裝配式鋼結構住宅體系的優化研究

殷朋

摘要：現今時代，我國建筑結構形式越來越新穎，功能越來越全面。傳統結構設計和預裝裝配式鋼結構設計無論從結構體系、基本模數的確定、平面的定位方式、設計的指導思想等方面都存在著很大的區別，鋼結構是天然的裝配式結構，鋼結構、圍護系統、設備與管線系統和內裝系統做到和諧統一才能為裝配式鋼結構。裝配式鋼結構以其獨特的設計要求和理念在社會各行業中的應用體現出其建筑工業化的優勢，裝配式鋼結構在社會各領域中得到廣泛性的應用，并逐漸在市場經濟體制下顯露出及其重要的社會價值。

關鍵詞：裝配式;鋼結構;住宅體系

我國正處于社會經濟轉型時期，在這一階段，國家綜合經濟實力不斷提升，這推動了信息化網絡社會的發展。通過對裝配式鋼結構建筑的深化設計，有利于推動社會整個建筑行業的可持續性發展，以滿足人們的多元化生活需求。

一、裝配式鋼結構住宅優勢

（一）重量輕、抗震效果好

在鋼結構中常用的鋼構件有薄壁鋼管和熱軋型鋼，截面形式受力合理，在慣性矩相同時其重量較輕，既能夠滿足強度要求又可以減少結構自重，因此適合用作裝配式鋼結構的主要承重部件。另外，裝配式建筑中的外墻、隔墻、樓面板都可以采用質量較輕的建筑材料，荷載較小，減少對主要承重構件的影響。此外，裝配式鋼結構建筑可以充分發揮鋼結構強度高、塑性和韌性好的特點，大大地提高了建筑的安全性、穩定性和可靠性，增強建筑的抗震性能。

（二）綜合效益較好

由于裝配式鋼結構的建筑構件承載能力強、截面面積較小，節約了大量的鋼材和混凝土，并且可以降低建筑工程基礎建設費用。此外，裝配式鋼結構建筑中的鋼構件和混凝土預制構件都可以在工廠預先加工完成，在很大程度上加快了施工進度，節約了時間成本，構件的質量也可以得到保證，減少了施工過程中由于構件質量不達標造成的返工費用，所以裝配式鋼結構建筑具有較好的綜合效益。

二、裝配式鋼結構住宅施工常見問題

（一）裂縫問題

①焊件材質中含碳量較高，導致了材料本身的剛度不能滿足建設需求，導致焊接中出現了開裂的問題;②施工人員在進行施工操作中，操作方法不規范，造成了裂縫問題;③施工中使用的焊條質量沒有達到低層裝配式鋼結構住宅施工建設的要求，從而導致了焊接過程中明顯的裂縫問題;④施工人員在操作中，隨意增加焊肉，導致了應力集中作用下焊肉過量變形問題，進而引發裂縫問題;⑤施工建設中，工作人員組隊焊接期間，也比較容易產生焊接裂縫問題。這一問題的產生，主要是組隊焊接時，出現了位置不平衡的問題，焊件的應力釋放導致了開裂和變形等問題。

（二）側彎問題

①施工中，工作人員沒有搭設相應的建設輔助平臺，導致了基準面產生側彎的現象，進而造成了焊接施工之后產生了嚴重的彎曲問題;②施工建設中，如果材料的運輸地點、材料的起吊地點、材料堆放位置不合理，均容易導致材料的管理不到位，會產生彎曲問題;③因為構件的組裝中可能存在著間隙不均勻的問題，導致了焊接施工中，會有一側出現嚴重變形問題;④施工建設中，如果構件的拼裝中能夠采用了強行焊接的方法，則構件在焊接后還會留有參與應力，引發構件側彎問題。

三、裝配式鋼結構住宅體系優化策略

（一）梁柱及節點優化

1、柱

柱截面綜合考慮使用功能、防火性能、經濟性后，采用矩形管內灌混凝土柱，這種做法能夠充分發揮鋼材的抗拉以及混凝土的抗壓性能，六層住宅經試算后柱截面為200×8方鋼管，內灌C35混凝土，鋼柱的尺寸和墻面的厚度正好吻合，避免了框架結構室內突柱的問題，增大了室內的使用面積，且內灌混凝土后鋼柱的防火性能得到提高，鋼柱空腔隔音問題得到解決。

2、梁

鋼梁采用熱軋H型鋼，梁腹板局部開孔。對于鋼梁腹板開孔的位置應避開受力的高峰區，將塑性鉸的位置向內偏移，防止連接節點的梁根部出現脆性破壞，而達到延性設計的目的。

3、半剛性梁柱節點

半剛性節點尚具有以下優點：不存在焊接處的三向應力區，可以緩和節點的應力集中;采用半剛性節點進行結構分析，相對于基于完全剛性或鉸接的分析而言，則更接近于結構的真實受力狀態。合理設置的半剛性節點在承載力下降不多的情況下，能夠最大限度地增大延性，在地震荷載作用時，節點部位能量耗散作用可降低位移反應。取消了梁柱節點的橫隔板，采用外套筒的形式加強節點，并在鋼梁腹板處開孔，使節點塑性鉸外移，達到強節點弱構件的要求。對于加強節點的套筒有如下要求：套筒的壁厚應大于鋼管柱壁厚與梁翼緣板厚較大值的1.2倍;套筒的高度應高出梁上、下翼緣外60mm～100mm;除套筒上、下端與柱焊接外，還應在梁翼緣上下附近對套筒進行塞焊，塞孔直徑不宜小于20mm。對于閉口截面構件，常用螺栓安裝有一定困難，開設安裝手孔既繁瑣費時又可能破壞構件的整體性，因此提出采用對穿螺栓將角鋼與鋼柱連接，而后再用角鋼與鋼梁連接的方式。

（二）樓蓋體系優化

1、承載能力

根據對新型蜂窩組合扁梁-鋼筋桁架疊合板試件SD1的試驗破壞過程以及應變曲線的分析得知，試件SD1受力破壞的過程經歷了彈性、彈塑性、塑性這幾個階段，在整個加載過程中，試件承載性能的主要情況如下：在最終混凝土翼板破壞時，SD1試件的承載力還在繼續上升;蜂窩梁與鋼筋桁架疊合板通過鋼筋和現澆層連接成一體，翼板給鋼梁提供穩定的側向支撐和約束，協同作用良好，這對防止蜂窩組合扁梁的屈曲和失穩有積極的作用，整個加載過程中沒有達到整體失穩臨界荷載，試件沒有發生局部屈曲和平面外失穩;同時由于混凝土填充了鋼梁腹板的孔洞，改善了腹板開孔的削弱作用，且加載過程中混凝土板的受壓區混凝土及鋼筋也參與工作，與內部鋼梁共同抵抗外力作用，提高了試件整體的屈服和極限承載能力;由于試件制作安裝時考慮到疊合板表面拉毛、附加鋼筋、板內側鋼筋彎錨等眾多構造措施，使得預制疊合板與現澆層始終沒有脫離，裂縫貫穿和發展都比較連續，整體性較好;由于加上混凝土翼板，導致組合梁試件的中和軸位置產生變化，SD1的變化稍大，向下偏移，但都在混凝土截面高度以內，最終破壞都是混凝土板下部裂縫迅速發展、上部被壓碎。

2、變形能力

試件在加載彈性階段，荷載-跨中撓度曲線的走勢都保持較好的線性，進入屈服之后，荷載增長開始緩慢，撓度增速加快，斜率不斷減小，直至破壞。但直到試件破壞，兩個試件都未達到極限承載力，沒有出現像普通蜂窩梁那樣的下降段。在彈性階段，兩根試件撓度增長幅度較小，且變化比較均勻，試件屈服之后，梁中各點的撓度開始迅速增加;整個加載過程中試件兩端支座處位移計的數據很小影響可以忽略不計;布置在兩根試件預制疊合板和現澆層端部截面中點的兩個位移計在加載全過程的差值始終未超過0.18mm，可以認為疊合板與現澆層界面沒有明顯滑移，連接可靠。

四、結語：

本文提出的蜂窩扁梁-鋼筋桁架組合樓蓋體系通過試驗證明能夠滿足現行規范的要求，且具有良好的抗震性能，并有效解決了梁柱構件防火及樓板保溫隔音問題，優化后的節點構造做法使裝配率大大提高，具有廣泛應用于普通低多層住宅、政府主導的公租房、保障房以及新農村建設等領域的潛力。

參考文獻：

[1]陳惠榮，余安東，郝際平.開孔梁與下承式樓板組合結構的理論分析和設計應用[J].鋼結構，2007，22（9）：87-90.

[2]王秀麗.多層鋼框架梁柱連接節點抗震性能研究[D].2004.

[3]輕型鋼結構住宅技術規程：JGJ209—2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.