1. 引言
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 [1] [2] [3] [4] 。轻钢-ALC板结构是以轻钢为主要承重框架、蒸压轻质混凝土板(ALC板)为主要围护材料的结构，ALC板内含经过处理的钢筋增强，具有轻质、高强、防火、节能等优点 [5] 。本文以一两层住宅为例，运用PKPM系列软件进行轻钢-草砖、轻钢-ALC板、砖砌体结构的设计及分析，为轻钢-草砖结构在农村住宅的应用推广提供研究依据。
2. 算例信息
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。
3. 结构信息
3.1. 结构信息
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。
3.2. 墙体材料信息
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 [6] [7] [8] [9] 。
Table 2. Beam and column types of light-steel straw-bale and light steel-ALC structures
表2. 轻钢-草砖、轻钢-ALC板结构钢梁和钢柱型号表
Table 3. Wall material information
表3. 墙体材料信息
Figure 5. First floor beam and column layout of light-steel straw-bale structure
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。
3.3. 荷载信息
楼面、屋面、墙体的做法及荷载信息如表4所示 [10] [11] [12] 。楼面活载取2.0 kN/m2 (厨卫2.5 kN/m2)，不上人屋面活载取0.5 kN/m2。由表4可以看出，轻钢-草砖上部结构自重较轻钢-ALC板增加20%，使用面积少4%；较砖砌体结构自重减少55%，使用面积少0.07%。
4. PKPM模拟分析
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
Figure 6. Second floor beam column layout of light-steel straw-bale structure
图6. 轻钢-草砖结构二层梁柱布置
Figure 7. First floor beam column layout of light steel-ALC structure
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。
4.1. 轻钢-草砖、轻钢-ALC板计算结果分析
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
Figure 8. Second floor beam column layout of light steel-ALC structure
图8. 轻钢-ALC板结构二层梁柱布置
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。
4.2. 砖砌体计算结果分析
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
Figure 9. Second floor beam column layout of light steel-ALC structure
图9. 轻钢-ALC板结构二层梁柱布置
Figure 10. Masonry structure theoretical model
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。
5. 节能与经济性比较
5.1. 节能性比较
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。
5.2. 经济性比较
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 [13] ，由表7可以看出：
(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%。
Table 6. Heat transfer coefficient on cladding material
表6. 维护结构传热系数表
Table 7. Costs (ten thousand yuan)
表7. 造价表(万元)
6. 结论
(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。
基金项目
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[2013]638号)。