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Hans Journal of Civil Engineering
Vol.06 No.02(2017), Article ID:20063,10 pages
10.12677/HJCE.2017.62020

Comparison Analysis of Lower-Layers Light-Steel Straw-Bale Structure Application in Rural Residence

Luan Zhang1, Shunbo Zhao1,2

1School of Civil Engineering and Communication, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou Henan

2Henan Province International United Lab of Eco-Building Materials and Engineering, Zhengzhou Henan

Received: Mar. 12th, 2017; accepted: Mar. 28th, 2017; published: Mar. 31st, 2017

ABSTRACT

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.

Keywords:Rural Residence, Lower Light-Steel Straw-Bale Structure, Light Steel-ALC Structure, Masonry Structure, Comparison Analysis

低层轻钢-草砖结构在农村住宅的应用比较分析

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

摘 要

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

Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

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] 。

Figure 1. Ground floor plan

图1. 首层平面图

Figure 2. Second floor plan

图2. 二层平面图

Figure 3. Top floor plan

图3. 屋顶平面图

Figure 4. West elevation

图4. 西立面图

Table 1. Structure information

表1. 结构信息

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

Table 4. Load information

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。

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 5. Results and limit

表5. 计算结果及限值

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)。

文章引用

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

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