多种建筑结构体系在工程中的应用
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【摘 要】 城市化进程的加快并要达到建筑节能的要求，住宅建筑采用了多种不同的结构体系，并己取得了实用性的成果。本文结合工程实际，浅要分析介绍现阶段常用的几种结构体系的应用情况，并分析其利弊。
【关键词】 建筑结构体系；多孔砖砌体；砼空心砌体；大开间；框架结构；型钢结构
【中图分类号】 TU31 【文献标识码】 B 【文章编号】 1727-5123（2012）06-057-03
为加快我国住宅建设城市化进程发展的需要，特别是在针对为节能节地不再使用粘土砖的墙体改革，近年来全国各地采用多种不同新型建筑结构墙体的开发应用，已取得不少实用性的成果。现将几种最常用的建筑住宅结构体系作简要的应用分析简介。
1 多孔砖砌体结构墙体
多孔砖是以粘土、页岩、煤矸石为主要原料，经烧制而成，主要作为承重结构墙体砌筑材料。多孔砖具有节土、环保、节能、轻质、保温隔热性能好等优点，可以代替传统的实心粘土砖应用。多孔砖砌体结构是指采用多孔砖砌体的墙体通过构造柱、圈梁、钢筋混凝土楼（屋）盖组合形成的混合结构。墙体是结构的主要构件，它不仅承担楼（屋）盖传来的竖向荷载，而且承担由地震作用产生的水平荷载。这种结构体系能结合建筑平面，沿房屋周边和内部分隔墙位置布置墙体，形成房屋的弱框架，并满足各类使用功能，经济实用，施工方便，且对施工技术要求不高。
多孔砖砌体结构可分为两种形式：无筋多孔砖砌体和配筋多孔砖砌体结构。①无筋多孔砖砌体除在墙体内设置一定数量的圈梁和构造柱外，一般不再配置分布钢筋。多孔砖在砌筑时被压入孔洞内的砂浆形成销键作用，增强了砂浆的结合强度和砌体的整体刚度，提高了砌体的抗震性能。②配筋多孔砖砌体除了设置圈梁和构造柱外，还在所有承重墙体内配置水泥和竖向分布钢筋或采用集中配筋形成配筋带。
配筋多孔砖砌体能显著提高了砌体结构的抗剪承载力及延性，限制墙面裂缝的开展，从而可以防止墙体因严重破坏而坍塌，与圈梁、构造柱相配合，进一步提高砌体结构的抗震可靠度。适用于多层及小高层住宅结构。
与钢筋混凝土结构相比，多孔砖砌体结构的缺点是：建成后不能随意改变用途，灵活性和可改造性较差。砌体各项物理力学指标较低，结构自重大，抗震能力差。在抗震设防地区，必须设计合理，构造得当，防止由于脆性破坏而导致房屋突然倒塌。同时我国用于多层砌体房屋承重墙体的多孔砖孔洞率一般不大于35%，而国际上的承重多孔砖正向高孔洞率在50～60%，因而需提高我国承重多孔砖的孔洞率，进一步发挥其优点，并应加大推广以煤矸石、页岩石为主要原料的多孔砖。
据介绍粘土多孔砖、煤矸石多孔砖和页岩多孔砖在国内均有一些应用，如陕西西安、浙江杭州等省市已建成的多孔砖砌体结构房屋达数百万m2；黑龙江省采用煤矸石多孔砖已建成各类工业与民用建筑达100多万m2规模。
2 混凝土空心小砌块结构墙体
混凝土空心小型砌块是以水泥为胶结材料，以砂、碎石为粗细骨料，用水按一定比例拌制并经机械震动成型。按其宽度分成190mm和90mm系列，主砌块为390×190，390×190×90，390×90×190，390×90×90和其他一些辅助砌块，用对孔、错缝搭接砌筑方法构成可砌的墙体。
由于小型砌块是空心薄壁构件，灰缝的砂浆结合面小，竖缝的砂浆饱满度差，其抗剪能力是砖墙的40%，为加强其整体性和抗震能力，利用其空心加筋填实形成芯柱，通过芯柱、圈梁和拉接钢筋网片，形成纵横网格，加强对墙体的约束，使墙体之间、墙体和楼盖之间的连接部分具备必要的强度和适应变形能力；同时结构的楼板采用整体现浇钢筋混凝土楼板，以保证芯柱沿房屋全高贯通，加强房屋的整体性，有利于提高结构的抗震能力。
混凝土空心小砌块结构适用于量大面广的多高层建筑，尤其是地震设防地区的中、低层建筑。上世纪80年代以来的几十年中，混凝土空心小砌块结构在广泛使用的同时也暴露出一些其自身所存在的问题，如裂、渗、漏、抗震性能较差等问题；并且混凝土小砌块的保温隔热性能较差，190mm混凝土空心小砌块墙体保温性能仅相当于150mm厚砖墙，必须采用保温节能型复合外墙的结构方式，以确保建筑室内的温度。
3 开放式大开结构
制约大开间住宅结构的主要因素一是楼盖的形式，二是结构的抗侧力体系。目前，采用预应力混凝土的大开间住宅结构，依抗侧力的结构不同，可分为三大类型：①剪力墙—大开间结构体系，该体系侧向力由剪力墙承担；②框简—大开间结构体系，该体系侧向力由外侧的框架及内墙共同承担，内墙承担大部分侧向力；③多层框架-大开间结构体系，该体系侧向力主要由梁-柱框架来承担。楼盖现在的主要形式有以下三种：
3.1 现浇预应力混凝土楼盖：传统的普通钢筋混凝土板跨度一般为3～5m，不足以使住宅的室内空间达到灵活分割的作用。为了克服传统楼盖的缺点采用预应力技术，形成现浇预应力楼盖。现浇预应力混凝土楼盖跨度目前可达6～12m，荷载10KN/m2无梁，板厚200～250mm。可采用无粘接或有粘接预应力配筋形式。
3.2 高效预应力预制装配楼盖：由于现浇结构复杂、工期长、质量不稳定等质量问题，因而出现了高效预应力预制装配式楼盖。采用中高强低松弛螺旋肋钢丝及钢绞线（3股、7股）做为预应力配筋，生产高效预应力预制板，在减少配筋的条件下达到大跨重载的要求。而且利用这类钢筋优良的锚固性能实现先张自锚，工艺简单。为了加强楼盖的整体性及抗震性能，预制板在支座处配负弯距筋并采用硬架支模的方式连接成整体。
3.3 预制、现浇式叠合楼盖：预制空心板厚度大，在楼层高限制较严的高层建筑中难以推广；抗震高度区对结构整体性要求较高，装配式楼盖也受到限制。而兼有预制和现浇双重优点的叠合板可以克服上述不足。以预制底板做永久性摸板，在其上浇筑混凝土形成预应力叠合板。在预制底板中配置预应力钢筋，在现浇层中沿周边配置负弯矩钢筋，不仅受力合理，而且承载力也大，刚度增加，抗裂性能提高，楼盖的结构性能大大改善。同时为增强楼盖结构的整体性，在底板面上拉毛、压痕、配筋或采用键式凸起，实现与现浇层混凝土的紧密结合，实现连续板的共同受力。这些措施不仅增强了楼盖的整体性，而且改善了结构性能，使楼盖在配筋不多，板厚不大的情况下具有较大的承载能力，很小的挠曲变形和较好的裂缝控制性能。目前该结构体系在我国南方一些地区及低烈度区已有较多采用，在抗震高度区的研究与应用已取得不少可喜成果。
4 异形柱框架轻型结构
异形柱框轻住宅结构是根据住宅建筑平面布置的特点，用钢筋混凝土T型截面边柱、L形截面角柱及十字截面中柱与梁、楼板构成不露柱角的隐型框架承重结构，由此构成异形截面柱框架轻墙节能住宅结构体系，为使异形柱框架能承受更大侧向力的作用，可以在异形柱框架平面内设置斜撑，称为斜撑框架结构。异形柱框架结构避免了室内凸出柱子楞角、改善室内观瞻、少占建筑空间，为住宅建筑设计及使用功能带来灵活性和方便性。
该结构采用肢厚与填充墙厚度一致的非矩形截面柱，其力学性能优于普通矩形截面柱，表现在：①平截面假定在钢筋混凝土异形截面柱中仍然成立，一般情况下中和轴的方向与弯矩作用方向不垂直。②T型、L形截面双向压弯构件正截面承载力除了与所采用的材料强度、截面尺寸有关外，在不同加载方向下其差异较大，最大差异可达50%以上。十形截面双向压弯构件正截面承载力在加载方向不同时，差异则相对较小。③异形截面柱的延性性能较矩形截面柱差，除了受轴压比、箍筋直径及间距的影响外，加载方向不同相应的曲率延性差异较大，L形截面柱的差异最大，可达50%以上。④T形、L形截面柱抵御斜向地震作用受剪破坏的能力较矩形截面柱强，这是因为异形截面柱的翼缘发挥了有利的作用。⑤同等截面积的L形、T形和十形截面柱框架节点承载力分别比矩形截面柱低33%、17.5%和8%左右。⑥轴压力的存在影响异形截面柱框架节点承载力，高轴压比对异形柱框架节点承载力起到不利作用。⑦异形截面柱节点的斜压破坏比矩形截面柱节点出现的相对较早。
异形柱框轻节能住宅结构体系一般适用于多层及中高层住宅建筑，具有良好的经济、社会效益。但仍存在一些不足，主要是由于柱肢厚度较薄，梁柱节点部位截面较窄，增强了施工难度；异形柱T形、L形截面沿不同方向的受力性能与矩形柱相比差异较大，并且由于柱截面积较小，在轴压比严格控制下，房屋层数也受到限制。同时异形框架柱下降比较多，特别是高地震区，由于结构抗矩力比较差，使应用受到了一定的限制。
5 短肢剪力结构
短肢剪力结构体系大都用于高层住宅，在南方地区应用较为普遍，北方城市也有采用此种结构体。短肢剪力墙结构是根据高层住宅平面特点，利用竖向交通中心（楼梯、电梯间）的分隔墙设置钢筋混凝土剪力墙，组成一个基本完整的核心墙体，作为承受竖向荷载和抗侧力的主要部分。部位的竖向结构，视结构受力需要和建筑平面布置，在房间分隔墙交点处设置适量的钢筋混凝土短肢墙。各短肢短肢剪力墙间布置联系梁，把这些短肢墙与核心墙体连成一个整体，构成整栋建筑的结构体系。
短肢剪力墙仍属于短肢剪力墙结构体系，只是采用较短的墙肢，一般墙肢肢长约为5～8m，肢宽长约1～2m左右，比一般短肢剪力墙的墙肢短，又比异形柱的柱肢长，主要布置在间隔墙的交点处，其形式多样且灵活，短肢剪力结构通常采用T形、L形、I形、十字形等。短肢墙的数量及肢长主要又竖向荷载和抗侧力需要而定，也可混合布置部分长肢墙或矩形柱。短肢剪力墙利用间隔墙位置来布置竖向构件，基本不会同建筑使用功能发生矛盾，且短肢墙截面较薄，基本不凸出间隔墙表面，大大改善了矩形柱使用不便的缺点。墙的数量可多可少，肢体可长可短，视结构受力需要而定，并且可通过调整短肢墙的尺寸和布置来调整刚度大小和刚度位置。结构可灵活布置，可选择方案较多，且较易处理支撑楼盖的要求；短肢墙间的连系梁位于间隔墙竖向平面内，基本属于隐蔽形，不影响建筑美观。由于减少了短肢剪力墙而代之以轻质砌体，可减轻房屋总重量，减少地震作用，同时也可加快施工速度。
6 轻型钢结构体系
轻型钢结构住宅中最常见的形式为钢框架结构，根据建筑方案的需要有时也采用悬挂体系。梁柱大都为轧制或焊接工形截面。框架结构平面布置灵活，各部分刚度比较均匀，构造简单，易于施工。其自振周期长，自重较轻，对地震作用不敏感。但其侧向刚度小，侧向位移难以控制。对于一些设有电梯的房屋，为增强侧向刚度，结合其电梯井的布置，还可以采取框架—抗剪桁架结构体系或框架—钢板剪力墙结构体系。
为了加强钢结构的侧向刚度，抵抗水平风荷载和地震作用，通常采用槽钢或角钢在墙体平面内布置垂直支撑体系，根据要求沿纵、横向单向布置或双向布置。支撑与框架铰接，按拉杆或压杆设计。考虑到门窗的布置，可采用X型、单斜杆型、人字形、倒人字形、W形、倒W形、门式等形式，还可以采用偏心支撑。其中偏心支撑的优点是在较小或中等的水平载荷作用下有足够的刚度，而在严重超载（如大地震）时具有良好的延性，是一种较好的抗剪支撑。
轻型结构房屋的楼板必须具有足够的承载力、刚度和整体性。当前较常采用的是在刚梁上铺设压型钢板，浇筑100～150mm厚混凝土板。压型钢板与刚梁之间用栓钉连接。另外还可用预应力薄板加混凝土现浇层或一般钢筋混凝土楼板，此时应保证楼板和刚梁之间的可靠连接。为了减轻刚结构房屋的自重，围护结构大都采用轻质填充材料，如空心砌块、加气混凝土块等，有时可采用压型钢板加轻质保温层组成的保温墙体，也可采用轻质美观的玻璃幕墙结构。内隔墙可采用空心砌块、加气混凝土块等轻质填充墙或轻钢龙骨石膏板。轻型钢结构住宅建筑已在全国许多地区采用。
7 壁板轻框结构
壁板轻框节能住宅体系主要由复合墙板与隐形框架形成，其中复合墙板包括密肋复合墙板、空心钢筋混凝土板、轻骨料混凝土板等。下面仅以密肋壁板轻框结构为例作一介绍。按结构形式可分为多层与中高层。
密肋复合墙板是以截面及配筋较小的钢筋混凝土为框格，内嵌以炉渣、粉煤灰等工业废料为主要原料的加气硅酸盐砌块预制而成。密肋复合墙板中填充块体由于框格的约束，其裂缝被限制在一定范围之内，在反复荷载作用下将趋于闭合，并能继续有效地承受荷载，故墙板整体承载能力不会明显降低，这首先使得填充块体能有效参与结构的抗侧力体系，从而提高结构抗侧力刚度，拓展框架结构的建造高度；其次，由于众多块体在约束条件下的开裂与非弹性变形，类似于一耗能装置，可吸收及耗散大量地震能量，从而可有效提高结构的耗能能力。密肋复合墙板在水平荷载作用下，与框架共同工作，其一方面受到框架约束，另一方面框架有受到墙板的反约束，两者相互作用，共同受力而充分发挥各自的性能。壁板轻框结构中，复合墙板不仅起围护、分割空间和保温作用，而且可作为承力构件使用，从而可有效减少框架截面尺寸及配筋量，降低结构经济指标。由于它独特的构造特点使其承力体系的三部分构件：砌块、框格及框架，能够分阶段释放地震能量，使主体结构在大地震中不至于有较大损坏。壁板轻框节能住宅体系的特点是：①抗震性能好。结构自重轻、地震反应小、整体性好、具有较强的耗能能力和抗倒塌能力。与砖混结构相比，极限承载力提高1.6～1.8倍，变形能力提高2倍以上；变形性能介于框架和抗震墙结构之间。②结构适应性强。密肋壁板轻框结构适用于多层、中高层及小高层住宅建筑，也可与其它结构体系组合使用。同时，由于墙体厚度的减小，使其净使用面积约增大5～8%。③节能效果佳。本结构体系密肋复合墙板保温性能好。250mm厚外墙总热阻大于500mm厚粘土实心砖墙，接近490mm厚空心砖墙。④施工速度快。密肋复合墙板既可工厂化生产，也可现场制作。结构采用装配现浇式施工，机械化程度高，工耗少，缩短工期近1/3。⑤社会与经济效益显著。大量利用工业废渣，保护环境、节约土地。据统计，每1万m2建筑，可避免挖土毁田120m2，消耗工业废渣1000～1500m3。由于其自重轻、施工速度快、工耗少，与砖混结构相比，土建造价每平方米可降低4～6%，与框架结构相比可降低10～12%。
近10年来，我国城乡住宅建设面积每年已超过10亿m2的速度发展，仅此一项即可形成每年约数千亿元的市场价值，由此又可以带动相关产业的发展，社会效益和经济效益是十分可观的。
参考文献
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