新型裝配式空間鋼網格盒式結構研究與應用

欒煥強

（中鐵十五局集團有限公司 上海 200072）

1 引言

裝配式空間鋼網格盒式結構是馬克儉、欒煥強等發明的一種新型的適合震區的大跨度結構體系［1－2］。該結構體系具有抗震性能好、施工速度快、節約鋼材、增加凈高及室內空間可靈活布置等優點［3］。

鋼網格盒式結構由鋼空腹夾層板和鋼網格墻架兩種水平和豎向結構體系組成，二者均具有板的力學效應。空腹夾層板上下肋間距與鋼柱間距一致，相互連接組成網格狀空間受力體系，樓蓋網格數不小于5格，墻架每層分格數不小于3格。空腹夾層板樓蓋結構體系得到根本改變，使傳統的單向傳力體系改變為三維空間受力。但樓蓋和墻架網格化及空腹化后，帶來了施工難度及工時量增大等弊端。因此針對結構體系小巧輕盈、用鋼量低的特點，采用預制裝配的新工藝，即將正交正放空腹樓蓋和墻架單元化，工廠加工標準單元后運至現場進行裝配，大幅提高工作效率。

1.1 鋼空腹夾層板

常規鋼結構樓蓋由H型鋼及混凝土樓板組成，照明及設備管道吊掛于樓蓋下方，壓縮了室內空間、增加了建造成本。鋼空腹夾層板克服了常規鋼結構的這些缺點，其由上下肋、剪力鍵及混凝土樓板組成，上下肋中間空腹可穿越設備管道，其高度可根據受力和管道需求空間進行調節，在室內凈高不變的情況下可壓縮層高1／10～1／8，用鋼量節約1／5～1／4。上下肋為T型鋼，與開槽后的方鋼管剪力鍵在加工車間進行焊接，如圖1所示。鋼空腹夾層板樓蓋具有很強的承載能力，其最大承擔荷載可達正常使用荷載的四倍以上［4］。

圖1 常規鋼樓蓋與空腹夾層板樓蓋

1.2 鋼網格墻架

鋼網格墻架是對常規鋼框架進一步的優化和拓展，主要特征為：減小柱截面和柱距，每層窗戶上下位置設置小橫梁以降低柱平面外計算長度，增強墻架的抗震能力，形成小密柱、小橫梁的網格式墻架。

欒煥強針對鋼網格墻架的抗側滯回性能和抗震能力進行分析表明：在用鋼量接近的情況下，與常規鋼框架相比，可大幅度提高耗能能力，降低側向和層間位移，具有良好的抗震性能［5］。在中震及大震作用下，鋼網格盒式結構層間位移能夠滿足抗震規范要求。正交正放鋼網格盒式結構與框剪結構相比，抗側力能力較好，是更為高效的第二道防線，并且由于盒式結構用鋼量少，質量輕，層彎矩和層剪力比常規框架減少很多，在節約造價的同時，對抗震也極為有利。由于樓蓋和墻架重量輕、截面尺寸小，為進行裝配式連接創造了有利條件。

2 工程概況

湖南金海檢測中心位于湖南省湘潭市經濟開發區，地處長株潭核心區域，東臨湘江，與昭山相望。該檢測中心是國內首個裝配式空間鋼網格盒式結構建筑，是具有大開間靈活劃分平面的節能民用建筑。建筑層數為六層，投影平面為方形平面，跨度為8 m，建筑面積約為3 450 m2，高度為23.1 m，平面尺寸為（24×24）m。一層為檢測中心，層高4.8 m；二層為實驗室，層高3.9 m；三層至六層為公寓，層高3.6 m。內部區域主要為樓電梯和衛生間區域，采用鋼筋混凝土框架結構，外圍柱除四角采用方鋼管柱以增強抗扭剛度外，其余均為小截面H型鋼柱。內墻采用輕質砌塊分隔房間，外墻采用輕質鋁板和玻璃幕墻飾面。檢測中心外觀及標準層平面如圖2所示。

圖2 檢測中心標準層平面及外觀

3 結構方案布置

3.1 空腹夾層板樓蓋方案布置

由于一層、二層、三～五層和六層使用功能不同，內部房間分割差別較大，結構布置需要實現靈活劃分房間的要求，因此樓蓋采用裝配式正交正放空腹夾層板結構。空腹夾層板的鋼結構部分總厚度為500 mm，跨度為8 m，網格形式為正交正放，網格尺寸為2.0 m×2.0 m，上下肋均為T型截面，剪力鍵為方管。根據運輸及施工要求將空腹夾層板樓蓋分為A、B兩種單元，其中A單元14個、B單元4個，如圖3所示。各單元上下肋與剪力鍵連接部分采用開槽后等強焊接的方法進行連接，待上下肋與剪力鍵連接完成后，運至施工現場于各單元連接處進行螺栓拼接，在上肋焊接栓釘，鋪設鋼筋網，然后澆筑混凝土即可完成空腹夾層板施工過程。由于各單元重量輕，連接方便，地上主體部分實際施工工期僅70 d，實現了現場構件裝配，經濟效益和社會效益顯著。

圖3 樓蓋單元劃分方案（單位：mm）

3.2 墻架結構方案

墻架結構與常規框架結構有所不同，主要是由小規格密柱、多個層間橫梁及空腹鋼梁組成。正交正放空腹夾層板網格間距與小規格密柱相同，對于需要開門洞處，可根據建筑和使用功能需求加寬或取消部分鋼結構立柱，二層相應位置設置兩根八字鋼柱以承擔上部荷載。層間窗洞頂部和底部各設置一根層間橫梁，以加強墻架的抗側剛度。墻架結構依據現行規范進行設計，墻架網格單元劃分如圖4a所示。墻架采用H型鋼豎向網格墻架，在工廠制作為拼裝單元。當基礎工程完畢后，先安裝第一層墻架單元，再采用高強螺栓安裝第一層鋼空腹網格樓蓋，將各單元按設計劃分方案進行安裝，各單元腹板處采用鋼拼接板和摩擦型高強螺栓連接，墻架單元劃分及施工圖如圖4所示。各構件截面參數如表1所示。

圖4 墻架單元劃分及裝配現場

表1 構件截面參數

4 結構分析

4.1 結構模型

結構體系采用Midas gen軟件建立有限元模型進行整體結構驗算與分析［6］。盒式結構作為一種新型的結構體系，其空腹梁和鋼墻架梁柱均可按實際構件進行輸入。除混凝土樓板采用板單元模擬外，鋼柱、混凝土柱、空腹梁、層間橫梁均采用桿單元模擬［7］。

4.2 荷載取值

依據現行國家相關規范、標準［8－10］及建筑平、立、剖面圖進行結構設計。結構設防烈度按7度進行設計，鋼材采用Q355B，混凝土等級為C30。恒載根據材料自重按照實際計算取值。

（1）活載：上人屋面活載取 2.0 kN／m2，公寓為2.0 kN／m2，實驗室為 4.0 kN／m2，走廊樓梯活載取3.5 kN／m2。

（2）風載：按縱橫向均為0.35 kN／m2，施加于主體結構上，地面粗糙度為B類。

（3）溫度荷載：按極端情況考慮，溫度荷載分析考慮升溫25℃、降溫20℃。

（4）地震荷載：抗震設防類別為丙類，設防烈度取7度，設計基本地震加速度0.15 g，場地類別為Ⅱ類，地震分組第一組。

4.3 振動模態分析

根據抗震規范規定采用振型分解反應譜法進行抗震計算，其自振模態如圖5所示。由圖5可知，前兩階振動模態均為平動，自振周期基本相等，說明兩個方向剛度均勻；第三階模態為轉動，且周期比T3／T1＝0.86＜0.9，滿足相關抗震規范要求。

圖5 前三階振動模態

4.4 層間位移角及位移比

層間位移角及位移比如表2所示。

表2 層間位移角及位移比

在風荷載作用下，一層位移角1／1 410，遠小于多層框架結構的限值1／400［11］；地震荷載作用下一層層間位移角 1／987，遠小于規范限制 1／250［12］，表明盒式結構抗側剛度大，具有很好的抵抗側向風荷載和地震作用的能力。

4.5 應力計算

檢測中心結構內力計算結果表明：結構降溫20℃時的荷載組合為控制性內力，最大應力為290 MPa，小于Q355B強度設計值310 MPa，其余桿件應力比大部分在0.3～0.7之間，整體應力分布較為均勻，能更好地發揮鋼材的受力性能，具有較大的安全儲備，如圖6所示。

圖6 應力云圖

5 關鍵節點連接構造

5.1 空腹梁拼接構造

樓蓋網格單元運至施工現場后，連接采用“栓焊結合”施工工序，在需要連接T型鋼的腹板處采用高強螺栓等強連接后，再在其翼緣處采用對焊工序等強連接。安裝時需按節點位置設臨時支架，防止結構變形，如圖7所示。

圖7 空腹梁拼接構造（單位：mm）

5.2 斜柱連接構造

鋼網格墻架密柱間距為2 m，由于底層出入口大空間門洞寬度為4 m，因此需將⑦軸處底層兩根鋼柱去除，二層處豎向鋼柱變為兩根八字形鋼柱以支撐三層以上鋼柱受力。連接處設置相應的加勁板，經過處理后的結構受力和抗震性能基本無影響。斜柱連接構造如圖8所示。

圖8 斜柱連接構造

6 結束語

通過對裝配式空間鋼網格盒式結構的結構選型、方案布置、結構分析以及關鍵節點連接構造設計，得出如下結論：

（1）裝配式空間鋼網格盒式結構樓蓋承載力大，抗震性能好、施工速度快，能夠實現快速化施工要求。

（2）建立有限元模型對湖南金海檢測中心進行抗震及受力分析，側向位移遠小于規范要求，整體結構受力合理，有較高的安全儲備。

（3）對空腹梁拼接節點及斜柱連接構造進行設計，在方便施工的同時對結構受力性能基本無影響。