低層輕鋼預(yù)制板墻住宅設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題研究

仲躋峰 褚國棟

（南通市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南通 226006）

0 引言

傳統(tǒng)低層住宅一般為單層或兩層，采用砌體結(jié)構(gòu)或木結(jié)構(gòu)。這些建造方式需要現(xiàn)場(chǎng)大量的體力勞作，條件差，工期長，業(yè)主投入精力多。而且隨著工匠年齡老化、人數(shù)減少，勞動(dòng)力成本加大，這種方式越來越不適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要。

前幾年，江蘇的施工企業(yè)創(chuàng)新采用鋼管柱和C 型鋼梁為主要受力骨架，用預(yù)制輕質(zhì)泡沫混凝土配筋墻板為圍護(hù)，建造一批低層輕鋼住宅。該方式與北美輕鋼住宅建造方式不同。本文以建成的住宅為案例展開課題研究，挖掘出該建造方式的許多優(yōu)點(diǎn)；發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中有不符合現(xiàn)有規(guī)范的關(guān)鍵問題，提出相應(yīng)解決方法，為其推廣應(yīng)用打好理論基礎(chǔ)。

1 北美輕鋼住宅建造方式

建造北美輕鋼住宅有兩種結(jié)構(gòu)體系，一種為冷彎薄壁型鋼低層住宅體系，墻體、樓蓋和屋蓋均采用冷彎薄壁型鋼構(gòu)件與結(jié)構(gòu)板材可靠連接而成的板肋結(jié)構(gòu)。另一種采用熱軋H 型鋼、鋼管或高頻焊接H 型鋼等組成框架結(jié)構(gòu)或框架支撐結(jié)構(gòu)，墻體為不承重的輕鋼龍骨復(fù)合墻體，樓板采用鋼絲網(wǎng)水泥刨花板與密肋鋼梁組合的梁板結(jié)構(gòu)體系或與圓孔板。這種方式與我國傳統(tǒng)住宅建造習(xí)慣相差太大，特別是外墻的安全問題經(jīng)常被質(zhì)疑，還沒有被老百姓普遍接受。

2 江蘇低層輕鋼預(yù)制板墻住宅建造方式

江蘇創(chuàng)新采用的輕鋼預(yù)制板墻建造低層住宅，選用鋼管柱和C 型鋼梁作為主體受力骨架，預(yù)制輕質(zhì)泡沫混凝土配筋墻板作為圍護(hù)構(gòu)件。主要構(gòu)件在工廠加工、現(xiàn)場(chǎng)拼裝，現(xiàn)場(chǎng)的濕作業(yè)很少。

農(nóng)村住戶翻建新房時(shí)，先拆除舊房，舊磚夯實(shí)找平用作基礎(chǔ)墊層。輕鋼住宅自重很輕，可以在墊層上澆300mm 厚混凝土筏板作為基礎(chǔ)。鋼柱采用邊長160mm 矩形鋼管，在工廠預(yù)先開矩形孔，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)就位后，焊接在筏板預(yù)留的埋件上，如圖1 所示。鋼梁采用雙拼C 型冷彎薄壁鋼，用高強(qiáng)螺栓與柱固定，如圖2 所示。

圖1 焊接柱腳

圖2 安裝C型鋼梁

圍護(hù)墻板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為LC7.5，密度等級(jí)1000kg/m3，內(nèi)部雙層雙向配筋。在車間完成鋼筋綁扎、混凝土澆筑全過程。每開間采用一塊整板，預(yù)留門窗洞口。墻板運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)，吊到指定位置，多人合力將墻板推入兩柱和鋼梁之間，如圖3 所示。墻板四周有鋼板埋件，將埋件與梁柱焊接，如圖4 所示。樓板采用鋼筋桁架樓層板組合樓板，鋼板在鋼梁上的擱置部位開洞口，如圖5 所示。墻板與鋼柱交接部位鋪設(shè)鋼絲網(wǎng)，隨后清掃墻面并澆水濕潤、批界面劑、彈分格線、貼繃帶，最后噴真石漆，建成建筑外觀如圖6所示。

圖3 墻板推入柱間

圖4 墻板埋件與柱焊接

圖5 鋼梁頂部的樓承板開洞

圖6 剛剛建成的建筑外觀

澆筑時(shí)先澆柱梁后澆樓面，這是該住宅特有的施工工藝。澆柱子時(shí)振動(dòng)棒插入柱底，一邊澆筑一邊慢慢向上撥，每一個(gè)鋼柱都需振搗。澆平臺(tái)時(shí)，振動(dòng)棒在平臺(tái)上向著一個(gè)方向拖動(dòng)，板底部對(duì)扣的C 型鋼梁之間均澆灌混凝土。這種建造方式有許多優(yōu)點(diǎn)：

（1）梁板柱均變?yōu)榻M合構(gòu)件，增加構(gòu)件承載力和剛度；

（2）由于鋼管柱事先有開孔，一部分砂漿會(huì)溢出鋼管柱，塞滿鋼構(gòu)件與預(yù)制墻體之間的空隙，滿足老百姓觀感要求，減少投訴糾紛；

（3）墻板不是固定600mm 寬、現(xiàn)場(chǎng)拼裝的方式，而是每個(gè)房間一塊板，提高生產(chǎn)和安裝效率，同時(shí)避免拼縫；

（4）按照《江蘇省裝配式建筑綜合評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，項(xiàng)目地上主體鋼結(jié)構(gòu)、外圍護(hù)墻、內(nèi)隔墻、桁架式樓承板均采用工廠預(yù)制成品，主體結(jié)構(gòu)和外圍護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件的計(jì)算指標(biāo)Z1、裝配式內(nèi)外圍護(hù)構(gòu)件的計(jì)算指標(biāo)Z2評(píng)分均為滿分；考慮到農(nóng)村實(shí)際情況，暫未采用集成衛(wèi)生間和集成廚房，Z3評(píng)分為75%。預(yù)制裝配率總分Z為93%。這是混凝土結(jié)構(gòu)體系很難到達(dá)的分值，充分體現(xiàn)該建造體系的優(yōu)勢(shì)。

3 現(xiàn)有建造方式的設(shè)計(jì)理論問題及改進(jìn)方法

對(duì)照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、《輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)規(guī)程》、《住宅設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》等規(guī)范，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、節(jié)能設(shè)計(jì)等角度深入分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有建造方式的幾個(gè)理論問題需要改進(jìn)。

3.1 結(jié)構(gòu)受力體系問題

施工單位根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將預(yù)制墻板嵌在鋼梁鋼柱中間。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)受力體系怎么確定？按框架結(jié)構(gòu)計(jì)算還是按剪力墻結(jié)構(gòu)都不合適。

根據(jù)廠家提供資料，輕質(zhì)混凝土墻板的強(qiáng)度等級(jí)為LC7.5，該類墻只能用于自承重兼保溫的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如果定義剪力墻作為主要受力構(gòu)件，墻體強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求。如果按純框架計(jì)算，現(xiàn)場(chǎng)的梁柱連接（如圖3所示）只能人為鉸接，鋼梁對(duì)柱不能提供抗彎約束，柱的計(jì)算長度系數(shù)很大，柱截面不滿足穩(wěn)定要求，整體抗側(cè)剛度也不夠。因此，純框架體系不成立。

受《輕型鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)規(guī)程》條文的啟發(fā)，輕鋼住宅框架結(jié)構(gòu)體系宜利用鑲嵌填充墻的側(cè)向剛度對(duì)整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移作用，可以把該結(jié)構(gòu)體系確定為框架-支撐結(jié)構(gòu)。計(jì)算模型按梁柱鉸接的框架，預(yù)制輕質(zhì)墻板等代為支撐參與計(jì)算，計(jì)算模型如圖7所示。

圖7 斜拉鋼筋作為支撐參與計(jì)算模型

工廠澆筑混凝土墻板時(shí)，需要設(shè)置埋件，便于與周邊梁柱焊接。改進(jìn)辦法為對(duì)角埋件上預(yù)先焊接斜拉鋼筋，如圖8所示。

圖8 預(yù)制墻體四邊埋件及內(nèi)部斜筋示意

結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，因?yàn)閴Π寤炷敛粷M足受力構(gòu)件最低強(qiáng)度要求，不考慮輕質(zhì)混凝土承載力，僅考慮斜拉鋼筋作為純拉桿支撐的作用。結(jié)果表明，斜拉鋼筋可以滿足水平力承載要求。按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》8.3.1條判斷，該結(jié)構(gòu)體系的側(cè)移剛度大于軸壓承載力差值，即Sb>4.4[(1+100/fy)∑Nbi-∑N0i]，框架滿足無側(cè)移要求，可以按強(qiáng)支撐框架計(jì)算。

3.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)問題

現(xiàn)有的建造方式中，擱置在板墻頂部的C 型鋼被作為圈梁看待，未考慮承載要求。根據(jù)新的計(jì)算模型，板墻不作為承載構(gòu)件反而變?yōu)楹奢d，C 型鋼梁承載要求提高。改進(jìn)的辦法是，在組合樓板與C 型鋼梁之間增加抗剪栓釘，樓板作為梁的翼緣，C 型鋼梁按組合梁計(jì)算。原截面無需增加，就可以滿足計(jì)算要求。

按強(qiáng)支撐框架假定，鋼柱計(jì)算長度取層高，長細(xì)比容易控制。鋼柱本身承載力較高，計(jì)算時(shí)無需考慮柱內(nèi)澆灌的混凝土的承載力貢獻(xiàn)就能滿足要求。在板墻的對(duì)角埋件上預(yù)先焊接斜拉鋼筋，鋼筋用量按照整體受力要求確定。

3.3 防火問題

已經(jīng)建造的住宅未考慮防火措施。根據(jù)規(guī)范要求，低層住宅耐火等級(jí)為四級(jí)。鋼柱鋼梁的耐火極限1h，樓板耐火極限0.5h。防火設(shè)計(jì)時(shí)，假定包裹在墻板中間的鋼梁鋼柱全部失效，輕質(zhì)混凝土墻板還有剩余承載力，結(jié)構(gòu)體系退化為剪力墻結(jié)構(gòu)。按照標(biāo)準(zhǔn)溫升公式計(jì)算，受火1h 后輕質(zhì)混凝土板墻的溫度為950℃。根據(jù)混凝土強(qiáng)度火災(zāi)影響公式（1）計(jì)算：

式中：kc——影響系數(shù)；

T——溫度。

當(dāng)溫度為950℃時(shí)，kc=1.085-5.73×0.0001×950=0.5，于是，LC7.5的剩余強(qiáng)度為7.5×0.5=3.7。

即使按LC3.7 驗(yàn)算，墻軸壓比均小于1，滿足臨時(shí)承重要求，不至于倒塌。樓板設(shè)計(jì)時(shí)未考慮樓承鋼板的承載力，可以不涂防火涂料。綜上所述，防火設(shè)計(jì)只要把底部沒有墻體填充、明露的鋼梁周邊包防火板即可。這樣施工最簡單，節(jié)省造價(jià)。

3.4 外墻保溫隔熱問題

從圖4 可以看出，外墻嵌在鋼構(gòu)件之間，沒有解決鋼構(gòu)件的冷橋問題。墻板盡管采用輕質(zhì)泡沫混凝土制作，自身的導(dǎo)熱系數(shù)0.260W/(m·K)，并不能滿足節(jié)能要求。需要在鋼構(gòu)件和外墻板增加保溫材料，經(jīng)過計(jì)算，推薦采用40mm擠塑聚苯板(ρ=25~32)。

4 結(jié)束語

采用鋼管柱和C型鋼梁為主要受力骨架，用預(yù)制輕質(zhì)泡沫混凝土配筋墻板為圍護(hù)，建造低層住宅有獨(dú)到之處。研究過程中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)受力體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)、防火、外墻保溫隔熱等幾個(gè)關(guān)鍵問題，采取了系列改進(jìn)辦法，取得很好的效果：可以在輕質(zhì)混凝土墻板內(nèi)增加斜向鋼筋，以支撐的作用參與結(jié)構(gòu)計(jì)算；鋼構(gòu)件按組合構(gòu)件計(jì)算，并做好防火措施；外立面增設(shè)保溫材料，提高節(jié)能水平。該體系的建造成本與傳統(tǒng)砌體結(jié)構(gòu)相當(dāng)，工期卻很短，老百姓愿意接受，其應(yīng)用前景可期。