三種裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅設計與軟件應用

楊悠子，常麗娟，楊廣劍，王 曦

（中國建筑科學研究院有限公司建研科技股份有限公司，北京 100013）

1 概述

近年來，國家大力推廣裝配式住宅建筑。裝配式鋼結(jié)構(gòu)從住宅產(chǎn)業(yè)化、環(huán)保、抗震防災、加速房屋建造周期等因素考慮，具有廣闊的市場和前景。本文將介紹3 種裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的結(jié)構(gòu)特點及設計方法等內(nèi)容，并介紹PKPM 的這3 種裝配式鋼結(jié)構(gòu)軟件的應用。3 種裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅分別為低層冷彎薄壁型鋼住宅、鋼管束剪力墻結(jié)構(gòu)住宅、組合鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)住宅。

2 低層冷彎薄壁型鋼住宅

低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)主要用于3 層及以下的城鎮(zhèn)住宅。房屋是全部由薄壁鋼材在現(xiàn)場組裝成的“盒子”式結(jié)構(gòu)。其主要組成系統(tǒng)包括墻體系統(tǒng)、樓蓋系統(tǒng)、屋蓋系統(tǒng)（見圖1）。

2.1 結(jié)構(gòu)特點

2.1.1 墻體系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)的墻體由墻體骨架、內(nèi)外墻板組成。墻體骨架由上、下導梁和立柱組成。立柱上、下分別插到上導梁和下導梁中。自攻螺釘連接著各構(gòu)件，如圖2所示。定向刨花板、紙面石膏板、水泥纖維板等為墻體骨架外包的常用面板。立柱和外包的墻體面板需要用自攻螺釘進行連接[1]。

2.1.2 樓蓋系統(tǒng)

樓蓋系統(tǒng)較為復雜，各種薄壁型鋼構(gòu)件組成其骨架。樓蓋系統(tǒng)骨架上覆樓面結(jié)構(gòu)板，同時支撐、加勁件、拉條等也必不可少，這些構(gòu)件之間通過自攻螺釘連接。梁外面一圈為邊梁，樓蓋的密梁兩端插在邊梁內(nèi)，同樣用自攻螺釘連接。板和梁之間用自攻螺釘連接，如圖3 所示。

2.1.3 屋蓋系統(tǒng)

桁架或斜梁是本結(jié)構(gòu)體系常見的屋面承重結(jié)構(gòu)。在屋架上弦需要設置屋面鋼拉帶或者選擇鋪設結(jié)構(gòu)板的方式。支撐和所有屋架的交點處應用自攻螺釘進行連接。屋脊處無集中荷載時，屋架的腹桿與弦桿可直接連接；有集中荷載時應通過連接板連接。

2.2 設計方法

低層冷彎薄壁型鋼住宅設計建模時立柱的間距一般為0.4 m～0.6 m，邊柱常采用雙柱或多柱，多柱用鋼拉帶連接，常見的構(gòu)件類型可選擇薄壁槽型構(gòu)件或者卷邊槽型構(gòu)件。樓蓋系統(tǒng)的設計較為特殊，在樓蓋梁上側(cè)布置樓面結(jié)構(gòu)板，常見用定向刨花板，也可用壓型鋼板上澆薄層混凝土。

低層冷彎薄壁型鋼住宅設計計算時，要分別計算建筑結(jié)構(gòu)的2 個主方向的水平荷載。水平風荷載需要按照荷載規(guī)范進行計算，地震荷載按照底部剪力法進行計算。每面墻承擔的水平荷載需按照墻體抗剪剛度的大小按比例進行分配。某方向的抗剪墻體承擔該方向的水平荷載，水平剪力產(chǎn)生的彎矩由墻的兩邊柱承擔，如圖4 所示。

邊柱軸力計算公式：

式中：N 為拉拔力，kN；PS為水平剪力，kN；h 為墻體高度，m；b 為一對抗拔連接件之間的墻體實際寬度，m。

承重墻體和抗剪墻體的立柱獨立承擔豎向荷載。

由于實際工程中存在門窗洞口，它們會削弱墻體的抗剪剛度，所以結(jié)構(gòu)計算時需要乘以相應的洞口折減系數(shù)。構(gòu)件的承載力按薄壁規(guī)范進行計算。

2.3 軟件介紹

PKPM 的V3.2 版本中正式推出了低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)設計軟件CSHCAD。該軟件可完成各種低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的模型建立、結(jié)構(gòu)分析、構(gòu)件設計、特殊墻板設計及材料統(tǒng)計等。

2.3.1 軟件截面庫

CSHCAD 軟件包含了低層冷彎薄壁型鋼住宅常用的截面形式，包括薄壁槽、薄壁卷邊槽鋼、薄壁槽鋼組合、薄壁角鋼、薄壁角鋼組合等。同時，軟件提供自定義截面功能，設計人員可根據(jù)需要自定義截面尺寸。

2.3.2 建模方式

1）交互建模

軟件三維空間結(jié)構(gòu)模型輸入界面（見圖5）。軟件提供傳統(tǒng)的交互建模方式，可完成任意模型的建立。

2）快速建模

低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的桿件截面小，間距近，桿件數(shù)量多。軟件針對這種結(jié)構(gòu)特點提供了2種快速建模方法。一種是直接導入標準戶型庫；另一種是針對墻柱等間隔且數(shù)量多的布置規(guī)律，提供快速布置整片墻的方法。

軟件內(nèi)部植入多個標準模型庫，供設計人員直接選擇載入并進行設計（見圖6）。

針對低層冷彎薄壁型鋼住宅“密柱密梁”的結(jié)構(gòu)特點，軟件提供了快速布墻、快速布梁、快速布置窗洞口功能，以此來提高建模的效率（見圖7）。

3）結(jié)構(gòu)分析功能

軟件對于豎向荷載采用一般空間桿系有限元方法分析。主要抗側(cè)力構(gòu)件為墻面，墻體設計遵循“冷彎薄壁規(guī)程”的相關要求。

軟件特別設計了適用于低層冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的墻板類型選擇框（見圖8）。除規(guī)程中提到的3種常用墻板類型外，軟件提供自定義墻板功能。采用自定義墻板時用戶只需要輸入墻板抗側(cè)移剛度及單位長度抗側(cè)承載力設計值即可。

4）計算結(jié)果

軟件可以輸出住宅整體計算書和各層信息計算書。整體計算書包含：設計依據(jù)、風荷載作用信息、地震荷載作用信息、墻板抗剪信息、材料統(tǒng)計信息。各層計算書包含：樓層信息、墻基本信息、柱單工況內(nèi)力、梁單工況內(nèi)力、柱構(gòu)件驗算結(jié)果、梁構(gòu)件驗算結(jié)果。

3 鋼管束剪力墻結(jié)構(gòu)住宅

3.1 結(jié)構(gòu)特點

鋼管束混凝土組合是由杭蕭鋼構(gòu)股份有限公司自主研發(fā)的新型鋼結(jié)構(gòu)住宅體系。

鋼管束混凝土剪力墻是由中間部分的方矩形鋼管和多個U 型鋼組成，它們是在工廠進行拼接組裝而形成的多個豎向空腔的結(jié)構(gòu)單元。

在施工現(xiàn)場將混凝土灌注到鋼管束內(nèi)，從而形成了鋼管束混凝土組合剪力墻，如圖9 所示。鋼管束剪力墻不僅是主要承重構(gòu)件，還是抗側(cè)力構(gòu)件。鋼管束分段長度可達3 層，可同時多層澆筑混凝土，實現(xiàn)立體交叉作業(yè)。大大縮短建造周期。

鋼管束剪力墻結(jié)構(gòu)的柱、樓板、屋面與普通混凝土結(jié)構(gòu)相同。

3.2 軟件應用

PKPM 鋼管束混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)設計軟件為杭蕭鋼構(gòu)的定制軟件。軟件按PKPM 主程序所執(zhí)行的現(xiàn)行國家、行業(yè)標準規(guī)范及杭蕭鋼構(gòu)提供的企業(yè)標準《鋼管束混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)定》QB/HX 109—2015 進行研發(fā)[2-3]。

3.2.1 建模方式

軟件整體建模采用PMSAP 建模方式，即采用層建模形式，與普通混凝土結(jié)構(gòu)三維建模方式相同，此處不再贅述。但是，鋼管束混凝土剪力墻與普通剪力墻操作不同，SETWE 中新加“鋼管束”剪力墻布置功能，在布置構(gòu)件菜單下選擇“鋼墻板”中的“鋼管束墻”，可在模型中布置鋼管束混凝土剪力墻（見圖10）。

軟件可布置一字型墻肢，其他形式（T 型、一字型、工字型等）可用一字型組合（見圖11）。

3.2.2 結(jié)構(gòu)分析

軟件采用SATWE 程序進行結(jié)構(gòu)整體分析與設計。分析方法及相關內(nèi)力調(diào)整等同剪力墻結(jié)構(gòu)，同樣執(zhí)行現(xiàn)行國家及行業(yè)標準規(guī)范相關部分的要求，并給出分析結(jié)果與總體指標。

墻肢按杭蕭鋼構(gòu)技術(shù)文件驗算承載力。結(jié)果包含圖形文件、文本文件。所有混凝土剪力墻的輸出圖形文件和文本信息包括用鋼量統(tǒng)計信息、軸壓比、墻體設計結(jié)果。

3.2.3 連接節(jié)點設計

連接節(jié)點采用連接設計工具完成節(jié)點設計。提供連接設計計算書，不提供施工圖功能。

4 組合鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)住宅

4.1 結(jié)構(gòu)特點

外包鋼板、內(nèi)填混凝土及若干栓釘共同組成鋼板混凝土組合剪力墻。外包鋼板和內(nèi)填混凝土之間通過栓釘進行連接，如圖12 所示。

如果把這類墻體和鋼筋混凝土剪力墻進行比較，相同尺寸下，鋼板混凝土組合剪力墻憑借抗剪剛度大、延性好、極限承載力強等優(yōu)勢，克服了純鋼板剪力墻剛度小、穩(wěn)定性和防火性差、建成后維護成本高等弊病。

4.2 設計方法

組合鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)住宅設計應依據(jù)《鋼板剪力墻技術(shù)規(guī)程》JGJ/T 380—2015（以下稱為“規(guī)程”）。墻體承載力計算按規(guī)程第7 章方法進行驗算，即先計算出塑性中和軸高度，然后按規(guī)程中公式驗算墻肢的受彎承載力，如圖13 所示[4-5]。

4.3 軟件應用

軟件按PKPM 主程序所執(zhí)行的現(xiàn)行國家及行業(yè)標準規(guī)范進行設計。鋼板剪力墻面外穩(wěn)定驗算按照《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS 159：2004方法進行計算。

4.3.1 結(jié)構(gòu)建模

整體部分采用PMSAP 建模方式，即采用層建模形式，與普通混凝土結(jié)構(gòu)三維建模方式相同。

剪力墻部分與普通剪力墻操作不同，SETWE 中新加“鋼板剪力墻”布置功能，在布置構(gòu)件菜單下選擇“鋼墻板”中的“外包鋼板”，選擇布置位置，即可布置端鋼板與墻身鋼板厚度不相等的組合鋼板剪力墻。模型中的組合鋼板剪力墻會標記“外包”字樣（見圖 14）。

組合鋼板剪力墻布置對話框（見圖15），用戶需要輸入墻端鋼板厚度、墻身鋼板厚度及鋼板鋼號。

4.3.2 結(jié)構(gòu)分析

整體部分采用SATWE 程序進行結(jié)構(gòu)整體分析與設計。分析方法及相關內(nèi)力調(diào)整等同剪力墻結(jié)構(gòu)。

墻肢按《鋼板剪力墻技術(shù)規(guī)程》JGJ/T 380—2015 規(guī)定驗算承載力。鋼板剪力墻面外穩(wěn)定驗算按照《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS 159：2004方法進行計算[6]。

4.3.3 構(gòu)件設計與設計結(jié)果查看

結(jié)果包含圖形文件、文本文件。所有混凝土剪力墻的輸出圖形文件和文本信息包括用鋼量統(tǒng)計信息、軸壓比、墻體設計結(jié)果。

5 結(jié)語

3 種裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅除了具備普通鋼結(jié)構(gòu)住宅抗震性能好、重量輕等優(yōu)勢，專業(yè)工廠標準化生產(chǎn)構(gòu)件，構(gòu)件工業(yè)化生產(chǎn)和現(xiàn)場施工安裝同步開展，工程建造的工業(yè)化程度和施工速度大幅提高，作業(yè)速度快，受氣候條件影響小。預制構(gòu)件進場后，采用干作業(yè)方式施工，環(huán)境污染小，環(huán)保效益顯著。舊建筑拆除后材料的再回收和再利用率高于傳統(tǒng)混凝土建筑，實現(xiàn)建筑全壽命期的資源節(jié)約利用。

國內(nèi)針對這3 種結(jié)構(gòu)的專業(yè)設計軟件極少。導致多家冷彎薄壁型鋼住宅設計單位出現(xiàn)使用國外軟件設計工程，從而無法滿足國內(nèi)審圖部門要求的情況。PKPM 軟件遵循國內(nèi)專業(yè)設計人員使用習慣，嚴格執(zhí)行國內(nèi)設計標準，滿足裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑快速發(fā)展的需要，顯著提高了設計效率和質(zhì)量。