鋼-混凝土組合結構在裝配式建筑中的應用

魯春曉

華東建筑設計研究院有限公司安徽分公司 安徽 合肥 230088

1 型鋼混凝土施工的技術

1.1 在材料上選擇最為合適的型鋼材料

建筑的施工質量主要取決于施工的技術以及施工的材料，因此在型鋼混凝土施工的過程中，對原材料的選擇時，需要選擇強度和基本材料差不多的材料進行施工，首先需要確定施工材料的拉伸性，對拉伸性的要求需要保證在480MPa，其中的型鋼含量需要控制在0.46%～1.96%之間，在長度和寬度之間也有所限制，既不能過長也不能太短，需要根據(jù)施工場地的實際要求進行型鋼材料的選擇，另外，在型鋼材料進行攪拌之前，先確定好需要的質量長度，保證能夠很好地進行材料上的選擇，選擇質量性能最好的材料纖維，以此來保證型鋼的分散性特點。

1.2 嚴格對材料進行分配和分散裝置

型鋼混凝土的分配比例需要經過嚴格的設計，其混合的比例應當嚴格遵循原先的設計方案進行混合，但也需要根據(jù)施工現(xiàn)場的具體狀況進行分配試驗，選擇最為合適的分配比例?；炷僚c型鋼的均勻混合分配，在實際的施工之中有著重要的作用，也是需要嚴格遵循的施工環(huán)節(jié)。為了能夠有效地保障型鋼與混凝土在攪拌混合之前的均勻分散，在型鋼進入分散器之前需要分類堆放。此外機械設備需要保持功率在0.75～1.0kW，分散率最好的時速為20～60kg/min。

1.3 在攪拌的過程中需要對時間進行嚴格控制

混凝土與型鋼的攪拌時間要進行嚴格控制，在機械設備攪拌的過程中對混合的材料進行干燥的攪拌需要保持在1min以內，如果加入適當?shù)墓潭▌┗蛘邷p水劑的濕攪拌需要達到2min以上，以此來改善混合的材料，提升攪拌的質量，攪拌質量的提升對施工質量也有著明顯的影響，因此在攪拌的過程之中需要嚴格的控制攪拌的時間，在攪拌的過程之中要逐漸減少水泥的使用劑量，從而使施工質量得到全面提升。

1.4 根據(jù)施工場地進行施工設備的選擇

型鋼混凝土的攪拌設備主要分為兩種，一種是雙錐反轉出料攪拌機，另外一種是強制性攪拌機。在通常的施工情況中，低攪拌功能有利于增加攪拌機的使用時長，當纖維含量過高或者坍塌幅度較小的時候，可以適當選擇低能耗的攪拌功率進行混合攪拌，以避免攪拌機在混合過程中運載過量造成的機械消耗，以此來延長機械的使用壽命。

1.5 需要對運輸進行嚴格的把控

在型鋼混凝土的運輸過程中，需要考慮坍塌幅度、材料中含氣量以及混合物的飽和程度，以此來進行運輸上的選擇。在不同的環(huán)境因素、材料因素的影響下進行運輸方式上的選擇，在保證使用的條件下盡可能減少運輸?shù)木嚯x，以此來增加材料的出口量，以此防止運輸過程中出現(xiàn)重力的下沉，導致型鋼混凝土在攪拌中出現(xiàn)分布不均的情況，造成材料的特性和質量大幅度下降。選擇最為合適的運輸方式，一定程度上還能夠減少成本資金的投入[1]。

2 鋼管束組合結構體系

2.1 體系構成

①鋼管混凝土束組合結構剪力墻：鋼管束內部結構美觀，排列有序，施工方便，標準化、模塊化鋼管連接在一起，形成鋼管束，內部澆筑混凝土，如圖1所示。②H型鋼梁：高頻焊接H型鋼，普通焊接H型鋼或熱軋H型鋼。③裝配式鋼筋桁架樓承板：現(xiàn)場不需要支模，運輸方便，易安裝及拆卸。④輕質隔墻：輕質條板、加氣混凝土塊，以及其他輕質墻體。⑤建筑外裝飾面：輕質防火保溫板、輕質防火板、防腐層、防火保溫隔熱層、CCA板外墻裝飾面、外墻涂料等功能性綠色環(huán)保裝飾。

圖1 鋼管束剪力墻結構體系

2.2 主要功能

①優(yōu)良的抗震性能：鋼結構在地震烈度的作用下可以吸收更多的地震能量，具有良好的延性。目前抗震6級是標準，抗震8級已經在很多工程中應用。②縮短建設周期：有些鋼構件如汽車制造一樣，在工廠里是標準化和流線型加工的；在施工現(xiàn)場，可以同時建3層。建高樓層時，不會影響低樓層的施工，可以開始結構維修和裝修，可以像積木一樣直接組裝。流水作業(yè)沒有沖突，可以大大縮短工期。③優(yōu)化工程質量：鋼構件采用現(xiàn)代設備生產，毫米計算誤差，質量穩(wěn)定；施工時，鋼構件外露，使施工構件有形可見，隱蔽工程少。④節(jié)能：人工砌筑方式在施工現(xiàn)場消失，混凝土攪拌機和飛沙走石也在施工現(xiàn)場消失，減少了建筑垃圾和二氧化碳的排放；隔熱性能優(yōu)異（夏季涼爽）；結構體系與保溫材料的完美結合（冬季保暖）。⑤綠色環(huán)保：鋼構件可以實現(xiàn)從建造-拆除-回收-再加工-再建造的100%回收，低損耗循環(huán)利用；其中CCA板及整體灌漿墻的外墻體可作為變廢為寶的代表之一，通過將工業(yè)廢料尾礦砂等進行處理，使其作為原料進行澆灌，將原本該填埋的建筑垃圾變成建筑原材料，不含石棉，做到了真正的無毒無害；施工過程噪音小，不擾民；粉塵少，保護環(huán)境。⑥布局靈活：輕質隔墻，讓非承重墻體可隨意改變結構，“鋼管束”讓建筑結構告別“肥梁環(huán)柱”，DIY空間格局，隨心所欲。

2.3 綜合優(yōu)勢

鋼管束剪力墻結構體系相比于傳統(tǒng)鋼筋混凝土結構具有以下優(yōu)勢：延性好、抗震性能好；建筑垃圾少、粉塵少、噪音?。皇┕ぶ芷诙?，速度快，建設投資??；材料可回收利用，綠色環(huán)保，碳排放量小，施工安全、節(jié)水節(jié)電；工廠化制造、預制裝配標準化施工；承重結構少，空間大，布局靈活，房間利用率高；基坑工程量小，自重輕；很少或沒有模板。

2.4 工程應用實例

2.4.1 萬郡·大都城（內蒙古首席鋼結構住宅典范）總用地面積415.13畝（1畝=666.67平方米），26棟高層建筑，建筑面積近100萬m2。該項目采用鋼管束剪力墻組合結構體系，發(fā)揮了鋼結構制作工業(yè)化程度高、施工速度快的特點，可以實現(xiàn)住宅產品的設計標準化、生產工廠化、建筑裝配化、室內一體化和管理信息化。能夠滿足住宅建筑的各種使用性能要求，具有抗震性能好，得房率高，節(jié)能環(huán)保，空間布置靈活等優(yōu)勢。

2.4.2 中天杭蕭鋼結構預制建筑基地一期科研樓工程具有辦公、研發(fā)、住宿等配套功能。整棟樓11層，總建筑面積1.4萬m2。工程主體采用鋼框架和鋼管束組合結構體系，水平結構體系和內外墻均采用拼裝技術施工。項目擁有66%的裝配率，相當于裝配式建筑A級標準。項目建設可按3天一層的速度推進，較傳統(tǒng)建筑方式工期縮短60%，基礎部分造價節(jié)省10%[2]。

3 PEC預制裝配式組合結構體系

3.1 PEC結構概述

PEC結構是由部分外包鋼-混凝土組合結構的截面構成。混凝土填充在開口截面鋼構件的輪廓中，并且混凝土可按工程要求進行加固，如縱筋、箍筋、系桿、栓釘?shù)冉Y構構件。

歐洲規(guī)范中的部分填充組合構件為部分包裹組合（PEC）結構，主要由工字鋼翼緣之間填充混凝土形成（包括熱軋工字鋼和焊接工字鋼截面），同時工字鋼腹板配有抗剪件（Eurocode4，Table5.2）；也有外包組合構件作為梁，與鋼筋混凝土樓板、壓型鋼板混凝土組合樓板等形成復合型組合梁（Eurocode4，F(xiàn)igure6.1）。構件中配以箍筋和縱筋（Eurocode4，6.3.3）。這類構件可稱為“歐標截面”。20世紀90年代以后，出現(xiàn)了一種結構形式：免除了抗剪件、采用直線型系桿連接翼緣，可以稱其為“非標截面”（“加標截面”）。

3.2 PEC結構特點與優(yōu)勢

組合作用（約束作用）：PEC結構提高了鋼筋的局部穩(wěn)定性和抗壓強度，在一定程度上限制了混凝土的早期沉降?？深A制性、可裝配性。表面保護作用（防火防腐作用）。一定程度的輕量化：分別相對純鋼或純混凝土。

此外，建筑內部裝修對鋼梁腹部的填充，為部分填充組合梁的利用提供了可能性。

3.3 工程應用實例

3.3.1 紹興市行政中心配套住宅（國內首棟PEC框架結構），項目總建筑面積34.1萬m2。其中8個是由BIM、智能和現(xiàn)場組裝集成系統(tǒng)和組件組成的優(yōu)質住宅建筑組件。該項目符合AA級裝配式建筑標準，裝配率為76%。鋼結構裝配式住宅集成技術體系以PEC鋼-混凝土組合結構體系為核心，通過在H型鋼的空腔內澆筑混凝土形成高強度H型鋼復合材料，具有良好的抗震性能；因此，避免了裝配式混凝土結構所面臨的節(jié)點連接可靠性問題，解決了鋼結構的防火防腐問題，大大提高了鋼結構的質量。

3.3.2 羅馬尼亞布加勒斯特中央國際大廈是一幢高層辦公樓，全樓共29層。此建筑采用PEC柱+鋼梁+支撐并于2007年竣工。對樓體進行了抗風、抗震和抗連續(xù)性倒塌設計。此樓結構的全部構件或主要受力構件采用部分填充組合構件，結構中的某類構件采用部分填充組合構件。這類結構已在歐洲得到一定程度的應用，所建高層建筑可達30層左右[3]。

4 捷約預制裝配框架系統(tǒng)

4.1 體系構成

①甲殼柱——鋼管和波紋板的組合構造巧妙，填充混凝土。這種組合式鋼筋混凝土內構件取代了傳統(tǒng)的無模板、無鋼支撐的鋼柱，可節(jié)約50%以上的成本，滿足國內大規(guī)模組裝的需要。②甲殼梁——傳統(tǒng)H型鋼的腹板，被“劈”成兩半，內部空間可以放置預應力鋼筋，澆筑混凝土。免高支模，減少防火涂料。③優(yōu)弦梁——下翼緣局部使用鋼管預應力的簡支梁，節(jié)省用鋼。④優(yōu)肋板——底板和加勁肋，可以使用不同材質、不同厚度進行組合，經濟狀況良好，底部沒有缺口，這是優(yōu)肋板的優(yōu)點。⑤優(yōu)節(jié)點——優(yōu)節(jié)點把螺栓和連接板都省掉了，是最好的轉換件。

4.2 特點及優(yōu)勢

捷約預制裝配框架系統(tǒng)，擁有甲殼柱、甲殼梁、優(yōu)弦梁、優(yōu)肋板、優(yōu)節(jié)點等核心技術，可根據(jù)需要靈活組合，大大減少了傳統(tǒng)施工中的高支模作業(yè)，降低用鋼量，極大減少了人工和工期，是建筑裝配化的創(chuàng)新方向。免模板、免支撐、免配筋，就可以把一個房子蓋好。

4.3 工程應用實例

同華冷庫——世界上第一個采用捷約預制裝配框架體系組裝殼柱殼梁的工程，是中國最大的單體冷庫。該項目位于上海市浦東新區(qū)洋山保稅區(qū)內，總建筑面積50222.6m2，1號、2號冷庫鏡像對稱，每棟長70.4m、寬64.7m；3號冷庫長度為89.1m、寬64.7m。每個冷庫由冷藏庫和大廳兩部分組成，由抗震縫隔開。冷藏庫為地下1層地上3層，樓面層高12.5m，總高37m，柱網尺寸9.2m×8.8m。大廳有6層，每層高度從4.3～7.5m不等，整個建筑設有地下室，埋深不超過5m。整個裝配框架系統(tǒng)的柱梁板均為工廠預制，現(xiàn)場組裝，混凝土為現(xiàn)澆。捷約預制裝配框架系統(tǒng)最大限度提升建筑空間利用率。

5 結束語

近年來，鋼-混凝土組合結構在裝配式建筑中的應用與發(fā)展受到了建筑行業(yè)的高度認可，多種組合結構體系在實際工程中得到應用，本文介紹了裝配式鋼管束組合結構體系、PEC預制裝配的組合結構體系以及捷約預制裝配式框架體系三種可用于裝配式建筑的組合結構體系，重點介紹了三種組合結構體系的構成、優(yōu)勢以及典型案例，可供有關工程技術人員參考。