一、我国轻钢住宅的发展
我国轻钢结构已有20多年的发展历史，虽然起步不晚，但多层轻钢住宅的发展主要由于经济和技术原因而受到限制。 我国最早的轻钢结构住宅是1994年11月在上海浦东东蔡建成的8层钢结构住宅，采用冷弯矩形钢管混凝土柱和U型冷弯型钢组合梁组成框架。 其特点是采用秸秆板作为外墙和楼板构件，单位面积用钢量为34kg/m2。
当前，国家把住宅产业作为国民经济新的经济增长点。 为居民提供符合市场需求的优质商品住房已成为必然趋势。国家鼓励发展
“新型建筑系统”已被列入优先发展的高新技术领域。 1999年国务院72号文件提出，发展钢结构住宅产业，沿海大城市限期停止使用粘土砖。 建设部标准定额研究司正在制定和修订与多层钢结构房屋密切相关的技术法规。 今年上半年，书福二手钢结构召开了“钢结构住宅产业化技术导则编制研讨会”和“钢结构住宅建筑体系及关键研究项目立项评审会”技术”分别。 钢结构住宅建筑体系及其重点、试点等18个项目获批。 国家政策为钢结构住宅的发展创造了条件，钢结构工业化住宅有望在不久的将来取得突破。
2、多层轻钢住宅的优点
我国过去发展了大量的住宅建筑，以砖混结构为主，开间较小。 该房屋体系采用实心粘土砖，浪费土地资源，建筑笨重，且抗震能力较差。 另一方面，由于结构体系本身的限制，住宅布局多为封闭式小开间，无法适应居住模式不断变化的要求。 与传统住宅相比，多层轻钢住宅具有明显的特点和优势，越来越受到重视。
(1)重量轻、抗震性能好。 构件采用高效轻质薄壁型材，具有优良的截面特性、相对承载能力高、力学性能好、整体刚度高、抗震性能好。 可节省大量材料，减轻结构重量，减少基础、运输和安装费用。 因此，在地震区、地质条件较差、交通不便的地区其优势更为明显。
(2)外观美观，建筑造型简洁丰富，构件截面尺寸小，净使用面积增加。 钢材强度高，可提供更大的柱网布局； 考虑楼板的综合作用，采用组合梁或扁梁时，可增加净高。 这种开放式的住宅既为建筑师提供了设计余地，也为住户提供了灵活划分室内空间的可能性。
（3）交货快捷，安装方便，与混凝土结构相比，可缩短至少一半的工期。 在当前贷款利率高的金融形势下，早投产、早回收投资对于降低项目总成本、提高投资效益范围非常重要。
（4）干法施工，装备程度高，施工快速高效，质量有保证。
（5）轻钢结构在生产和使用过程中能耗和原材料消耗低，建筑垃圾少，粉尘少，噪音低。 具有较高的可重复使用性和可回收性，是一种绿色环保结构。
3、多层轻钢住宅体系及结构特点
3.1 抗侧力结构体系
多层轻钢住宅主要采用的系统可分为：纯钢框架系统、框架-支撑系统、钢框架-混凝土剪力墙系统、周边抗侧力系统等。
(1)纯框架系统多用于4至8层住宅。 主要由宽翼缘H形或箱形柱和工字梁组成。 也可采用热轧H型钢。 该系统空间布局较为灵活，但横向刚度较弱。 与框架支撑系统相比，用钢量更大。 纯框架体系多采用双向刚性连接，可以增加结构本身的侧移刚度，减少抗侧移构件的内力，强化耗能机制，提高建筑物的延性。 但节点形式比较复杂。 由于建筑美观要求，端板连接不适用于多层轻钢住宅。
(2)框架支撑系统主要由焊接工字梁、柱组成。 在大多数情况下，该系统是水平承重的。 梁柱节点横向刚性连接，纵向铰接。 因此，该结构在纵向相当于一个机架，其抗侧向刚度很低。 需要设置侧向支撑来抵抗水平荷载，限制结构的水平变形。 支撑件可以是槽钢、角钢或圆钢杆。 具体形式可结合建筑立面或门窗洞口的需要采用单斜杆、X形、K形或偏心支撑。 单斜杆简单明了，但必须设置两组不同的斜支撑，以保证结构在两个方向上具有相同的抵抗侧向力的能力。 X型支撑具有良好的侧向刚度，但交叉处的详细结构较复杂。 偏心支撑具有很好的地震消能效果。 其工作原理是：在中、小地震作用下，支撑提供主要的侧向力抗刚度，与中心支撑类似； 在大地震作用下，保证支撑不受压屈曲，并允许耗能梁段屈服消耗能量。 它是一种专门针对抗震设计的支撑形式。
(3)框架-钢筋混凝土剪力墙(管)体系。 采用钢筋混凝土剪力墙部分或全部代替钢支撑，形成框架-钢筋混凝土剪力墙（管）体系。 适用于小型高层住宅。 楼梯或电梯间一般设计为钢筋混凝土墙（管）。 这不仅有效加强了建筑的侧向刚度，而且解决了楼梯间的防火问题。 如果结构刚心偏差过大，造成扭转问题，可在适当位置设置钢支撑。
(4)周围抗侧力系统。 该系统在欧美国家的商业和民用建筑中非常流行。 其特点是刚架柱的强轴与相交处的建筑轴线垂直，形成外筒，抵抗水平荷载并将其传递到基础上。 适用于建筑外观接近正方形的结构。 这个想法可以应用于框架支撑系统。 拆除纵向支撑，将原刚架柱扭转90度，梁、柱由铰接改为刚接。 这样，刚架柱同时起到抗风柱和竖向支撑的作用。
在选择多层轻钢住宅系统时，没有必要拘泥于特定的系统。 可根据建筑平面设计的要求，灵活综合运用不同的抗侧力系统。
3.2 楼板和屋顶结构
地板和屋顶必须有足够的强度、刚度和稳定性。 同时应尽量减少楼板厚度，增加室内净高。 压型钢板-混凝土复合楼板是目前应用最广泛的形式。 具有施工速度快、平面刚度大、增加房屋净高等优点。 具体方法是在钢梁上铺设压型钢板，再浇筑100～150mm混凝土。 将足够的剪力连接件焊接到钢梁上，使钢梁和混凝土共同形成复合楼板。 这种方法消耗大量钢材，并且需要防火。 可以使用预应力钢筋混凝土板代替压型钢板。 此外，预应力圆孔板、叠合板、组合扁梁也是常用的形式。
3.3 墙体结构
各种轻质墙体材料以其良好的保温、隔热、隔音性能而受到开发商的青睐。 目前墙体主要分为自承重和非自承重两种类型。 自承重墙体主要包括用于外围护结构的加气混凝土砌块、空间板、轻钢龙骨加强板等，以及用于围护结构的轻质混凝土板、石膏板、水泥刨花板、秸秆板等。内墙。 外墙非自承重墙体材料主要有彩色压型钢板、彩色压型钢夹芯板、玻纤增强外墙板等。采用非自承重墙体材料，需用墙梁吊挂外围护结构。 门窗洞口宜上下布置。 墙梁多采用C型或Z型冷弯薄壁型钢，尺寸取决于跨度（刚架间距）和墙距（板跨度）。
3.4 多层轻钢住宅的防火
钢是一种非耐火材料。 当温度达到400℃时，钢的屈服强度将下降至常温的一半。 当温度达到600℃时，钢材基本上会失去所有强度和刚度。 因此，钢结构不仅要进行结构的防火设计，还要采取防火措施进行防护。 目前常用的防火措施有四种：（1）防火涂料法。 直接在钢结构构件上喷涂一定厚度的防火涂料。 阻燃涂料主要有两种类型：厚涂型阻燃保温材料，涂料厚度为8～50毫米钢结构多层住宅，表面呈颗粒状，密度低，耐火极限为1～3小时； 涂层厚度为3～7毫米，遇火膨胀增厚，耐火极限为0.15～0.15·2h，属薄涂层防火隔热材料。 喷涂法成本较低，操作简便，施工速度快，但构件表面凹凸不平，影响美观。 (2)隔离方法。 沿构件外围包裹防火材料或耐火砖，使其与外界隔离。 此法美观、无污染，但施工速度慢，适合外露构件。 (3)固包法。 钢构件被浇注到混凝土中。 (4)膨胀漆覆盖法。 在处理过的构件表面喷涂、涂抹或刷涂一定厚度的膨胀漆。 耐火极限可达2h。 覆盖法施工方便，但不适合潮湿环境，只适用于干燥的室内。
4. 工程实例
4.1 工程背景介绍
一座示范楼建筑面积4665m2，5层纯钢框架结构，长67m，宽13.5m，高3m。 它具有焊接工字梁和双向刚性连接的H形柱。 楼板活荷载2.0kN/m2，屋面活荷载0.3kN/m2，轻型屋面恒荷载0.3kN/m2； 基本风压0.25kN/m2； 设计地震烈度7度，属II类场地。 屋顶为冷弯薄壁C型檩条铺双层镀锌压型钢板夹100mm厚保温棉屋面系统。 外墙采用200mm厚陶粒混凝土空心砌体墙。 家庭墙壁采用180mm厚的菱镁板。 内部隔墙为90毫米厚的菱镁板。 条形基础、柱与基础刚性连接。
示范楼共有四个居住单元，两种建筑布局，建筑面积分别为143平方米和102平方米。 第一个单元是一个大单元，有两间卧室和两个客厅，第二个、第三个和第四个单元是小单元，有两间卧室和两个客厅。 第一单元大客厅采用组合扁梁，使梁与地板融为一体，降低了结构高度。 对于正常极限状态下的组合扁梁，将钢与混凝土组成的组合梁的截面折算成相同材料的截面，然后根据弹性理论进行计算。 为了放置楼板，扁梁的下翼缘一般较宽，需要校核施工时产生的偏心荷载。 为了减少设计工作量钢结构多层住宅，通常将扭矩简化为分别作用在扁梁上、下翼缘上的大小相等、方向相反的力。 详细的分析方法可以参见文献。
4.2 计算方法及基本要求
对于多层轻钢住宅，虽然采用单向板，但由于墙体荷载在垂直和水平方向上的分布，应采用三维空间计算模型。 本工程采用普通楼板。 未考虑楼板对钢框架梁刚度增加的影响。 忽略楼板的空间连接效应。 空间模型为纯框架结构。 利用有限元分析软件ANSYS完成计算分析。 结构计算中采用三维梁单元和质量单元计算结构的自振周期并进行静力分析。
与工业建筑相比，多层民用建筑的荷载条件简单、明确。 主要考虑以下三种工况：
工况1：1.2×恒载标准值+1.4×活载标准值
工况二：1.2×恒载标准值+0.85×1.4×（风载+活载）标准值
工况三：1.2×重力代表值+1.3×水平地震作用标准值
对于多层轻钢住宅的地震荷载计算，由于层数较低且结构布局对称，底剪法可以满足要求。
多层轻钢住宅建筑横向位移具体要求如下：
(1)风荷载作用下顶点的水平位移与总高度的比值不宜大于1/500。
(2)层间相对位移与层高之比不应大于1/400。
(3)在频繁地震作用下，层间横向位移不应超过层高的1/250。
对于多层轻钢住宅，还必须满足刚架柱构件的稳定性要求和钢框架的整体稳定性要求。
4.3 计算分析
由于活载和基本风压较小，因此第三工况为控制工况。 在计算和设计过程中，对两种方案进行了比较。 刚架梁截面形式未改变，仅修改刚架柱。 第一个方案中，刚架柱为工字形； 在第二个方案中，刚架柱呈箱形。
(1)两种方案刚架柱在强轴方向上的转动惯量相同，即横向结构刚度相同。 因此，地震作用下的横向主自振周期与最大横向层间位移基本相同。
（2）本工程长宽比为5，纵向、横向刚性连接均为双向刚性连接。 因此，对于方案一，当横向和侧向刚度满足要求时，纵向刚度也能满足要求。
(3)方案一在满足规范要求的前提下，节省钢材用量，单位面积用钢量减少10%左右，非常经济。 因此，设计中选用工字型刚架柱。 但由于轻钢体系刚架柱的腹板很薄，为了防止局部失稳引起的结构破坏，刚架柱在纵梁与柱的刚性节点处应制成局部箱形柱。
5 结论
从示范建筑实例可以看出，与传统住宅相比，这种新系统动力传输清晰、计算简单、延展性好。 并且由于组合扁梁的应用，可以将楼板与钢梁融为一体，从而降低层高。 综合经济效益优良的多层轻钢住宅将具有广阔的应用前景。
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