混凝土筒体ｆ昆合结构　［责任编辑：王克黎］