綠色裝配式鋼結構研究現(xiàn)狀與展望

師廣財

銅陵有色設計研究院，浙江 銅陵 244000

1 引言

當下，我國建筑業(yè)每年會產(chǎn)生近15億t的建筑垃圾，其中能二次利用的建筑垃圾占比不足5%，這些不能回收利用的建筑垃圾對環(huán)境造成了極大的危害。此外，世界鋼鐵協(xié)會的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示我國的鋼材產(chǎn)量在2016年就已經(jīng)占據(jù)全世界鋼材產(chǎn)量的49.6%，但我國鋼結構建筑的總面積占比卻不足5%，國外歐美等發(fā)達國家這一比例早已經(jīng)超過40%。

綠色裝配式鋼結構是將工廠內加工生產(chǎn)好的預制構件運送至施工現(xiàn)場直接通過高強度螺栓連接裝配成的整體結構，其具備施工周期短、能耗低、工廠化生產(chǎn)等優(yōu)勢。李克強總理在2016年9月14日主持召開了國務院常務會議，會議認為大力發(fā)展鋼結構、混凝土等裝配式建筑，具有發(fā)展節(jié)能環(huán)保新產(chǎn)業(yè)、提高建筑安全水平、推動化解過剩產(chǎn)能等一舉多得之效［1］。因此，推廣綠色裝配式結構是我國實現(xiàn)從建筑產(chǎn)業(yè)大國向建筑產(chǎn)業(yè)強國轉型的關鍵一步。

2 研究現(xiàn)狀

當前，國內外學者對綠色裝配式鋼結構的研究成果主要集中于對其整體抗震性能、結構力學性能（連接節(jié)點、框架梁、三板體系等）方面的研究，主要進展如下。

2.1 整體抗震性能

綠色裝配式鋼結構是近年來提出的新型結構形式，目前的研究主要集中于數(shù)值模擬及模型試驗兩個方面。

在數(shù)值模擬方面，劉學春等［2］運用有限元軟件對遠大S30酒店的結構體系進行受力分析，結果表明該結構體系的側向剛度較大，但延性較差，破壞模式符合“強柱弱梁”的抗震原則。王化杰等［3］通過有限元軟件分析了不同構造措施對結構抗側剛度的影響，結果表明側向輔助拉索對結構側向剛度貢獻更加明顯。

在模型試驗方面，伍云天等［4］對兩個大比例鋼梁-預制混凝土柱-基礎組合框架子結構試件進行了低周往復加載試驗，研究結果表明合理設計后的裝配式鋼梁-預制柱組合框架結構在強度、側移延性和屈服后變形能力等方面均能滿足抗震要求。劉學春等［5］通過對不同斜支撐布置和構件截面尺寸框架進行受力性能對比后發(fā)現(xiàn)該體系的破壞模式符合“強柱弱梁”的抗震原則，結構抗側剛度較大，但延性較差。

2.2 連接節(jié)點力學性能

在梁柱連接節(jié)點方面，為實現(xiàn)快速化和綠色化施工，全螺栓常被用于連接裝配式鋼結構的梁柱節(jié)點，其與傳統(tǒng)的焊接相比具備更佳的延性。張愛林等［6］的研究成果顯示裝配式斜支撐節(jié)點鋼框架具備較佳的延性和水平荷載抵抗能力。劉學春、徐阿新［7］提出了一種全新的裝配式鋼結構連接節(jié)點，并采用有限元與試驗相結合的方法對其極限承載能力和抗彎剛度進行分析，結果表明該節(jié)點的轉動剛度較大，極限承載能力高。郭志鵬等［8］采用有限元與試驗相結合的方法分析了螺栓孔徑大小等參數(shù)對Z字形裝配式鋼結構連接節(jié)點抗震性能的影響。

鋼管柱間通常通過法蘭試件來進行連接，法蘭試件的受力性能直接關系到連接可靠性，是學者們研究的熱點。劉學春等［9］研究了多種組合變形條件下法蘭連接試件的受力特性，獲得了法蘭厚度、螺栓邊緣距離等參數(shù)對試件力學性能的影響規(guī)律，在此基礎上提出了屈服承載力的計算公式。王鶴翔［10］對11個方鋼管柱與柱座法蘭連接的受力性能進行了有限元分析，獲得了連接節(jié)點的力學性能與法蘭厚度、螺栓邊緣距離、螺栓孔直徑等參數(shù)之間的關系。

2.3 框架梁力學性能

桁架梁和組合梁是兩種最常見的框架梁結構形式。桁架梁的優(yōu)勢是能夠提高建筑物的層高，組合梁的優(yōu)勢是可以充分利用構件截面多樣性的特點。目前國內外學者對桁架梁的研究主要集中于對其整體及局部穩(wěn)定性的分析，對組合梁的研究更多體現(xiàn)在構件的等效簡化計算。

倪真［11］采用有限元分析與試驗相結合的手段研究了桁架梁的跨度、平面鋼度內及弦桿尺寸等參數(shù)對桁架梁力學性能的影響。張愛林等［12］對雙槽鋼組合截面梁的整體穩(wěn)定性進行了試驗研究，得出了不同荷載類型下的彈塑性穩(wěn)定系數(shù)計算公式。

2.4 三板體系受力性能

在外墻板方面，國內外學者的研究主要集中于對外掛墻板與框架連接處性能及方式的改良，實現(xiàn)改良后的結構與裝配式高層鋼結構整體體系的融合；在裝配式樓板方面，現(xiàn)有的研究主要分析了樓板模塊的連接方式對樓板整體性能的影響規(guī)律。

胡婷婷［13］對比總結了市場上存在的裝配式鋼結構體系住宅配套外墻產(chǎn)品，提出了外墻板的材料選取原則和節(jié)點連接要求。趙越［14］的研究成果表明在疊合板中使用發(fā)泡水泥幾乎不會提高其截面鋼度，故而在樓板設計時可忽略發(fā)泡水泥預制層的影響。劉學春等［15］提出了兩種新型節(jié)點用于外掛墻板與框架的連接并開展了相關試驗研究，結果表明外墻板與框架結構整體兼具良好的保溫性能和抗震性能。

3 結論與展望

推廣綠色裝配式鋼結構是解決我國環(huán)境污染、鋼材產(chǎn)量過剩的有效途徑。綠色裝配式鋼結構的未來發(fā)展應著重在以下幾個方面：

（1）鋼材的焊接及混凝土的澆筑工作應放在工廠內進行，施工現(xiàn)場利用全螺栓對鋼結構進行直接連接，減少現(xiàn)場濕作業(yè)，提高施工效率。

（2）將綠色的發(fā)展理念與鋼結構建筑相結合，使鋼結構建筑從規(guī)劃設計、工廠生產(chǎn)、現(xiàn)場施工、后期使用均能滿足綠色化和信息化的要求。

（3）現(xiàn)行的標準規(guī)范已然不能滿足綠色裝配式鋼結構的快速發(fā)展需求，企業(yè)和高校應在政府有關部門的指導下協(xié)同創(chuàng)新，深化產(chǎn)學研合作，完成對綠色裝配式鋼結構相關規(guī)范的編制。

（4）未來綠色裝配式鋼結構應在連接節(jié)點的材料、形式、設計方法方面實現(xiàn)創(chuàng)新，在保證安全的前提下提高其經(jīng)濟性。