《天津市钢结构住宅设计规程》简介
陈志华陈熬宜
(天津大学建筑工程学院，天津300072)
摘要本文简要介绍《天津市钢结构住宅设计规程》(DB29-57-2003)的制定的原则、指导思想以及规范中一些关键的内容，并对部分内容进行了解释。
关键词钢结构住宅规程
根据中华人民共和国建设部制订的《钢结构住宅设计导则》、天津市建委制订的《天津市钢结构住宅设计纲要》的要求及目前现行有关国家标准的相应技术规定而制订的《天津市钢结构住宅设计规程》（以下简称本规程），经天津市建设管理委员会批准发布，自2003年12月1日起实施。
钢结构住宅在欧美、日本和我国台湾地区已广泛采用，它具有抗震性能高、重量轻、耐久性好、施工速度快的优点。在建筑功能上，由于梁柱截面小、开间大、净空高、使用面积大、居住舒适度高，因此它属于节能和环保型住宅。在工程造价方面与钢筋混凝土结构基本持平，因为钢结构住宅的施工工期比钢筋混凝土结构缩短一倍以上，其实际收益更大。因此，钢结构住宅是代替砖混住宅较为理想的建筑结构体系。为了推广这种节能型的钢结构住宅建筑体系，推动钢结构住宅的产业化，同时给广大结构设计人员进行钢结
构住宅设计提供可靠的依据，特制定本规程。现将本规范的主要内容予以简要介绍。
一、规程编制原则和指导思想
在编制过程中，编制组制定了编制大纲，明确了编制原则和指导思想：（1）规程内容要丰富，技术水平要高；（2）规程可操作性要高；（3）符合钢结构住宅的发展趋势；（4）保证规程的编写水平；根据以上指导思想，编制组以科学实验为基础，针对钢结构住宅建筑结构体系进行了十八项专题试验研究，如钢管混凝土框架结构试验研究，节点强度和刚度的试验研究，复合外墙板的试验研究等。编制组还认真研究了有关国内外钢结构住宅的学术文献资料，总结了天津市和国内钢结构住宅示范工程的经验，并且广泛吸收了一些新技术、新材料、新工艺。为了验证本规程相关内容的成熟性，以天津为试点，采用了三种不同结构，不同墙体材料，不同施工方法的方案，启动了20万平方米以上的规模试点工程，取得了比较好的效果。
本规程共分为6章：总则、术语和符号、建筑设计、建筑设备、结构设计、钢管的制作及管内混凝土的浇筑。
二、规程的主要内容
（一）总则
在本规程的总则中，除了一般性的规定之外，重点提出了两点：
（1）钢结构住宅的发展形势及本规程适用范围：发展形势(略)。本规程适用于天津市各行政区新建、扩建住宅工程设计，也可供学校等其它建筑设计参考。
（2）提出了“以人为本”的建筑设计理念：钢结构住宅应遵循以人为本的建筑设计理念，充分满足用户对建筑功能的要求，以及良好的空间视觉效果，以达到“舒适房”和“环保房”的现代化住宅水平的要求。
（二）术语和符号
本规程中，提出了两个新的名词：钢结构住宅和广义的钢框架。
（1）钢结构住宅（steel structure dwelling houses）：钢结构住宅包括纯钢结构和钢—混凝土混合结构两种结构体系形成的房屋住宅建筑。纯钢结构体系是指由纯钢组成的钢框架或钢框架与钢支撑组成的
结构体系。钢-混凝土混合结构是指由纯钢框架与混凝土核心筒（剪力墙）组成的结构体系，也可以是由组合构件（含钢梁-混凝土板组合梁、钢骨混凝土梁、钢管混凝土柱、钢骨混凝土柱等）组成的钢框架与混凝土核心筒（剪力墙）组成的结构体系。
（2）钢框架（steel frame）：钢结构住宅中的钢框架泛指纯钢构件和组合构件形成的钢框架。
（三）建筑设计
本规程中规定了建筑设计的基本原则，并对平立面设计，外围护墙、隔墙及顶棚，防腐和防火等方面作了相关规定，这里简单介绍基本原则、外围护墙及防腐和防火。
1．建筑设计基本原则
钢结构住宅应充分发挥钢结构强度高的特点，单元内宜采用大开间、大空间、高净空、无柱空间，满足用户任意灵活分隔的要求; 住宅设计应执行标准化、多样化，积极采用新技术、新材料、新产品，促进住宅产业现代化; 住宅设计应以人为本，除满足一般居住使用要求外，根据需要尚应满足老年人、残疾人的特殊使用要求。
钢结构住宅的防火和防腐设计应满足国家现行规范要求，钢结构宜优先选用具有装饰效果的防火板材包覆、外包金属网水泥砂浆或混凝土保护。
2．外围护墙
外围护墙设计的基本要求中对外墙材料的保温防水等性能作了规定，特别强调了构造和连接，同时明确外围护墙应做好防火、防盗、构造及节点和板缝设计，既要保温抗冻，又要隔热、隔声，同时还要保证坚固耐久，墙板的安装中提出了具体化的施工操作条文。
墙板的连接中，明确墙板与主体结构的连接宜采用柔性连接，当抗震设防烈度在七度及以下时，也可采用的连接措施为：可在墙板中设预埋件，安装定位后，与主体结构的埋件焊接，焊缝及埋件应进行防腐处理；也可在柱上和梁上设置钢支托，将墙板安置于支托上，并应牢固连接。
３．防腐和防火
（１）防腐
钢材表面锈蚀等级不应差于B级，钢结构构件表面处理应采用喷射或抛射除锈，除锈质量应不低于Sa2.5，除锈后应采取防止油污、沾水及其它损伤的措施。轻钢龙骨（冷弯薄壁型钢）体系的构件应采用热浸镀锌钢板制作，镀锌量不少于275g/m2，除锈后的钢构件应进行抗滑移系数的测定。
结构上的涂层的规定较为严格：经除锈后的钢材应在6小时内将涂料涂敷在钢材表面，涂层结构可由底漆、中间漆和面漆组成，涂层厚度对于室内钢结构要求在100μm～150μm，对于室外钢结构要求在125μm～200μm。厨房和卫生间中严防渗漏、腐蚀钢构件，必要时应对易接触水的钢构件用混凝土或沥青等材料进行封闭。室外无防火要求的钢构件，其涂层宜按五层作法（二道底漆，一道中间漆，二道面漆）涂装，底层涂装宜采用热浸镀锌、环氧富锌涂料或其它先进可靠的涂装工艺。钢构件的连接部位应采用不低于环氧富锌漆效果的涂装工艺进行防腐处理。
（２）防火
１）本规程对钢结构住宅中的柱、墙等构件的耐火极限作了相关规定：
A．单层住宅的柱的耐火极限不应低于2.00h，多层住宅的柱的耐火极限不应低于2.50h；高层住宅的柱的耐火极限不应低于3.00h。其它构件：高层住宅按《高层防火规范》，多层和单层按《防火规范》执行。
B．钢结构住宅分户墙的耐火极限不应低于 2.00h。住宅疏散楼梯应采用钢筋混凝土结构，其耐火极限一级不应低于1.50h，二级不应低于1.00h。
２）特别的，本规程对钢结构住宅中钢管混凝土柱的耐火设计作了如下的规定：
当进行耐火设计时，其保护层厚度给出了相应的计算公式。对应于不同的公式，火灾承载力影响系数也在附录一到附录三种给出。
（四）建筑设备
本规程规定了建筑设备设计的基本原则，并对采暖与通风、给水排水、电气等方面做了相关规定特
别的，在住宅设计中，提出了智能化设计。
住宅的智能化设计包含以下及方面的内容：
1）住宅智能化工程的设计，应提供完善的安全保障、舒适的生活环境、快捷的信息通讯、优质的物业管理；
2）住宅智能化工程应采用新技术和标准化的产品，其先进性、适用性、可靠性、开放性、兼容性等方面应符合国内外住宅智能化的发展的需要；
3）住宅小区的智能化分为ABC三个等级，并要求住宅智能化工程设计必须有完整的设计文件。
（五）结构设计
本规程对住宅钢结构住宅采用的材料、结构体系的选型、结构平面和竖向的布置、结构抗震设计的一般要求、结构整体设计、结构节点与构件设计以及基础设计等7方面作了规定。
1．材料
按照材料选用的基本原则，即“承重结构的钢材应根据结构的重要性、荷载特征、连接方法、环境温度以及构件所处部位等的不同情况，选择其牌号和材质”，本规程对钢结构住宅应选用的钢材和钢框架宜选用的梁柱截面进行了如下规定。
1）钢结构住宅材料的选用按照新颁布的钢结构设计规范作出了界定；
２）钢框架梁柱截面的选用中建议梁采用H型钢，柱则可选用H型钢、钢管混凝土柱（方形或圆形）或其它型钢。
另外，本规程还抗震结构所选用的钢材的力学和物理性能、钢结构的焊接材料、焊缝质量等级、钢结构螺栓连接的材料等方面作了相关规定。
2．钢结构住宅体系的选型
本规程对钢结构住宅的类型和其构成材料进行了分类，并规定了钢结构住宅按建筑层数分可以采用的结构体系，其层数划分为：3层及以下的低层住宅（轻型钢结构体系）； 4～6层多层住宅； 7～12层中高层住宅和13～30层高层住宅建筑等。
本规程还对高层钢结构住宅建筑的高宽比以及钢结构住宅的最大高度作了相关规定。
3．住宅钢结构的平面和竖向的布置
本规程规定高层钢结构住宅不宜采用平面和竖向不规则的设计方案，不应采用严重不规则的设计方案。
结构平面布置中，建筑平面宜简单规则、对称，并使结构各层的抗侧力刚度中心与水平作用合力中心接近重合，同时各层接近在同一竖直线上，任意层的偏心率小于0.15。建筑的开间、进深宜统一。平面宜有两个互相垂直的主轴。特别对于钢框架－剪力墙结构，规定其剪力墙的布置宜符合特殊的10项要求。
结构的竖向布置提出了6条具体规定。
4．结构抗震设计的一般要求
本规程对于结构抗震设计所要求的建筑物场地、基础埋深、结构布置、抗震防线、结构的承载力、刚度、稳定性、耗能能力、延性和耐久性能等几方面作了相关规定，特别的有6条规定。
钢结构住宅在抗震设计时，一般可按丙类建筑、本地区的抗震设防烈度和基本地震加速度值计算地震作用。
5．结构整体计算
本规程对住宅钢结构计算的一般荷载、地震作用、结构整体分析及抗震计算、结构在风荷载和地震作用下的侧移要求以及高层建筑钢结构的稳定性要求作了相关规定。
（1）钢结构住宅宜选用的地震反应谱，可按以下原则选用：
A．在多遇地震作用下，对不超过12层的阻尼比可采用0.035，对超过12层的阻尼比可采用0.02，在罕遇地震作用下，可采用0.05；
B．钢—混凝土混合结构在多遇地震下的阻尼比可取0.035，在罕遇地震下的分析，阻尼比可采用0.05。
（2）钢结构住宅整体分析及抗震计算：
本规程规定了钢结构住宅分析采用的方法：整体分析可采用一阶弹性分析方法，特殊情况下按照有关二阶分析的规定进行计算；
本规程对于结构的抗震计算也进行了规定：一般情况下，可在建筑结构的两个主轴方向分别考虑水平地震作用，并进行抗震验算。钢框架-钢筋混凝土筒体结构（剪力墙）体系，各层框架柱所承担的地震剪力不应小于结构底部总剪力的25%和框架部分各楼层地震剪力最大值的1.8倍二者的较小值；型钢混凝土框架-钢筋混凝土筒体（剪力墙）体系，各层框架柱所承担的地震剪力不应小于结构底部总剪力的20%和框架部分各楼层地震剪力最大值的1.5倍二者的较小值。并应注意任一楼层的水平地震剪力系数值在7度区不应小于0.024，在8度区不应小于0.032，对竖向不规则结构的薄弱层，尚应乘以1.15增大系数。
6．结构节点与构件设计
本规程对结构节点和构件设计的设计原则、截面抗震验算、柱、剪力墙或混凝土核心筒的抗震等级、结构节点设计方法、梁柱构件设计基本要求、方矩形和圆形钢管混凝土柱的设计抗侧力构件的设计、楼盖结构等几方面都作了规定，这里着重介绍节点设计和方钢管混凝土柱的设计。
（1）结构节点设计
钢结构节点设计是关键，必须具有良好的抗震性能，应按结构进入弹塑性阶段设计，节点连接的承载力应高于构件截面的承载力，以确保安全可靠。应能满足各种不同高度的钢结构体系相应的强度、刚度和延性的要求。本规程对于结构节点设计出了普通的规定外，特别提出了如图1所示的外肋环板节点，柱的一个方向两侧节点板垂直设置，与柱壁侧缝满焊连接，另一方向上下节点板，水平与柱面正交焊接连接，并与垂直节点板侧焊缝连接，该部位钢梁与钢柱采用栓焊连接时可视为刚性连接，，但应注意上下水平节点板过渡区应作好圆角，防止应力集中。
图1 方钢管外肋环式节点板
（2）方矩形钢管混凝土柱的设计
方矩形钢管混凝土柱的正截面承载力计算目前有三种方法：一是国家军用标准《战时军港抢修早强型组合结构技术规程》（GJB4042）中基于钢管混凝土统一理论的计算方法，二是《矩形钢管混凝土结构技术规程》（征求意见稿）中基于钢结构设计理论的计算方法。三是强度叠加法。其中强度叠加法计算简单，构成合理，概念明确，考虑了钢管壁与混凝土粘结不牢的因素，偏于安全，已有长期实践经验。本规程以叠加原理为基础，并参考美国、日本有关规程和我国行业标准《钢骨混凝土设计规程》（YB9082）中简化叠加计算方法，采用钢结构计算的形式，研究导出的计算公式，经试算并与《矩形钢管混凝土结构技术规程》（征求意见稿）比较，轴心受压、小偏心受压基本持平，大偏心受压承载力
偏低6～7%左右，因此偏于安全。由其确定选择的截面，在实际工程中并不保守，是完全可接受的。据此本规程给出了以下一系列的计算公式：
1）方矩形钢管混凝土柱轴心受力计算
A ．轴心受压构件的强度应按下式计算：
u N N ≤ （1）
式中 N ——轴心压力的设计值；钢结构房多少钱一平米
方钢管混凝土柱 垂直节点板
水平节点板
N u ——轴心受压时截面抗压承载力设计值，按下式计算：
N u =f A s +f c A c
f 、f c ——分别为钢材和混凝土的抗压强度设计值，抗震设防时应除以抗震调整系数γRE A s 、A c ——分别为钢管和管内混凝土的面积。
B ．轴心受压构件的稳定性应按下式计算：
u N N ϕ≤ （2）
φ——轴心受压构件的稳定系数（取截面两主轴稳定系数中的较小者），应按《钢结构设计规范》（GB 50017）有关规定采用。
C ．方矩形钢管柱长细比计算：
x ox x i I /=λ， y oy y i I /=λ （3）
l ox , l oy ——轴心受压构件对主轴x 和y 的计算长度（按钢结构规范计算）；
i x , i y ——轴心受压构件截面对主轴x 和y 的回转半径，按下式计算：
f f A A E E I I i c c s s c cx sx x //++=，f f A A E E I I i c c s s
c cy sy y //++=
I sx 、I sy 、I cx 、I sy ——分别为钢管和管内混凝土截面对形心轴的惯性矩；
E c ——管内混凝土的弹性模量。
D ．矩形钢管混凝土轴心受拉构件的强度应按下式计算；
f A N s ≤ （4）
式中 N ——轴心拉力设计值
f ——钢材抗拉强度设计值，抗震设防时应除以抗震调整系数γRE 。
2）弯矩作用在主平面内的压弯构件承载力计算。
A ．方矩形管的强度可按下式计算：
s c N N N +≤ （5）
f W M W M A N y
y x x s s ≤++ （6） 式中 N ——轴心压力设计值；
M x ——绕X 轴的弯矩设计值；
M y ——绕Y 轴的弯矩设计值；
N c ——混凝土轴心受压承载力强度设计值；
c c c f A N ×=
N s
——方矩形钢管部分承担的轴向力设计值，大小为总轴力减去混凝土部分承担的轴向力设计值； W x ——方矩形钢管对X 轴的净截面抵抗矩；
W y ——方矩形钢管对Y 轴的净截面抵抗矩。
B ．弯矩作用在一个主平面绕X 轴的压弯构件，其稳定性按下列规定计算：
)(s c x N N N +≤ϕ （7）
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