高烈度區下輕型鋼框架裝配式農村民居建筑體系研究

吳健航 粱橐治 王宇生 劉鐸 李鑫 張學元

（齊齊哈爾大學建筑與土木工程學院 黑龍江省齊齊哈爾市 161006）

0 引言

地震作為一種偶然作用，給人們的生命、財產安全帶來極大的危害。我國地處環太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，屬于地震多發國家。通過對近幾年高烈度地區農村民居震后建筑受損情況的分析，鋼結構類建筑因承載力高，變形性能好而受損情況較輕，而不像砌體結構那樣出現倒塌性破壞。作為鋼結構體系中的一種，輕型鋼結構除具有鋼結構的優點外，自重輕、造價低、便于工廠化生產是其顯著的優勢，近年來應用廣泛。為此，進一步優化現有輕型鋼結構建筑體系，研究新型高烈度區下輕型鋼框架裝配式農村民居建筑具有重要意義。

1 裝配式民居建筑方案研究現狀

圖1 預制生態復合墻板與裝配整體式構造柱

西安建筑科技大學黃煒等[1]設計一種綠色裝配式生態民居，包括墻體與屋頂，墻體包括墻板底部砂漿，在墻板底部砂漿上安裝有預制生態復合墻板，預制生態復合墻板的水平連接鋼筋分別與現澆豎向邊緣件、現澆連接柱以及現澆暗梁的縱筋嵌套，現澆暗梁的縱筋同時與預制疊合樓板的水平連接筋嵌套，實現預制生態復合墻板與預制疊合樓板的連接，如圖1所示。

西南科技大學鐘柏春等[2]設計了一種村鎮砌體結構裝配整體式圈梁一構造柱組合體系，包括：預制圈梁塊、榫塊、無馬牙槎、含馬牙槎及含榫口的構造柱塊。砌筑墻體時，交錯將含馬牙槎和無馬牙槎構造柱塊與墻體裝配砌筑，形成裝配式空心預制構造柱。砌筑完后，將鋼筋籠放入中心孔內，澆筑混凝土形成裝配整體式構造柱，如圖2所示。

圖2 裝配整體式圈梁一構造柱組合體系

涼山州現代房屋建筑集成制造有限公司景亭等[3]設計了一種用于抗震地區的低層鋼民居結構。根鋼柱底部通過基礎豎直安裝于地面，兩根 鋼柱的頂部之間設置兩根鋼梁，兩根鋼梁的一端之間固定連接，兩根鋼梁另一端向兩側、向下傾斜并且分別固定連接到兩根鋼柱頂端，兩根鋼柱頂端之間通過水平的拉梁連接；凜條垂直于框架平面地連接在相鄰兩棍框架的之間，拉條垂直凜條地連接在相鄰兩根凜條之間；兩根鋼梁的鋼梁一端之間、鋼梁另一端和鋼柱之間、拉梁和鋼柱之間、凜條和鋼梁之間、拉條和凜條之間均通過螺栓連接固定，如圖3所示。

圖3 構件連接

2 高烈度區下輕型鋼框架裝配式農村民居建筑墻體及構件設計

砌體結構作為古老的建筑結構形式之一，具有悠久的應用歷史[4-5]。基于輕型鋼結構具有自重輕、抗震性能好的優點，采用輕型鋼框架柱、框架梁組成框架結構體系，由輕質裝配式砌塊組成的墻體（如圖4所示）進行框架內部進行填充，以實現豎向維護構造，水平傳力結構、屋面結構采用預制承重板材（如圖5所示）進行連接，形成適用于高烈度地區的農村民居建筑。

圖4 裝配式砌塊及其組成的填充墻體

圖5 裝配式疊合板

3 輕型鋼框架結構受力分析

通過PKPM對二層輕型鋼結構進行建模計算，分析其內力和位移特點。

3.1 基本工況

建筑面積為268.8m2，輕型鋼結構，以上述砌塊為填充墻體，構成裝配整體式鋼框架結構體系。結構平面布置如圖6所示，層高均為3.3m，抗震設防類別為丙類，基本風壓為0.45kN/m2，基本雪壓0.35kN/m2，地面粗糙度類別為B類，抗震設防烈度8度，II類場地土，樓面恒載（含自重）為4.0kN/m2，活載為 2.5kN/m2。

3.2 節點形式

對于輕型鋼結構節點處采取外伸式端板連接、齊平式端板連接。如果建筑結構承受反復荷載，梁柱適宜采用兩邊的外伸式端板連接。梁柱節點承受的荷載為一般荷載時，結構適宜采用齊平式端板連接。而半剛性連接處在完全剛性和理想鉸接之間的中間狀態，既具有剛性連接的優點，又具有鉸接的優點。

圖6 結構平面布置

3.3 計算結果及分析

輸入以上數據用PKPM軟件計算如圖7所示。結果表明：地震作用下，結構處于彈性受力階段，結構抗側移能力較強，位移較小，滿足相應規范中的相應要求；結構受力均勻，材料性能得到較好的發揮。

圖7 地震作用下位移曲線

4 結語

（1）以裝配式砌塊、預制疊合板及輕型鋼結構梁、柱共同組成的輕型鋼框架裝配式農村民居建筑結構體系具有抗震性能好、施工速度快、質量優良等優點，適于在高烈度區農村民居建筑中推廣。

（2）我國是一個多震國家，現階段廣大農村民居建筑以砌體結構為主，其抗震性性能弱，而輕型鋼框架結構抗震性則較好，但造價偏高，改進現有輕型鋼結構裝配式農村民居建筑結構體系，向節能環保、質優價廉方向發展是其發展的必由之路。