全裝配式鋼桁架-混凝土組合樓蓋體系結構介紹

劉建波，賀 冉，許建豪，湯 曦，陳俊清

(湖南城市學院，土木工程國家級實驗教學示范中心，湖南 益陽 413000)

1 緒 論

1.1 研究背景

目前，裝配式建筑由于其自身存在的優點，是當今建筑行業中最熱門，最主流的建筑類型之一。裝配式建筑是指由預制部品部件在工地裝配而成的建筑。裝配式建筑有許多優點：①質量好：構件可標準化大量生產，幾乎不受天氣情況影響，在質量方面更加可靠；②節能環保：減少施工過程中的物料浪費，也大大減少了施工現場的建筑垃圾；③縮短工期：構件生產好之后拉到現場裝配，減少了一部分工序，大大加快施工進度；④節約人力：構件在工廠生產完成，減少了人力需求，并降低了施工人員的勞動強度；⑤節省模板：由于疊合板做樓板底膜，外掛板做剪力墻的一側模板，因此節省了大量的模板。房屋建筑結構由水平承重結構體系和豎向承重結構體系兩部分組成而樓蓋屬于水平承重結構體系，它可以將上部樓層荷載傳遞到剪力墻、框架柱等承重結構。并且它能與豎向承重結構一起構成結構的整體框架，承受和傳遞荷載作用[1]。按照國務院辦公廳關于大力發展裝配式建筑的指導意見，發展裝配式建筑是建造方式的重大變革，是推進供給側結構性改革和新型城鎮化發展的重要舉措，有利于節約資源能源、減少施工污染、提升勞動生產效率和質量安全水平，有利于促進建筑業與信息化工業化深度融合、培育新產業新動能、推動化解過剩產能。

1.2 裝配式樓蓋的發展狀況

裝配式木樓蓋體系：隨著社會的發展，人們的生活水平不斷提高，人們越來越注重生活的質量，相對其他大部分樓蓋而言，木樓蓋居住更加舒適[2]。在木結構建筑住宅中，由于木樓蓋結構性能存在的缺陷或不足，當人們進行活動時，會造成木樓蓋的結構震動。雖然此類震動不足以危及建筑結構的使用安全，但會對人的生活環境質量有較大的影響，降低人們工作效率和生活質量[3]。裝配式混凝土樓蓋體系：目前最常見的裝配式混凝土樓蓋有兩種：一種是混凝土空心樓蓋，另外一種是混凝土實心樓蓋。①裝配式混凝土空心樓蓋體系：由預制的空心拼板通過預應力鋼筋整體張拉而成，是一種鋼筋混凝土樓蓋。它由于其結構特點，在減輕了樓蓋的自重的同時又保證了樓蓋的剛度和強度。此外，裝配式混凝土樓蓋可進行工業化批量生產，工廠生產出來后再運送到施工現場進行組裝，與混凝土樓蓋相比，可大幅度縮短施工時長，節省資金成本。但是這類樓蓋樓板需設置在梁的頂部，這會影響建筑凈空高度的設計，對建筑的設計有一定的限制性。②裝配式混凝土實心樓蓋體系：目前，預制的實心混凝土樓蓋應用也較廣泛。只要斷面設計科學合理，實心混凝土樓蓋的荷載承受能力也較強。裝配式實心樓蓋中的比較常見的就是T型樓蓋，這類樓蓋在國內外應用都比較廣泛[4]。但是裝配式實心混凝土樓蓋的自重相對較大，使得它在抗震性能方面有一定的局限性。

裝配式鋼筋-混凝土組合樓蓋體系:裝配式鋼筋-混凝土組合樓蓋體系是由壓型鋼板和工字型鋼梁的組合樓板通過栓釘連接形成。研究結果表明這種組合結構可滿足組合性能要求。樓蓋混凝土面板內采用雙向配筋方式，這種模式十分靈活，并且抗震性和及整體性良好，因而應用范圍廣。但這類結構不適用于大跨度或者高層建筑，為了滿足組合樓蓋大跨度的要求，裝配式鋼桁架-混凝土組合樓蓋體系由此產生。

裝配式鋼桁架-混凝土組合樓蓋:其組成單元可劃分為桁架和樓板，桁架截面形式主要包括三角形、梯形等。桁架是通過焊接、鉚接和螺栓連接形成一種支撐橫梁結構。其受力特征表現為拉壓受力，這樣可更好地利用材料性能，有利于節省材料。桁架和混凝土樓板主要通過抗剪連接件進行連接，而壓型鋼板與混凝土通過一定的結構組合成整體，從而更好地發揮不同材料的優良特征，并提高其整體的承載能力，同時也降低了結構的高度[5]。

舒興平等[6-7]提出了一種新型全裝配式桁架梁組合樓蓋體系，該樓蓋體系由4塊主板單元拼裝而成，4塊主板單元裝配成一個平面尺寸為15.6 m×15.6 m的拼裝樓蓋，周邊16根柱以3.9 m間距均勻排列，通過周邊框架梁及樓蓋拉結形成密柱框筒結構。本文分析的裝配式鋼桁架-混凝土組合樓蓋體系，是為適應一種裝配式束筒高層鋼結構裝配工藝與結構性能需求而設計的樓蓋體系，結構體系如圖1所示，該組合樓蓋體系其結構由若干單筒組合而成，1個典型單筒構造如下：周邊16根柱以3.9 m間距均勻排列，再通過周邊框架梁及組合樓蓋連接形成密柱框筒結構。樓蓋采用裝配式鋼桁架-混凝土組合樓蓋體系，尺寸為15.6 m×15.6 m。

圖1 裝配式束筒結構體系與裝配式樓蓋基本性能要求示意圖

目前該類裝配式鋼桁架-混凝土組合樓蓋已運用到實際生產中。擬建的長沙天空城市工程項目(J220)擬采用工業化、全裝配式結構技術建成220層的超高層建筑，樓高838 m。天空城市上部主體工程預計工期90 d，平均5 h建設1層。為保證施工速度，該樓設計時考慮采用全裝配式結構體系(全干式)，施工現場不澆筑混凝土，不施焊，所有裝配構件(框架柱、梁、樓蓋等)全部采用螺栓連接，其中樓蓋擬采用全裝配式鋼桁架-混凝土組合樓蓋體系(全干式)。

圖2所示為標準單筒結構樓蓋為15.6 m×15.6 m的方形樓蓋單元，由周邊裝配支撐框架(見圖3)及4塊組合樓蓋主板單元組成。框架角柱的截面形式為箱型截面，中柱為H型。組合樓蓋主板單元裝配過程如圖3所示。

圖2 裝配式鋼桁架-混凝土組合樓蓋標準單筒結構圖

圖3 組合樓蓋主板單元裝配過程(單位：m)

2 全裝配式鋼桁架混凝土組合樓蓋體系的結構

全裝配式鋼桁架-混凝土組合樓蓋的連接構造設計應保證樓蓋在豎直和水平方向可傳遞力，同時在實際的施工過程中還要滿足安裝操作方便、加工簡單以及合理的模數化和標準化的要求。該組合樓蓋主要采用螺栓進行連接，施工現場不施焊，不澆筑混凝土。該類樓蓋體系的典型連接可以分為四種類型：板-中柱裝配連接連接 (A型)、板-中柱裝配連接連接 (B型)、板-角柱裝配連接 (C型)，板-板裝配連接，具體連接的位置分布見圖4，四種類型的連接構造圖見圖4。張再華[7]中對該組合樓蓋的每種連接構造做了詳細的解析。由圖4可知，全裝配式樓蓋的四塊主板單元之間的下部鋼桁架通過高強螺栓連接形成拼裝樓蓋。此樓蓋體系為全干式裝配連接，只需通過高強螺栓即可在施工現場進行快速連接，操作方便。

A型板-柱連接

B型板-柱連接

C型板-柱連接

板-板裝配連接

3 總 結

裝配式鋼桁架-混凝土組合樓蓋體系主要由四個裝配板單元和支撐體系組成，板單元是由壓型鋼板混凝土與空腹式桁架梁組成，支撐體系為密柱式框架。采用了高強螺栓連接桁架梁上下弦桿來實現板-板、板-柱之間的有效連接。將雙拼槽形截面高強度螺栓用于板-板連接；將帶有填板的高強螺栓用于板-柱連接。為了確保板-柱單側高強螺栓能夠有效的連接并確保足夠的緊固性，通過內設螺紋和預設螺帽的方式應用于框架柱的連接部位，整個連接的過程與具體的裝配工藝相吻合。與裝配式混凝土樓蓋體系相比，全裝配式組合樓蓋體系裝配化程度高，質量輕，強度高，施工方便，適合工業生產且交通運輸方便。但主板與主板、主板與外圍框架梁間縫隙對樓蓋體系的整體性，連續性和抗震性能的影響需進一步研究。

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