我國裝配式鋼結構應用現狀分析

葉蛟龍，范瑞凱

（1.中建三局綠色產業投資有限公司，武漢 430058；2.武漢科技大學城市建設學院，武漢 430065）

1 引言

裝配式鋼結構也被稱為集成鋼結構【1】，是一種由多個模塊組成并集綠色規劃設計、綠色建筑材料、綠色現場施工等于一體的新型結構體系。其施工過程是先在工廠中對不同模塊構件進行標準化加工制作，然后將各個制作完成的模塊統一運送到施工現場，最后利用高強螺栓將不同的模塊進行快速拼接裝配，形成一個整體結構【2】。我國裝配式鋼結構相較于歐洲起步較晚，但在國家政策的支持下得到了迅速的發展。目前，裝配式鋼結構在我國建筑中已經占據了重要位置。使用鋼結構不僅有利于節能減排，還能促進我國建筑行業的可持續發展【3】。

2 裝配式鋼結構的優勢及應用特征

2.1 裝配式鋼結構的優勢

裝配式鋼結構是指建筑結構由鋼構件構成的裝配式建筑，而裝配式鋼結構建筑必須是鋼結構、圍護系統、設備與管線系統、內裝系統的和諧統一【4】。

裝配式鋼結構相比于裝配式混凝土具有以下優勢：（1）無現場現澆節點，更能保障施工質量；（2）鋼材是延性材料，自重較輕，抗震性能更好；（3）鋼結構質量比混凝土輕、能有效減輕自重；（4）鋼材可被回收，可重復利用；（5）在裝配式鋼結構住宅的設計和施工方案得到保證的前提下，相較于裝配式混凝土更經濟。（6）裝配式鋼結構梁柱截面小，空間利用率高。

裝配式鋼結構相對于傳統鋼結構具有以下優點：（1）綠色施工，無建筑垃圾；（2）裝配迅速，工期短，節省成本；（3）梁柱節點剛度控制靈活，延性好；（4）設計、生產、裝修和管理更加科學和高效【5】。

2.2 裝配式鋼結構的應用特征

近年來，裝配式鋼結構在我國得到了廣泛的應用。從應用過程中可得到裝配式鋼結構的3 個基本應用特征：（1）建設周期短。在現代化工程設計軟件和高精度的數控機床的計算和控制下，構件設計更加合理，施工更加科學，在保證精確度的前提下可有效縮短工期。（2）工業化程度加深。裝配式鋼結構的構件是預先在工廠中制造，然后運往現場進行組裝，使得各個流程銜接緊密，大大提高了工程建設的工業化程度。（3）效益明顯。一方面，極大地縮減了建設施工的材料，并在保證施工周期的同時，實現成本的合理控制；另一方面，裝配式鋼結構具有較高的剛度和抗壓性能，可在提升工程質量的同時，保障工程的耐久性。

3 裝配式鋼結構梁柱節點總結

3.1 傳統梁柱剛性連接節點

傳統的鋼結構梁柱節點（見圖1）通常是采用焊接的方式。按照焊接形式的不同可以分為3 類：全焊接節點、栓焊混合節點和全栓接節點。在這3 種連接方式中，全焊接節點和栓焊混合節點的質量容易受焊接工人的技術水平和焊接環境的影響，焊接質量不穩定，難以控制。全栓接節點費工費料，在實際工程中基本不被采用。

圖1 傳統梁柱剛性連接節點

3.2 外套筒式梁柱連接節點

外套筒式梁柱連接節點（見圖2）是在方鋼管柱的外壁放置外套筒，然后利用高強螺栓和T 型件將其與鋼梁連接為整體。這種節點采用全螺旋式連接，施工速度較快。但該節點在工廠加工時，需要在鋼管柱及外套筒上開個用于螺栓安裝的手孔，現場拼裝完成后進行手孔補焊，施工較為復雜。

3.3 內套筒裝配式梁柱連接節點

圖2 外套筒式梁柱連接節點

內套筒裝配式梁柱連接節點（見圖3）是將套筒設置在鋼柱的內側，然后利用高強螺栓和T 型件將其與鋼梁進行連接。但為了避免在鋼管柱上開設螺栓安裝手孔，采用對拉螺栓完成上柱、套筒及T 型件的連接，提高了節點的裝配化施工程度。

圖3 內套筒裝配式梁柱連接節點

3.4 懸臂短梁式裝配式梁柱連接節點

懸臂短梁式裝配式梁柱連接節點（見圖4）是先在工廠內將懸臂梁段與柱焊接在一起，然后再利用螺栓對梁與懸臂梁段進行連接。該梁柱節點改善了梁柱交接處的焊接質量，將梁柱連接由梁端移向梁段上，結構合理、傳力明確、現場無焊接、安全性好、可提高安裝效率。

圖4 懸臂短梁式裝配式梁柱連接節點

4 裝配式鋼結構抗震性能研究現狀

裝配式鋼結構作為一種新興的建筑體系，近年來得到了迅速發展，各種新型裝配式鋼結構體系也是層出不窮。目前對這些新型的鋼結構體系進行了數值模擬和大型足尺模型試驗。

王化杰等【6】對其設計的7 層標準戶型的裝配式箱體模塊住宅結構進行了數值模擬，結果表明：節點剛接能有效提高抗側剛度。劉學春等【7】針對遠大S30 裝配式斜支撐鋼框架結構體系進行了數值模擬，模擬結果表明：輕型鋼樓梯對整體剛度的影響極小。

伍云天等【8】進行了大比例裝配式鋼梁－預制混凝土柱－基礎組合框架子結構試件的低周往復加載試驗。試驗表明：裝配式鋼梁－預制柱組合框架結構的強度等均能夠滿足抗震規范的要求。劉學春等進行單層雙跨足尺模型試驗，結果表明：破壞模式符合強柱弱梁的抗震原則，結構抗側剛度較大，但延性較差。

目前，由于受到試驗條件的限制，裝配式鋼結構整體抗震性能試驗的開展存在不足。但最近新興的實時混合模擬（Real-Time Hybrid Simulation，RTHS）技術可在一定程度上解決上述情況。RTHS 技術可以較為準確地獲得結構整體和局部的地震反應性態，并為分析、設計提供依據。

5 結語

綜上所述，裝配式鋼結構具有綠色環保、施工迅速、工期短、抗震性能良好等優點。隨著裝配式鋼結構體系的成熟，我國建筑行業轉型和發展的速度也會得到大大提升。