低层轻钢-草砖结构是指1~3层以轻型钢结构框架为主体、草砖为围护材料的结构。本文运用PKPM和PBECA系列软件，以高频焊接轻型H型钢和玉米秸秆草砖所组成的结构为研究对象，对比轻钢-ALC板结构与砖砌体结构进行了结构设计及有限元分析。结果表明，在保证安全性、适用性前提下，轻钢-草砖结构具有良好的节能效果和经济优势，从而为轻钢-草砖结构在广大农村地区的推广提供了研究依据。 Lower-layers light-steel straw-bale structure refers to structure of one to three layers with the light-steel frame as the main body, and the straw-bale as the cladding material. By using PKPM and PBECA software, the structural design and finite element analyses were made on the objective structure of high-frequency-welded H-shape light-steel and corn straw bale, compared with the light-steel ALC-plate structure and the masonry structure. Results showed that under the premise of safety and applicability, the light-steel straw-bale structure has the better energy-saving effect and economic advantage, which provides the research basis for the popularized application in large rural areas.
张鸾1，赵顺波1,2
1华北水利水电大学土木与交通学院，河南 郑州
2河南省生态建材工程国际联合实验室，河南 郑州
收稿日期：2017年3月12日；录用日期：2017年3月28日；发布日期：2017年3月31日
低层轻钢-草砖结构是指1~3层以轻型钢结构框架为主体、草砖为围护材料的结构。本文运用PKPM和PBECA系列软件，以高频焊接轻型H型钢和玉米秸秆草砖所组成的结构为研究对象，对比轻钢-ALC板结构与砖砌体结构进行了结构设计及有限元分析。结果表明，在保证安全性、适用性前提下，轻钢-草砖结构具有良好的节能效果和经济优势，从而为轻钢-草砖结构在广大农村地区的推广提供了研究依据。
关键词 :农村住宅，轻钢-草砖结构，轻钢-ALC板结构，砖砌体结构，比较分析
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随着我国新型城镇化建设的推进和新农村建设的深度开展，农村住宅的安全性、适用性、经济性要求也随之提高。从保护农田和河道环境的角度出发，农村传统的砖砌体结构住宅，因粘土砖已明令禁止使用急需找到合适的替代结构。轻钢-草砖结构是以轻钢为主要承重框架、玉米秸秆草砖为主要围护材料的结构，轻钢框架轻质高强、抗震性能优越，草砖经过干燥、绑扎、硅化、抹灰等过程处理，具有良好的力学、保温、防腐、防火及隔声性能，轻钢-草砖结构很好地结合了两者的优点 [
算例位于河南省郑州市中牟县，50年一遇基本风压0.45 kN/m2，基本雪压0.40 kN/m2，地面粗糙度：B类。建筑结构安全等级二级，砌体施工质量控制等级B级。抗震设防烈度7度，设计地震分组第一组，地震加速度0.15 g，二类建筑场地，建筑抗震设防类别为丙类。建筑平面图见图1~图4。
轻钢-草砖、轻钢-ALC板基础尺寸1800 mm ´ 1800 mm、1200 mm ´ 1200 mm，埋深1.0 m；砖砌体基础尺寸720 mm ´ 100 mm、480 mm ´ 100 mm，埋深1.2 m。草砖尺寸外墙300 mm ´ 400 mm ´ 600 mm，内墙200 mm ´ 400 mm ´ 600 mm，红砖尺寸240 mm ´ 115 mm ´ 53 mm。结构信息见表1。轻钢-草砖结构、轻钢-ALC板结构钢梁钢柱型号选择见表2，其梁柱布置见图5~图8。
草砖、红砖双面抹灰各20 mm，抹灰层导热系数0.25 W/(m2∙K)。墙体材料信息如表3所示 [
图1. 首层平面图
图2. 二层平面图
图3. 屋顶平面图
图4. 西立面图
| 结构类型 | 主要材料 | 基础信息 | 墙体材料 | 内/外墙厚(mm) | 楼面板 | 屋面板 | 框架信息 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 轻钢-草砖 | 高频焊接轻型 H型钢Q235 | 混凝土柱下 独立基础 | 玉米秸秆 草砖 | 300/200 | 100 mm 钢筋混凝土板 | 0.6 mm 镀锌压型钢板 | 表2，图5-8 |
| 轻钢-ALC板 | 高频焊接轻型 H型钢Q235 | 混凝土柱下 独立基础 | ALC板 | 100/100 | 125 mm ALC板 | 150 mm ALC板 | 表2，图5-8 |
| 砖砌体 | 红砖 | 墙下 条形砖基础 | 红砖 | 240/240 | 100 mm 钢筋混凝土板 | 100 mm 钢筋混凝土板 | 非框架结构 |
表1. 结构信息
| 结构类型 | 钢梁 | 钢柱 |
|---|---|---|
| 轻钢-草砖 | 250 × 200 × 8 × 11, 200 × 150 × 6 × 10, 200 × 100 × 4.5 × 6, 150 × 150 × 6 × 8, 100 × 100 × 6 × 8, 100 × 100 × 4.5 × 6 (默认) | 250 × 250 × 9 × 14, 200 × 200 × 6 × 9, 150 × 150 × 6 × 8 |
| 轻钢-ALC板 | 250 × 150 × 8 × 11, 200 × 150 × 8 × 10, 200 × 100 × 6 × 9, 200 × 100 × 4.5 × 6 (默认), 150 × 100 × 4.5 × 6, 100 × 100 × 4.5 × 6 | 250 × 250 × 9 × 14, 200 × 200 × 8 × 12, 150 × 150 × 8 × 10 |
表2. 轻钢-草砖、轻钢-ALC板结构钢梁和钢柱型号表
| 结构类型 | 墙类型 | 设计自重(kN/m3) | 隔音性能(dB) | 导热系数(W/(m2∙K)) | 耐火性(h) |
|---|---|---|---|---|---|
| 轻钢-草砖 | 玉米秸秆草砖 | 1.4 | >62.5 | 0.108 | 双面抹灰 > 3 h |
| 轻钢-ALC板 | ALC板 | 6.5 | 100厚40.8 dB | 0.130 | 100厚3.23 h |
| 150厚45.8 dB | 150厚4 h | ||||
| 砖砌体 | 粘土砖 | 18 | >50 | 0.654 | 2 h |
表3. 墙体材料信息
图5. 轻钢-草砖结构一层梁柱布置
其中，K < 0.16时是节能的。由表3可以看出，草砖自重轻，具有良好的隔声、保温及耐火性能。
楼面、屋面、墙体的做法及荷载信息如表4所示 [
运用结构分析与设计软件PKPM建立合理的有限元分析模型。为简便荷载计算，二层计算高度取坡屋顶高度一半进行折合，即3200 + 2300/2 = 4.35 m，取4.4 m。轻钢结构模型见图9，采用空间单元模拟
图6. 轻钢-草砖结构二层梁柱布置
图7. 轻钢-ALC板结构一层梁柱布置
梁、柱及支撑构件，用在壳单元基础上凝聚而成的墙元模拟剪力墙，梁单元与板单元之间采用有限元耦合连接，不考虑墙板等板单元与梁单元之间的滑移。构件尺寸及荷载形式按实际输入，梁柱节点刚接，梁梁节点铰接，柱脚刚接于基础。砌体结构模型见图10，以房间为单元进行有限元计算。
通过PKPM-STS对轻钢-草砖、轻钢-ALC板进行建模和有限元分析，模拟六个振型，调整钢柱计算长度系数为1.0，不考虑重力二阶效应，从位移比、最大值层间位移角、周期比与刚重比四个方面进行合理性分析。位移比与层间位移角主要是制结构在正常使用条件下的水平位移，确保高层结构应具备的刚
图8. 轻钢-ALC板结构二层梁柱布置
| 结构类型 | 名称 | 做法 | 荷载(厨卫) (kN/m2) | 上部结构自重(kN) | 使用面积(m2) |
|---|---|---|---|---|---|
| 轻钢-草砖 | 楼面 | 陶瓷地砖楼面+100厚钢筋混凝土楼板+吊顶 | 3.3 (4.7) | 497.82 (含钢架) | 145.50 |
| 屋面 | 4厚高聚物改性沥青卷材 + 0.6厚YX51-380-760双层压型钢板 + 280厚草砖保温屋面+吊顶 | 0.8 | |||
| 梁间 | 外墙：陶瓷锦砖外墙面 + 300厚草砖 | 1.3 | |||
| 内墙：水泥砂浆墙面 + 200厚草砖 | 1.1 | ||||
| 轻钢-ALC板 | 楼面 | 陶瓷地砖楼面+ALB-160-320-c+吊顶 | 1.5 (1.7) | 413.86 (含钢架) | 151.79 |
| 屋面 | 4厚高聚物改性沥青卷材 + 50厚挤塑聚苯板 + AWB-260-303-d+吊顶 | 1.3 | |||
| 梁间 | 外墙：陶瓷锦砖外墙面+挤塑聚苯板60 + AQB-260-350-b-s | 2.2 | |||
| 内墙：水泥砂浆墙面 + AGB-400-b-s | 1.2 | ||||
| 砖砌体 | 楼面 | 陶瓷地砖楼面 + 100厚钢筋混凝土楼板+吊顶 | 3.3 (4.7) | 1111.60 | 145.60 |
| 屋面 | 4厚高聚物改性沥青卷材防水屋面 + 100厚挤塑聚苯板 + 100厚钢筋混凝土屋面板+吊顶 | 5.8 | |||
| 墙间 | 外墙：陶瓷锦砖外墙面 + 80厚挤塑聚苯板 + 240厚红砖 | 5.3 | |||
| 内墙：水泥砂浆墙面 + 240厚红砖 | 5.1 |
表4. 荷载信息
度。结构周期比主要是控制结构在罕遇大震下的扭转效应。刚重比主要是控制结构整体稳定性与结构经济性，刚重比越大，构件应力比越小，构件利用率越低，结构设计越不经济，结构稳定性越好。由表5可以看出，两住宅均满足强度、刚度、稳定性、抗震性等要求。从刚重比和用钢量可以看出，轻钢-草砖用钢量较轻钢-ALC板钢材利用率低，但用钢量减少12%，结构稳定性好。
利用PKPM-砌体结构对砖砌体结构建模并进行墙体的抗震计算、受压计算以及高厚比验算。计算结
图9. 轻钢-ALC板结构二层梁柱布置
图10. 砌体结构理论模型
构表明，承重墙体的墙肢及窗间墙的抗力与效应之比均大于1，受压性能优越，墙体高厚比均小于容许值，故三者均符合《砌体结构工程设计规范》(GB50007-2001)要求。
利用PBECA软件对各算例进行节能分析，屋顶与外墙两个强制性标准均满足要求，设计合理。维护结构传热系数如表6所示。
造价根据《2008年河南省建设工程工程量综合单价》结合材料现价调差所得 [
(1) 基础。轻钢-草砖基础造价与轻钢-ALC板相同，低于砖砌体44%。
(2) 楼屋盖板及墙体。轻钢-草砖楼屋盖板及墙体造价低于轻钢-ALC板26%，低于砖砌体20%。
(3) 框架。轻钢-草砖框架造价低于轻钢-ALC板26%，高于砖砌体112%。
综合造价。轻钢-草砖住宅综合造价低于轻钢-ALC板20%左右，高于砖砌体不足10%。
| 结构类型 | 位移比 | 最大值层间位移角 | 结构周期比 | 刚重比 | 用钢量(kg/m2) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| X方向 | Y方向 | 限值 | X方向 | Y方向 | 限值 | T3/T1 | 限值 | X方向 | Y方向 | 限值 | ||
| 轻钢-草砖 | 1.08 | 1.25 | 1.5 | 1/ 538 | 1/ 419 | 1/250 | 0.75 | 0.9 | 68.08 | 38.77 | 10 | 34.61 |
| 88.26 | 65.06 | |||||||||||
| 轻钢-ALC板 | 1.06 | 1.29 | 1/ 589 | 1/ 452 | 0.77 | 59.97 | 33.90 | 39.46 | ||||
| 72.53 | 55.10 | |||||||||||
表5. 计算结果及限值
| 结构类型 | 屋顶 | 外墙 | 内墙 | 其他 | 是否满足强条 |
|---|---|---|---|---|---|
| 轻钢-草砖 | 0.35 | 0.44 | 0.45 | 满足限值 | 是 |
| 轻钢-ALC板 | 0.33 | 0.45 | 1.0 | 是 | |
| 砖砌体 | 0.32 | 0.45 | 1.32 | 是 | |
| 限值 | 0.35 | 0.45 | 1.5 |
表6. 维护结构传热系数表
| 结构类型 | 基础 | 楼屋盖板 | 墙体 | 框架 | 综合 | 造价 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 轻钢-草砖 | 0.33 | 1.51 | 2.27 | 3.60 | 7.71 | 中 |
| 轻钢-ALC板 | 0.33 | 2.60 | 2.52 | 4.10 | 9.55 | 高 |
| 砖砌体 | 0.59 | 1.10 | 3.63 | 1.70 (构造等) | 7.02 | 低 |
表7. 造价表(万元)
(1) 本文对轻钢-草砖、轻钢-ALC板和砌体等三种结构的设计，均满足安全性和节能性的要求。
(2) 与轻钢-ALC板住宅相比，轻钢-草砖住宅在钢材利用率低于轻钢-ALC板情况下，使用面积少4%，用钢量减少12%，综合造价低20%左右，说明轻钢-草砖结构具有良好的稳定性和经济性。且草砖能够充分利用秸秆材料，原料丰富，造价低廉，大大减少运输费用。
(3) 与传统砖砌体住宅相比，轻钢-草砖住宅使用面积相当，综合造价相差不足10%，轻钢-草砖住宅具有良好的延性及抗震性，建筑过程大大减少湿作业，施工周期短，钢材回收利用率高，便于灾后修复。
(4) 轻钢-草砖住宅节能环保、绿色生态，具有良好的抗震及保温性能，草砖墙能够有效调节室内的温湿度，保持良好的空气品质，舒适性好，符合广大农民群众的需要，是农村住宅发展的新方向。
河南省高校生态建筑材料与结构工程科技创新团队(13IRTSHN002)，河南省新型城镇建筑技术协同创新中心(教科技[
张鸾,赵顺波. 低层轻钢-草砖结构在农村住宅的应用比较分析 Comparison Analysis of Lower-Layers Light-Steel Straw-Bale Structure Application in Rural Residence[J]. 土木工程, 2017, 06(02): 186-195. http://dx.doi.org/10.12677/HJCE.2017.62020