裝配式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計實例分析

李 斌

臨沂市建筑設(shè)計研究院有限責任公司 山東 臨沂 276000

1 概述

裝配式建筑是指結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、外圍護系統(tǒng)、設(shè)備與管線系統(tǒng)、內(nèi)裝系統(tǒng)的主要部分采用預制部品部件集成的建筑。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑是指建筑的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由鋼部（構(gòu)）件構(gòu)成的裝配式建筑。相對于普通的混凝土結(jié)構(gòu)，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑自重較輕、綠色環(huán)保，是一種非常好的結(jié)構(gòu)形式，但外墻體系與傳統(tǒng)建筑存在差別，較為復雜，防火和防腐問題也需要引起重視。

2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)選型

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在方案設(shè)計時需要預先選擇結(jié)構(gòu)形式，目前常用的結(jié)構(gòu)形式有以下幾種：

1） 框架結(jié)構(gòu)。此類結(jié)構(gòu)形式計算方便，施工也相對容易，但抗側(cè)力體系剛度相對弱一些，在高烈度地區(qū)，地震荷載計算下的位置不容易控制，梁柱截面可能會大一些。

2） 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。此類結(jié)構(gòu)多采用鋼管混凝土柱、型鋼梁作為主要受力構(gòu)件。這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點是抗側(cè)力體系剛度較純鋼框架大，鋼柱的用鋼量要小一些，但由于柱內(nèi)要填充混凝土，對施工質(zhì)量的要求相對較高。

3） 框架支撐結(jié)構(gòu)，可采用普通型鋼支撐或者屈曲約束支撐（BRB）。這種結(jié)構(gòu)形式對位移的控制更嚴，因而能夠更好的控制內(nèi)外墻板在風荷載和地震荷載下的變形。但由于加支撐的位置會影響建筑要求，在選擇的時候會受到一定的限制。

4） 采用減隔震技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)配合減隔震裝置使用，可更好的控制地震荷載的影響，在今后也是裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑應用的一個方向。

3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的常見問題及對策

1） 抗震等級及地震加速度的選取。裝配式鋼結(jié)構(gòu)主要應用于學校、醫(yī)院等公共建筑，而此類建筑中根據(jù)規(guī)范要求屬于重點設(shè)防類的，其抗震等級應按比本地區(qū)提高一度的抗震設(shè)防烈度選取。同時，對于學校、醫(yī)院建筑，國家也有相關(guān)文件明確要求，其設(shè)計基本地震加速度應按比本地區(qū)提高半度的要求選取。對于同屬于教育建筑的大學建筑，根據(jù)規(guī)范理解，其抗震等級仍可按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度選取抗震等級，但其地震加速度的選取仍應按文件要求的比本地區(qū)提高半度的要求選取。

2） 設(shè)計規(guī)范的選用。不同規(guī)范的要求可能不同，設(shè)計時要注意規(guī)范指標的選中。如根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，多高層鋼結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值為1/250，但根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》的要求，鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值為1/300。同理，采用減隔震設(shè)備的結(jié)構(gòu)也需滿足減隔震規(guī)范的要求。

3） 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的細節(jié)問題。由于裝配式鋼結(jié)構(gòu)項目的梁柱節(jié)點等部件大多數(shù)都是工廠加工后現(xiàn)場安裝，其對設(shè)計細節(jié)的要求就更加嚴格。

下面舉一個簡單的例子，圖1所示的外包柱腳是鋼結(jié)構(gòu)中的常用形式，在短柱縱筋的頂部通長都設(shè)有彎鉤，為了節(jié)省造價，此短柱截面通長不會做的過大?，F(xiàn)場安裝的時候會先澆筑基礎(chǔ)混凝土及預埋短柱縱筋，若柱腳底板比短柱略小，這時就可能產(chǎn)生柱腳安裝不進鋼筋籠的問題，又由于短柱縱筋一般直徑較大，想將縱筋扳一個角度再放鋼柱腳也非常困難。

圖1 外包式柱腳詳圖

4） 使用鋼筋桁架樓承板時鋼梁的結(jié)構(gòu)標高問題。裝配式鋼結(jié)構(gòu)往往選用鋼筋桁架樓承板作為結(jié)構(gòu)樓板，不同板厚的兩塊板在拼板處的鋼梁需要考慮板頂標高的問題。

5） 鋼管混凝土柱材料及施工要求。鋼管混凝土柱內(nèi)的混凝土宜采用自密實混凝土，應在鋼管壁適當位置留有足夠的排氣孔。若有異常，可采用超聲波對混凝土進行檢測。對澆筑不密實的部位，可采用鉆孔壓漿法進行補強，然后將鉆孔進行補焊封固。

6） 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的建筑外立面宜規(guī)則、平直，盡量減少曲線弧面，以減小外墻板安裝及拼接的難度，也有利于建筑防水做法。

4 墻板的選用及節(jié)點要求

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑經(jīng)常選用蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土板(ALC板)或類似產(chǎn)品作為建筑的內(nèi)外墻板。ALC板作為填充墻用于外墻時包括內(nèi)嵌和外掛的形式。

ALC板作為圍護墻體使用，是以兩端與主體結(jié)構(gòu)簡支連接參與工作。墻板兩端采用U型卡、直角鋼件法或?qū)Ｓ眠B接件與螺栓等形式與主體結(jié)構(gòu)連接。應該注意的是內(nèi)外墻墻板與主體結(jié)構(gòu)的連接方式是不一樣的，外墻不能簡單地以U型卡的方式連接。

當單層條板隔墻采取接板安裝且在限高以內(nèi)時，豎向接板不宜超過一次，且相鄰條板接頭位置應至少錯開300mm。條板對接部位應設(shè)置連接件或定位鋼卡，做好定位、加固和防裂處理。

墻板門窗洞口需要采用角鋼、扁鋼等方式加強。加強角鋼或扁鋼兩端與鋼梁需做有效連接。外墻門窗洞口的加強角鋼或扁鋼及兩端的連接焊縫等需做風荷載下的承載力驗算。

5 實例分析

本工程為一地上五層的高校教育建筑，結(jié)構(gòu)形式采用鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計基本地震加速度為8度(0.20g)，調(diào)整后的設(shè)計基本地震加速度為8度(0.30g)，設(shè)計地震分組為第二組，場地類別為II類，結(jié)構(gòu)抗震等級按8度區(qū)的要求取為二級。本工程采用獨立基礎(chǔ)。柱腳采用外包式剛接柱腳，在正負零位置設(shè)有鋼筋混凝土地梁層。本工程的建筑平面如圖2所示。

圖2 建筑平面圖

本工程結(jié)構(gòu)柱為方形和圓形鋼管混凝土柱，鋼梁主要采用H型鋼梁，板采用鋼筋桁架樓承板。鋼結(jié)構(gòu)材料為Q345B，柱內(nèi)填充C40自密實混凝土，板、基礎(chǔ)混凝土強度等級為C30。

在結(jié)構(gòu)選型的時候，曾對本工程進行過三種結(jié)構(gòu)形式的試算，現(xiàn)比較分析如下：

表1 結(jié)構(gòu)選型分析

從表1數(shù)據(jù)可以得知，鋼結(jié)構(gòu)框架結(jié)構(gòu)的柱截面和壁厚及用鋼量最大，位移指標也較大。鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)和鋼框架-偏心支撐結(jié)構(gòu)造價及位移指標比較接近，但考慮到建筑要求，最后選擇鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)論及展望

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑在結(jié)構(gòu)選型時，應結(jié)合建筑要求，選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，并正確選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，應重視鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點的細部構(gòu)造及內(nèi)外墻墻板的節(jié)點設(shè)計。隨著裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的應用發(fā)展，在高烈度地區(qū)，裝配式鋼結(jié)構(gòu)與減隔震技術(shù)的結(jié)合應用也將成為一個新的方向。