(低层独栋及联排别墅案例)一体化装配式钢结构.docx

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1、(案例分析)一体化装配式钢结构钢结构重量轻、塑性韧性好，具有较好的抗震性能，且对于空间的布置较为 灵活。与钢筋混凝土结构相比，钢结构室内使用面积增大。装配式结构节约资源, 减少施工现场的环境污染，如噪音、粉尘等。且现场施工工作量少、施工速度快, 受环境尤其是冬季施工的影响较小，质量稳定。装配式钢结构建筑汇集了上述两 种结构的优点，且可以重复利用，符合绿色环保的发展理念。我国钢铁产能过剩，传统的住宅建造模式对环境的破坏较大，装配式钢结构 住房可以较好地解决这些问题。2016年2月国务院下发了关于进一步加强城 市规划建设管理工作的若干意见，重点提到发展新型建造方式、大力推广装配 式建筑，后续国家颁

2、布了十余个文件推动装配式建筑的发展。因此，我国的装配 式钢结构建筑拥有极大的发展优势，具有良好的应用前景。一、装配式钢结构建筑的发展历程1、国外发展历程受工业革命以及二战影响，西方发达国家及亚洲的日本等国家的住房需求量 增大。由此，生产速度快、所需劳动力少且质量较为稳定的装配式钢结构建筑进 入了人们的视野，装配式钢结构住宅得到了较好的发展。目前已经具有十分成熟 的体系：如美国COnXteCh钢框架体系、英国MOdUIar结构体系、意大禾IJBSAIS 工业化建筑体系等。美国、英国及意大利的冷弯薄壁型钢结构住宅主流体系有：(1)美国较为广泛采用的体系有CTLS体系、DBS体系以及Conxtech

3、体系。 其中CTLS体系为板框式结构，立柱、梁、支撑等结构构件均采用C形冷弯薄 壁型钢，用钢量较节省，适用于14层建筑结构；DBS体系构件采用开孔专利 技术，方便水、电、气等管线布置，结构自重轻，适用于46层建筑结构，在非 地震区最高可以用到12层；Conxtech体系为纯钢框架结构，其梁柱连接具有白 锁功能，构造简单、安装方便、节省材料、造价较低，适用于1215层建筑结 构。(2)英国较为广泛采用的体系有STlC体系、PANEL体系、ModUIar体系 以及CaSSette体系。STlC体系中，所有的杆件按设计尺寸切割，采用螺栓或自 攻螺钉现场连接。PANEL体系中带骨架的墙板、屋面板及屋架

4、都在工厂内用专 用的模具加工成型。MOdUlar体系以房间为模块预制单位，在工厂加工后运至现 场，是完整的房间构建单元。CaSSette体系的构件模块化能进行快速的生产，克 服了传统细长墙面立柱的稳定性问题，无需支撑便能合理地抵抗风荷载产生的剪 力。(3)意大利主要采用BSAIS结构体系，该体系适用于18层钢结构住宅， 柱子采用H形钢，主梁采用大断面冷弯型钢，支撑采用角钢，梁柱通过高强螺 栓连接。楼板为带凹痕的压型钢板。外墙板采用双层墙板体系，内隔墙采用轻钢 龙骨石膏玻璃棉，其结构受力合理、抗震性能好、施工速度快、居住办公舒适方 便，在欧洲、非洲、中东等地区应用较广泛。2、国内发展历程我国的装

5、配式钢结构建筑起步较晚。自20世纪50年代起,在政府的鼓励下, 我国的装配式建筑开始起步。在1956年国务院发布的关于加强和发展建筑工 业的决定中，明确指出了“建筑工业化是建筑业的发展方向九当时工厂生产的 装配式构件主要是预制板，其他构件生产较少，但这是我国装配式建筑发展的一 个良好开端。20世纪80年代中期，装配式钢结构逐渐进入人们的视野，开始有 所发展。但到了 20世纪90年代，受设计和施工水平限制以及大量农民工涌入城 市等因素影响，钢筋混凝土结构成为主流，装配式建筑整体发展停滞不前。直至 1999年，国家发布了关于推进住宅产业现代化，提高住宅质量的若干意见， 其中明确指出了“加快住宅建设

6、从粗放型向集约型转变，推进住宅产业现代化， 提高住宅质量，“积极开发和推广使用轻钢框架结构及其配套的装配式板材工 由此，我国装配式钢结构建筑开始了新的探索发展阶段。450 L2016 年 2017 年2018 年2019 年a) 20162019年新开工建筑面积OooO 5 3 1(CE 9x )、生M塔删钢结构混凝土结构木结构 其他结构b) 2019年各种装配式结构的比例图1我国装配式建筑的发展概况二、装配式钢结构体系的研究现状及应用目前主要的装配式钢结构体系有以下种：装配式钢框架结构体系；钢框 架-支撑结构体系；钢框架-钢板剪力墙结构体系；钢框架-核心筒结构体系；模块 化建筑结构体系；方钢

7、管混凝土组合异形柱结构体系；隐式框架-支撑(钢板墙) 钢结构体系；钢管束组合剪力墙结构体系；多腔体钢板组合剪力墙结构体系；交 错桁架结构体系和冷弯薄壁型钢结构体系。1、装配式钢框架结构体系装配式钢框架结构体系是指采用型钢梁柱、预制楼板或叠合板、预制墙体和 楼盖组成的框架结构，具有空间布置灵活、塑性韧性好、抗震性能优异等优点， 但其抗侧刚度较小，一般适用于6层以下的多层建筑。梁柱连接一般为刚性或半 刚性节点。常用的外墙板主要有蒸压轻质加气混凝土( autoclaved lightweight concrete, ALC)墙板、预制现场装配式轻钢龙骨复合墙板以及预应力混凝土夹 芯复合墙板，其中AL

8、C板具有轻质高强、保温隔声性好、施工方便、耐火持久、 渗透能力强等特点，在装配式建筑中已得到广泛使用2。楼板主要有压型钢板 组合楼板、钢筋桁架楼承板、混凝土叠合楼板以及PK预应力叠合楼板，其中钢 筋桁架楼承板受力合理、整体性能较好、施工速度快、应用范围广；PK叠合板 采用带肋薄板构件，轻质高强、承载能力及抗裂性能好，运输和安装便捷。不少学者针对装配式钢框架结构体系开展了研究，主要集中在柱脚构造、梁 柱连接构造、墙体类型等。为减轻传统钢框架在强震作用下的损伤与破坏，有的 提出了一种具有自复位柱脚的装配式摇摆钢框架结构，如图2所示。该结构主要 由钢柱、中间梁段、短梁段、自复位柱脚和金属耗能梁柱节点

9、组成，利用梁端转 动时短梁段与长梁段之间的间隙的张开与闭合引起金属阻尼器发生拉压塑性变 形来耗能。研究表明，该结构具有较好的自复位性能和耗能性能，有效实现了消 能构件地震损伤可更换以及结构功能可恢复的设计目标。有的提出了一种可变梁 高的装配式梁柱节点，如图3所示。该类节点主要由梁、柱、T形件以及L形件 4部分组成，可以根据一定范围内梁高的变化对梁下翼缘连接件的位置进行适当 调整，方便施工。研究表明，该节点具有较大的初始刚度及承载力，具有良好的 抗震性能。图2装配式摇摆钢框架构造c）带椭圆孔的L形连接件d）切除部分上翼缘的钢梁图3 可变梁高装配式梁柱节点美国提出的COnX体系，其梁霜连接组件是一

10、种套板拼装连接，分为ConXL与COnXR两种形式。COnXL连接的基本构造形式如图4所示，其组装过程如图 5所示。连接节点的套板为T形，在梁柱拼装时，将梁端套板插入由两个柱面套 板组成的空间内，使钢梁从上往下就位，并使用高强螺栓紧固。有人对ConXL 节点进行了改进，根据国内的钢结构设计规范对节点的螺栓间距、位置以及连接 板的构造进行重新设计和布置，改进后的装配式节点如图6所示。研究表明，该 节点的破坏发生在梁端削弱处，符合“强柱弱梁，“强节点弱构件”的设计理念， 具有良好的抗震性能。图4 ConXL连接的基本构造图5 ConXL节点的组装过程一柱面中套板一柱面下套板一方钢管柱一柱面上套板梁

11、端腹板一连接板梁端 上翼缘 套板b）梁端翼缘套板组件C）梁柱组件拼接梁端T下翼缘一 套板d）梁柱节点图6新型装配式节点构造有人提出了一种适用于装配式钢结构的带Z字形悬臂梁段拼接的梁柱节点, 节点装配过程如图7所示。研究表明，该节点装配便捷且具有良好的滞回性能、 耗能能力、延性性能。专家分析了蒸压加气混凝土（ALe）墙板以及轻钢龙骨纸 面石膏板填充墙（LSF干式墙）对装配式钢框架的滞回性能、刚度退化以及耗能 能力的影响。研究表明，ALC墙板可延缓钢框架的失效，并提高钢框架的初始 刚度、峰值荷载以及耗能能力，而LSF干式墙板对钢框架力学性能的影响不明 显。专家提出了一种震后可恢复功能装配式预应力钢

12、框架体系及一种采用螺栓腹 板摩擦装置（PSC连接）的震后可恢复功能装配式钢框架节点，如图8所示。该 结构体系通过高强螺栓耗能，在节点内置钢绞线的预应力作用下自动复位。研究 表明：该框架结构具有良好的开口闭合机制，能够在地震后自动复位并恢复结构 功能，设计合理的节点传力性能良好。带外伸式下翼缘Z字形图7带Z字形悬臂梁段拼接的梁柱节点装配示意图图8震后恢复功能装配式预应力钢框架体系装配式钢框架结构体系具有较广泛的工程应用，例如山东省装配式建筑示范 工程文昌嘉苑项目，总建筑面积为69万皿，其中17#楼主体结构采用装配 式钢框架结构，楼板采用PK预制板，外墙板及内墙板均采用ALC板；该设计 采用了一体

13、化的集成设计，即预制构件设计、建筑设计、室内设计是相互配合同 步推进的，这在一定程度上减少了作业量。2、钢框架-支撑结构体系钢框架-支撑结构体系是在钢框架结构体系的基础上在框架上设置支撑结 构，形成共同工作的双重抗侧力结构体系。与纯钢框架相比，该结构抗侧刚度更 大，抗震性能更优。中心支撑的水平刚度较大，构造简单；但中心支撑的设置不利于门窗洞口的 开设，且该结构在地震后易发生侧向屈曲，导致结构体系无法继续正常工作。偏 心支撑在中心支撑基础上增加了耗能梁段，抗震性能更优；但其构造复杂，大震 后耗能梁的屈服会导致楼板破坏，支撑体系会出现变形，耗能能力有限。防屈曲 支撑是一种新型耗能支撑，在普通支撑的

14、外围加入约束套筒，从而防止支撑在受 压过程中发生屈曲；防屈曲支撑在地震作用下有着较好的稳定性能及优越的耗能 能力、抗震性能。专家对一种新型分层装配式支撑钢结构体系进行了改进和研究。如图9所 示，该体系的梁柱连接采用梁贯通式全螺栓端板节点，即在梁柱节点处保持梁通 长、柱分层，通过螺栓将柱子端板与梁翼缘直接连接。该体系工业化程度高、技 术集成度高、设计便捷、品质稳定、施工周期短，同时还具有耐久、保温、隔热、 防火、隔音、防潮等特点。但不满足“强柱弱梁”的设计理念，最终表现为层破坏 机制，故仅适用于普通低层多层住宅领域。专家为探究分层装配支撑钢框架体系 在真实地震动作用下的响应，进行了振动台试验研究

15、。结果表明，分层装配支撑 钢框架体系应用于低多层建筑时具有优良的抗震性能与震后可恢复性。图9新型分层装配式结构梁柱节点示意图钢框架-支撑结构体系具有较多的工程应用，位于县的“T30A塔式酒店”即采 用了装配式斜支撑节点钢结构框架体系，如图10所示。该建筑共30层，建筑面 积共1.7万皿。主体结构施工仅用15do整栋建筑被划分为若干块空间模块，墙 体、门窗、电气、空调、照明、给排水等工程均在工厂中制造完成，随后运输至 施工现场进行吊装。对“T30A塔式酒店”的综合性能进行了分析，建立了装配式 建筑可持续发展的评价模型，结果表明该建筑在装配式建筑中处于中上游水平， 但存在成本较高的问题。图10 T

16、30A塔式酒店现场施工三、一体化装配式钢结构随着目前装配式建筑相关政策的不断发布，各地逐步展开了较大规模的装配 式建筑实践。但总体上来说，装配式混凝土结构建筑居多，而装配式钢结构建筑 尤其是住宅，其主体结构部分以外的工业化围护系统、非结构部品件及内装系统 与钢结构主体的一体化集成技术，还有待进一步完善与提高。在此方面，日本积水住宅株式会社（SEKlSUIHOUSE,以下简称积水）在 全世界范围内开发了大量低层独栋及联排别墅，均采用一体化装配式钢结构体 系，通过先进环保的材料、精心细致的“以人为本”理念，打造安心、安全、健 康、舒适的居住环境，对我国加快装配式钢结构建筑及产业链系统的完善性与先 进性有很大的参考学习意义。项目位于