新型裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)建筑體系研究與應(yīng)用

新型裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)建筑體系研究與應(yīng)用摘要：鋼結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強(qiáng)、綠色環(huán)保、便于制作和標(biāo)準(zhǔn)化以及抗震性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在歐美發(fā)達(dá)國家住宅建筑中已得到推廣與應(yīng)用。關(guān)鍵詞：裝配式；框架結(jié)構(gòu)；建筑體系近些年，我國出臺許多政策大力推進(jìn)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)很多學(xué)者和企業(yè)已開發(fā)出諸多新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系，但依然存在一些問題亟待解決，主要是集中在以下兩個(gè)方面:1)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)體系存在的問題隨著我國建筑產(chǎn)業(yè)化的大力推進(jìn)，國內(nèi)研究人員針對裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了許多研究和創(chuàng)新，但仍存在現(xiàn)場施工復(fù)雜、工廠制作程度低、設(shè)計(jì)多樣化等不足，難以滿足現(xiàn)代裝配式建筑的工廠生產(chǎn)化、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化以及施工裝配化等要求，難以發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)快速裝配的優(yōu)勢。2)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑圍護(hù)體系發(fā)展滯后從我國當(dāng)前的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系的發(fā)展和應(yīng)用來看，較多的研究人員更多地集中在建筑結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展和研究上，忽略了鋼結(jié)構(gòu)建筑體系中圍護(hù)結(jié)構(gòu)存在的問題。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系要真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，其圍護(hù)體系也必須滿足高度集成化和工業(yè)化。但是很多裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑依然采用粗放式、現(xiàn)場濕作業(yè)較多的圍護(hù)體系，與市場上的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系難以配套，嚴(yán)重制約了裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的推廣和應(yīng)用。針對上述我國裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑體系存在的兩個(gè)主要問題，東南大學(xué)、浙江東南網(wǎng)架股份有限公司、北京津西賽博思建筑設(shè)計(jì)有限公司以及天津大學(xué)等高校和企業(yè)基于已有的鋼結(jié)構(gòu)建筑體系進(jìn)行研究和拓展，提出一系列新型鋼框架結(jié)構(gòu)建筑體系，并開展了系統(tǒng)的研究和工程應(yīng)用。1多腔柱鋼框架-支撐體系建筑1.1多腔柱鋼框架-支撐體系的組成對于多腔柱鋼框架-支撐體系體系，其結(jié)構(gòu)部分主要由多腔柱、上環(huán)下隔式梁柱節(jié)點(diǎn)以及支撐等組成；圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要由預(yù)制混凝土墻體大板以及鋼筋桁架混凝土疊合樓板等組成。多腔柱是基于標(biāo)準(zhǔn)化的理念提出的一種新型截面承重構(gòu)件，其截面選取冷彎方鋼管作為核心腔體與冷成型C形鋼連接，形成L形、T形以及十字形等截面形式，截面寬度與墻體厚度保持一致，既能滿足承載力要求，又能很好地避免梁柱外露影響建筑空間布置，提高空間使用率。此外，冷彎方鋼管以及C形鋼為成品構(gòu)件，因此，多腔柱還具有加工方便、容易標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和設(shè)計(jì)等一系列特點(diǎn)。結(jié)合當(dāng)前應(yīng)用比較廣泛的外環(huán)板和貫穿隔板梁柱節(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)，提出一種新型上環(huán)下隔式梁柱節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)上部采用外環(huán)板與梁上翼緣連接，下部通過柱貫穿隔板與梁下翼緣連接，其中隔板上焊有襯管用來保證現(xiàn)場上段柱準(zhǔn)確定位以及柱對接焊接時(shí)起到熔透焊時(shí)墊板的作用；然后，上段柱與貫穿隔板在現(xiàn)場進(jìn)行焊接完成柱拼接；最后，梁上、下翼緣分別與上環(huán)板和貫穿隔板在現(xiàn)場通過對接焊縫連接，腹板通過高強(qiáng)螺栓與柱壁剪切板連接，新型節(jié)點(diǎn)拼裝完成。該類節(jié)點(diǎn)上部采用外環(huán)板，既方便加工又可以減少柱構(gòu)件隔斷；下部采用貫穿隔板可以方便柱構(gòu)件的拼接；后期又不凸出柱截面，保證建筑空間的完整性。1.2多腔柱鋼框架-支撐體系的研究針對多腔柱鋼框架-支撐體系的抗震性能和設(shè)計(jì)理論等關(guān)鍵問題，東南大學(xué)對該體系中上述問題開展了試驗(yàn)和理論研究。采用試驗(yàn)、理論與有限元分析相結(jié)合的方式對新型梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明該類節(jié)點(diǎn)具有良好的抗震性能，能夠滿足我國《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ99—2015)的要求。通過對帶混凝土大板的兩棟裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系的動力特性現(xiàn)場實(shí)測等研究混凝土大板對結(jié)構(gòu)動力特性的影響。為該體系的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供更好的理論支撐。2多腔體框架-鋼板組合剪力墻體系建筑2.1多腔體框架-鋼板組合剪力墻體系組成浙江東南網(wǎng)架股份有限公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)以產(chǎn)業(yè)政策為契機(jī)，以居住類建筑市場為導(dǎo)向，明確了以新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑(特別是居住類建筑)為研發(fā)方向。經(jīng)系統(tǒng)歸納、深入研究和反復(fù)討論，創(chuàng)新提出了一種更適合的居住類裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)體系——多腔體框架-鋼板組合剪力墻體系。該體系是由多腔體鋼板組合剪力墻、H形鋼梁、鋼筋桁架混凝土樓板組裝而成的高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系。多腔體鋼板組合剪力墻作為結(jié)構(gòu)體系的主要抗豎向力和抗側(cè)向力構(gòu)件，是由外側(cè)雙鋼板、內(nèi)部平面鋼筋桁架和矩形鋼管組裝而成的具有多個(gè)相互連通腔體的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，內(nèi)部澆筑混凝土，形成一種以一字形、L形、T形、Z字形為主要構(gòu)造形式的組合構(gòu)件。2.2多腔體框架-鋼板組合剪力墻體系研究為了深入研究多腔體鋼板組合剪力墻結(jié)構(gòu)體系的性能，浙江東南網(wǎng)架股份有限公司聯(lián)合東南大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)，成立聯(lián)合課題組，通過大量的1∶1足尺模型試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬、理論分析以及工程試設(shè)計(jì)，對多腔體鋼板組合剪力墻進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究，包括對多腔體鋼板組合剪力墻的穩(wěn)定性能、多腔體鋼板組合剪力墻的抗震性能、多腔體鋼板組合剪力墻梁節(jié)點(diǎn)抗震性能以及多腔體鋼板組合剪力墻抗火性能等的研究。通過上述一系列研究，得到多腔體鋼板組合剪力墻的穩(wěn)定承載力計(jì)算方法、抗震性能、耐火極限等一系列關(guān)鍵成果，為多腔體框架-鋼板組合剪力墻體系的應(yīng)用和推廣提供理論依據(jù)和支撐。2.3多腔體框架-鋼板組合剪力墻體系工程應(yīng)用多腔體框架-鋼板組合剪力墻體系已在浙江省杭州市錢塘區(qū)裝配式鋼結(jié)構(gòu)綠色建筑基地宿舍樓項(xiàng)目中得到應(yīng)用。通過該項(xiàng)目的應(yīng)用，還建立起多腔體鋼板組合剪力墻的自動化生產(chǎn)線，在推廣和應(yīng)用該體系的同時(shí)，提高了生產(chǎn)和制作技術(shù)水平。3新型框架-核心筒體系建筑新型框架-核心筒體系采用熱軋H形鋼對扣承插拼接新型十字形鋼柱構(gòu)件，該類構(gòu)件具有兩個(gè)特點(diǎn)：一是提高了熱軋型鋼在建筑工程中的應(yīng)用比例；二是大幅度降低了鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制作與安裝成本。針對當(dāng)前梁柱節(jié)點(diǎn)存在的連接困難、裝配效率低等問題，開發(fā)出新型楔形剛性連接節(jié)點(diǎn)，具有施工方便、抗震性能優(yōu)良，可以大幅度加快施工速度。對于圍護(hù)體系，研發(fā)出適用于裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的裝配式組合空腔樓蓋體系，不但解決了傳統(tǒng)樓蓋二次現(xiàn)澆問題，同時(shí)解決了鋼結(jié)構(gòu)梁防火長效性問題，實(shí)現(xiàn)了樓蓋體系的完全裝配化。4鋼管混凝土組合異形柱框架結(jié)構(gòu)體系建筑4.1鋼管混凝土組合異形柱框架結(jié)構(gòu)體系組成天津大學(xué)將異形柱與鋼管混凝土柱的優(yōu)勢相結(jié)合，提出鋼管混凝土異形柱體系。這種結(jié)構(gòu)體系不僅具有鋼管混凝土柱承載力高、抗震性能優(yōu)異、延性好和抗火性能好的優(yōu)點(diǎn)，還具有異形柱截面形式多變、結(jié)構(gòu)布置簡便和易隱藏于墻體內(nèi)等特點(diǎn)。將住宅結(jié)構(gòu)中的鋼管混凝土(concrete-filledsteeltube,CFST)柱構(gòu)件設(shè)計(jì)為L形、T形或十字形等異形截面，可以分別作為結(jié)構(gòu)的角柱、邊柱和中柱，不僅能將結(jié)構(gòu)柱隱藏于墻內(nèi)，避免了傳統(tǒng)方、矩形鋼管混凝土的“凸梁露柱”的問題，而且可以節(jié)省室內(nèi)空間，有利于家具的擺放。4.2鋼管混凝土組合異形柱框架結(jié)構(gòu)體系研究天津大學(xué)已經(jīng)對鋼管混凝土組合異形柱框架結(jié)構(gòu)開展了一系列深入研究，包括對CFST柱的軸壓、壓彎與擬靜力性能的研究；對高層鋼管混凝土組合異形柱框架-雙鋼板組合剪力墻抗震性能的研究；對方鋼管混凝土組合異形柱框架-偏心支撐結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究；對墩頭錨固預(yù)制樓板及連接件力學(xué)性能以及裝配式復(fù)合墻板抗風(fēng)及抗震性能的研究。通過上述一系列研究，為該體系的工程應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的理論支撐和依據(jù)。4.3鋼管混凝土組合異形柱框架結(jié)構(gòu)體系工程應(yīng)用鋼管混凝土組合異形柱框架結(jié)構(gòu)體系已在我國多個(gè)項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用，包括汶川映秀漁子溪村重建項(xiàng)目、北京莊子營別墅項(xiàng)目以及滄州市公共租賃住房項(xiàng)目、天津市聯(lián)合研究院示范樓項(xiàng)目等，這些項(xiàng)目的推廣為該體系的進(jìn)一步應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。5結(jié)論與展望基于“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“新型框架鋼結(jié)構(gòu)體系建筑產(chǎn)業(yè)化技術(shù)與示范”,針對當(dāng)前我國裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中存在的問題和不足，東南大學(xué)、浙江東南網(wǎng)架股份有限公司、北京津西賽博思建筑設(shè)計(jì)有限公司以及天津大學(xué)等高校和企業(yè)研究并提出多腔柱鋼框架-支撐、多腔體框架-鋼板組合剪力墻、新型框架-核心筒以及鋼管混凝土組合異形柱框架結(jié)構(gòu)等體系建筑，并對新體系建筑中的關(guān)鍵技術(shù)展開了深入研究，提高了我國裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的技術(shù)和應(yīng)