裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的主要結(jié)構(gòu)計(jì)算探究

關(guān)鍵詞：裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑; 結(jié)構(gòu)體系; 連接節(jié)點(diǎn); 防火防腐;

近年來(lái), 裝配式建筑已經(jīng)被提到了國(guó)家研發(fā)層面, 作為建筑業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重點(diǎn)予以推進(jìn)。國(guó)家及全國(guó)各地關(guān)于裝配式建筑發(fā)展的工作目標(biāo)、扶持政策陸續(xù)出臺(tái), 裝配式建筑項(xiàng)目如雨后春筍般在各地展開(kāi)。

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑以鋼結(jié)構(gòu)作為承重結(jié)構(gòu), 是與裝配式混凝土建筑、裝配式木結(jié)構(gòu)建筑并行的3種裝配式建筑體系之一。鋼結(jié)構(gòu)是與圍護(hù)、內(nèi)裝、設(shè)備管線等建筑部品部件的系統(tǒng)集成, 是其主體結(jié)構(gòu)。面對(duì)裝配式建筑的發(fā)展方向, 鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)是否繼續(xù)適用, 如何更好地適應(yīng)需求和發(fā)展, 本文從結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件設(shè)計(jì)和防火防腐、連接節(jié)點(diǎn)三方面進(jìn)行闡述。

在居住和辦公類裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中常用的結(jié)構(gòu)體系有冷彎薄壁型鋼、純框架、框架支撐、框架剪力墻、框架核心筒結(jié)構(gòu)等, 也有一些異型柱框架和剪力墻結(jié)構(gòu)、純鋼或組合結(jié)構(gòu), 可解決露梁露柱問(wèn)題。事實(shí)上, 傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式, 或是結(jié)構(gòu)形式的一些變化, 對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)建筑體系的構(gòu)成和支撐, 并無(wú)突出矛盾。

但是, 如果行業(yè)的發(fā)展始終躺在“鋼結(jié)構(gòu)就是裝配式”這一觀點(diǎn)上, 那就有些不思進(jìn)取了。讓裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)體系勉為其難地向傳統(tǒng)現(xiàn)澆剪力墻住宅體系靠攏, 簡(jiǎn)單套用混凝土剪力墻戶型的傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)體系, 不僅體現(xiàn)不出優(yōu)勢(shì), 反而會(huì)變成劣勢(shì)。僅僅是解決露梁露柱問(wèn)題, 而不是針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的特點(diǎn), 從房型、裝修等方面綜合考慮用戶的接受度, 向鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、高效制作與安裝發(fā)展, 那很難取得大的技術(shù)進(jìn)步。

1.1 分離式結(jié)構(gòu)體系

就鋼結(jié)構(gòu)體系而言, 豎向承重和抗側(cè)力分離的結(jié)構(gòu)體系, 對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效裝配目標(biāo)是一個(gè)很好的選擇———局部結(jié)構(gòu)形成抗側(cè)力體系 (可以是支撐、剪力墻等) , 其余部分的結(jié)構(gòu)無(wú)需抗側(cè)能力, 只要具備豎向承重能力即可, 因此構(gòu)造處理更為方便。這實(shí)際上也可能是一種單一抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系。除了鋼框架-核心筒混合結(jié)構(gòu)體系 (事實(shí)上效率并不低) , 目前國(guó)內(nèi)正在從事新體系的探究。

以支撐框架為代表的單一抗側(cè)力體系, 也是一種不錯(cuò)的選擇。典型的例子有日本大和房屋株式會(huì)社主推的支撐框架體系:梁貫通, 梁柱按鉸接處理 (半剛性) , 完全由支撐提供抗側(cè)剛度, 實(shí)際上是一種分離式結(jié)構(gòu)體系, 經(jīng)同濟(jì)大學(xué)研發(fā), 形成了整套技術(shù)體系, 命名為“分層裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系” , 用于低多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑, 裝配效率可大大提升。

然而, 按照國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》設(shè)計(jì), 要求結(jié)構(gòu)宜有多道抗震防線。具體到鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)中, 框架部分有相應(yīng)的抗震措施和構(gòu)造要求, 需保證延性, 并承擔(dān)不低于總水平地震作用的25% (基本給這種結(jié)構(gòu)體系判了“死刑”) , 導(dǎo)致梁柱節(jié)點(diǎn)必須設(shè)計(jì)有一定抗彎剛度, 以形成框架來(lái)承擔(dān)部分水平地震力。

這就很尷尬了, 明明是因地震頻發(fā)的國(guó)家廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)體系, 怎么在國(guó)內(nèi)就不行了呢?是國(guó)內(nèi)地震設(shè)防特別嗎?如果說(shuō)在日本經(jīng)過(guò)大地震檢驗(yàn)是可靠的, 那么按照我們的規(guī)范, 卻認(rèn)為是不安全的, 是這個(gè)結(jié)構(gòu)體系不合理, 還是我們的規(guī)范不合理呢?實(shí)際上參考美國(guó)的結(jié)構(gòu)規(guī)范, 支撐框架作為單一抗側(cè)力體系是允許的。況且, 鋼框架-支撐體系中, 即便框架部分全是鉸接沒(méi)有抗側(cè)剛度, 同一方向上的多道支撐事實(shí)上也是抗震的多道防線。

1.2 結(jié)構(gòu)體系的其他問(wèn)題

由于現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于“強(qiáng)柱弱梁”的要求, 所以直接導(dǎo)致H型截面柱的框架 (橫向框架+縱向支撐框架, 或者部分鋼柱旋轉(zhuǎn)90°布置實(shí)現(xiàn)雙向抗側(cè)的純框架) 無(wú)法實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上橫向框架+縱向支撐框架的結(jié)構(gòu)形式在工業(yè)建筑中一直被普遍應(yīng)用, 在民用建筑中是不是就真的不可行?H型截面柱的雙向純框架也真的不行?可美國(guó)的鋼框架這么做的還挺多, 包括特殊抗彎框架。

另外, 遠(yuǎn)大可建科技有限公司 (遠(yuǎn)大可建) 因裝配高效而引起轟動(dòng)的鋼結(jié)構(gòu)建筑 , 結(jié)構(gòu)體系集合了鋼柱、斜撐和集成式組合樓板, 實(shí)際上是一種桁架梁支撐框架體系, 但這么多年來(lái)結(jié)構(gòu)體系很難被規(guī)范和工程界接受, 是否真的不行?或是有其適用的條件、解決的出路?

在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)體系方面, 事實(shí)上還有很多值得探討的地方, 不僅僅是一些適合裝配式建筑的鋼結(jié)構(gòu)新體系的研發(fā), 還有我國(guó)相關(guān)規(guī)范的梳理和改進(jìn)。

2.1 構(gòu)件設(shè)計(jì)

建筑工業(yè)化的目標(biāo)是為了解決傳統(tǒng)建筑勞動(dòng)效率和勞動(dòng)力的問(wèn)題。鋼結(jié)構(gòu)廠的構(gòu)件加工, 雖然實(shí)現(xiàn)了工廠預(yù)制, 但也存在加工效率的問(wèn)題。

國(guó)外的鋼結(jié)構(gòu)普遍使用型鋼。由于我國(guó)有用鋼量控制, 另外工程量計(jì)算一般是按噸位而不論構(gòu)件截面形式, 所以導(dǎo)致采用焊接截面的情況普遍。盡可能采用軋制型鋼以及成品型材, 少用焊接截面, 是減小構(gòu)件加工工作量的重要措施。鋼結(jié)構(gòu)加工廠的構(gòu)件如能實(shí)現(xiàn)模數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化, 就是實(shí)現(xiàn)了裝配式建筑的發(fā)展初衷, 而不是停留在“鋼結(jié)構(gòu)就是工廠預(yù)制的”這一說(shuō)法上。如型鋼在鋼廠經(jīng)簡(jiǎn)單處理, 繞過(guò)鋼構(gòu)廠, 直接進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配, 將是高效裝配的解決方案。

2.2 構(gòu)件的防火防腐

(1) 防火涂料。裝配式鋼結(jié)構(gòu)會(huì)采用防火防腐涂料進(jìn)行防護(hù)。但是, 涂料的壽命一般僅10余年, 業(yè)主或用戶遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能接受 (尤其是住宅) 。除了常規(guī)的防火涂料之外, 采用防火片材的粘貼包覆, 同時(shí)結(jié)合裝修一體化處理, 在裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中, 尤其是精裝修住宅中, 是一種很好的解決方案。

(2) 鋼結(jié)構(gòu)免涂裝和一體化防火方案。這是解決防火防腐問(wèn)題的根本途徑。按照日本的工程經(jīng)驗(yàn), 多高層鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在加工廠可不進(jìn)行防腐涂裝, 僅在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行防火噴涂作業(yè), 或結(jié)合室內(nèi)裝修進(jìn)行防火包覆, 以保證防火性能。日本的技術(shù)人員認(rèn)為, 建筑物內(nèi)封閉環(huán)境下鋼材的腐蝕速度很慢, 完全沒(méi)必要涂裝, 預(yù)留一點(diǎn)腐蝕裕量即可, 方便又環(huán)保。

(3) 鋼結(jié)構(gòu)銹蝕速度有限。根據(jù)《色漆和清漆防護(hù)漆體系對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)第2部分環(huán)境分類》, 低碳鋼在類似的腐蝕環(huán)境中, 每年腐蝕厚度僅1.3μm 。因此, 考慮到鋼結(jié)構(gòu)在室內(nèi)正常環(huán)境下銹蝕有限, 即便初期的涂裝年久失效, 腐蝕也在可控范圍, 根本不會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全。美國(guó)和日本幾十年前建造的鋼結(jié)構(gòu)建筑使用至今的經(jīng)驗(yàn)已充分說(shuō)明了這些問(wèn)題。國(guó)內(nèi)寶鋼和同濟(jì)大學(xué)聯(lián)合開(kāi)展過(guò)相關(guān)的課題研究, 也給出了類似的結(jié)論。

日本研發(fā)了一種梁柱連接節(jié)點(diǎn)的做法[6] (見(jiàn)圖6) , 將節(jié)點(diǎn)區(qū)域矩管截面通過(guò)高頻波感應(yīng)加熱增厚, 采用端板和單邊螺栓連接, 可解決節(jié)點(diǎn)剛度問(wèn)題, 同時(shí)安裝效率很高, 并將這一技術(shù)推向了市場(chǎng)。

3.2 節(jié)點(diǎn)的集成與成品化

探索鋼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)高效裝配技術(shù), 可以按構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)分離的思路, 將節(jié)點(diǎn)集成為成品, 如國(guó)內(nèi)研發(fā)的蝶形節(jié)點(diǎn)[7], 國(guó)外也有類似的快速安裝節(jié)點(diǎn)。日本日立公司的柱腳節(jié)點(diǎn) , 作為標(biāo)準(zhǔn)化的建筑成品在市場(chǎng)上推廣。我國(guó)裝配式建筑的鋼結(jié)構(gòu)高效裝配式節(jié)點(diǎn), 無(wú)疑也可向這一方向邁步。美國(guó)ConXtech鋼框架體系的ConXL節(jié)點(diǎn)、Kaiser節(jié)點(diǎn)、Side Plate節(jié)點(diǎn)、Simpson節(jié)點(diǎn)等  , 有些已產(chǎn)品化, 均是美國(guó)AISC 358-16規(guī)范[8]所認(rèn)可和推薦的新型裝配式節(jié)點(diǎn)。

這些快速裝配節(jié)點(diǎn)技術(shù), 可以支撐實(shí)現(xiàn)裝配式建筑中鋼結(jié)構(gòu)的最終目標(biāo):鋼構(gòu)件在鋼廠經(jīng)過(guò)最基本的簡(jiǎn)單加工 (如切割、打孔等) , 作為標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件直接運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng), 采用高效連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行裝配, 并結(jié)合采用耐火鋼、耐候鋼或免涂裝、防火包覆等技術(shù)解決防火防腐問(wèn)題, 這將是裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域的一大創(chuàng)新。當(dāng)然, 要達(dá)到這一理想化的目標(biāo), 還有很多的研究工作要做, 并需要相關(guān)規(guī)范的支撐。

本文對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理。既然是支撐裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的技術(shù), 還是要圍繞裝配式建筑發(fā)展的目標(biāo)和需求, 即工廠的高效生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)的高效裝配、與建筑裝修的一體化協(xié)同和集成等發(fā)展目標(biāo), 從結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)等方面進(jìn)行研究和實(shí)踐, 切實(shí)提高行業(yè)技術(shù)水平, 推動(dòng)裝配式建筑的發(fā)展。

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