美国多层轻钢结构主要用于多层公寓、酒店,最早一幢多层轻钢住宅于1990年开始设计。至目前多层轻钢结构总面积发展到约30万平方米。从发展形势看,美国已成功开展了多层轻钢结构住宅体系的研发与工程应用,并有许多成熟的技术可以作为我国发展多层轻钢住宅体系的参考。
美国的多层轻钢结构住宅技术是一项综合的技术,集轻钢结构、建筑节能保温、建筑防火、建筑隔声、新型建材、设计施工于一体的集成化技术,社会化分工明确,各种产品的生产商、施工方、设计方紧密合作,在北美金属结构协会的促进下,依靠新编的轻钢结构设计标准与广泛的宣传发展很快。可以预计,对于美国多层公寓与多层酒店的建造来说,轻钢结构的建设将是一个主要的结构发展方向。
发展多层轻钢结构住宅技术,最关键的问题是其结构本身的性能,楼盖结构要具有适当的跨度并尽可能轻,并希望有较好的楼盖平面内刚度,墙体结构在承担竖向荷载(自重与楼面活荷载)的同时还要承担横向荷载(风荷载与水平地震作用)。美国多层轻钢结构住宅的特点为:
1.轻质楼盖系统其楼盖由C型的轻钢搁栅与铺于搁栅上的薄板组成。搁栅一般跨度为3.6米~4.8米,搁栅高为254毫米(搁栅的最大跨度可达11米),搁栅间距为600毫米。由美国迪垂驰公司研发的搁栅专利产品在腹板上开有大孔,这样对于管线的穿越与布置极为方便。楼面有三种做法,分别为:高密度木纤维水泥板;满铺压型钢板再浇筑20毫米的陶粒轻骨料混凝土;满铺定向木纤维板或高密度层压胶合板。在这些轻质楼盖上每平方米可承受316~365公斤的荷载。
该楼盖结构体系重量仅为国内传统的混凝土楼板体系的四分之一到六分之一,但其楼盖的结构高度将比普通混凝土板高100~120毫米。
2.竖向墙体结构一般将内横墙作为结构的承重墙,墙柱为C形轻钢构件,其壁厚根据所受的荷载而定,通常为0.84~2毫米,墙柱间距一般为400~600毫米,墙柱的下端为U形开口朝上的底槽梁,墙柱上端为U形开口向下的顶槽梁,搁栅固定于上槽梁侧边。为提高墙柱的稳定性,一般墙柱高度范围内设三道轻钢拉条。这种墙体结构布置方式,可有效承受并可靠传递竖向荷载,且布置方便,但该墙体结构不能承受水平荷载。
为抵抗水平风荷载与地震作用,美国多层轻钢结构住宅体系中有二种方式,分别为采用轻钢剪力墙或采用带十字交叉支撑的普钢框架结构。轻钢剪力墙一般布置在分户墙,采用0.5毫米镀锌薄钢板蒙于石膏板上,再固定于轻钢墙柱上,形成类似于应力蒙皮结构的剪力墙,每层之间有一个特殊的构件对上下楼层剪力墙进行连接,以有效传递水平剪力与由于水平力作用在墙柱上而产生的拉力。在地震区,为保证结构安全,采用带十字交叉支撑的普钢框架作为抗侧力结构,形成以轻钢承受竖向荷载,以普钢承受水平荷载的混合结构体系。
3.建筑保温节能技术
美方轻钢住宅体系中,对保温节能技术十分重视,对于墙来说为确保达到保温效果,一般除了在墙的墙柱间填充玻璃纤维外,在墙外侧再贴一层保温材料,有效隔断了通过墙柱至外墙板的热桥;楼层之间搁栅内填充玻璃纤维,减少通过楼层的热传递;所有内墙墙体的墙柱之间均填充玻璃纤维,减少户墙之间的热传递。
4.建筑防火技术
对于轻钢结构一个最关键的问题是防火技术的应用,在墙的两侧与楼盖的天花处贴防火石膏板,对于普通防火墙和分户墙用25.4毫米厚(1寸)石膏板保护,以达到1个小时的防火要求,另外在墙体墙柱间与楼盖搁栅间填充的玻璃纤维对于防火与热传递也起了积极的保护作用。这些产品都通过了美国UL认证试验室的试验测试与认证。美国住宅对耐火极限的要求比中国低一些,这与美国的住宅设计中更多强调保证逃生需要的时间有关,而不过分强调住宅本身的耐火极限要求。
5.建筑隔声技术轻钢建筑中,美国的研发工作对于隔声处理下了较大功夫,在内外墙及楼盖搁栅间填充玻璃棉,有效阻止了通过空气传播的音频部分,而对于通过固体传播的冲击声,在美国的多层轻钢住宅中,作了如下构造处理:对于分户墙用二道墙柱构成带有中间空隙的二道墙体;而对于吊顶用的固定石膏板的小龙骨,用带有小切槽的弹性构造以有效减少楼层间的固体声传播。
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