裝配式冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用研究

胡志明

(甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

現(xiàn)階段，我國工業(yè)技術(shù)得到了全面的發(fā)展，這在建筑工程產(chǎn)業(yè)當(dāng)中便有著突出的體現(xiàn)，其中冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)也逐步應(yīng)用在民用建筑當(dāng)中。相比較傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)形式，在裝配式冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)下的建筑具有抗震性能好、施工速度快、經(jīng)濟(jì)性良好的特點(diǎn)。因此，相關(guān)工程建設(shè)行業(yè)也需要加強(qiáng)對(duì)裝配式冷彎薄壁鋼結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行研究分析，通過科學(xué)的手段提高該種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍和應(yīng)用效果，這也是建筑工程行業(yè)未來發(fā)展的主流趨勢。

1 冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)

1.1 冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)概述

冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)是目前裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)中最常見的一種結(jié)構(gòu)形式，其指的是鋼架梁、柱等通過冷彎成型，利用自攻自鉆螺栓和高強(qiáng)度螺栓將其連接成新型剛架結(jié)構(gòu)，作為建筑的主要承載框架。冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系具有施工便捷、施工周期短、抗震性能良好、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)[1]。為了推動(dòng)冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)在建筑方面的應(yīng)用，國內(nèi)外專家就該種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究和分析。

1.2 冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用形式

就目前而言，冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)通常應(yīng)用在3層以下的獨(dú)立建筑當(dāng)中，墻體立柱的間距設(shè)置為400～600mm，并且上下樓面之間設(shè)置有抗剪連接構(gòu)件。與熱軋型鋼相比，冷彎薄壁型鋼同等面積的承載力更強(qiáng)，并且構(gòu)件重量更輕，能夠有效提高房屋的抗震性能。在建筑當(dāng)中，墻體是豎向和橫向載荷的主要承載構(gòu)件，而冷彎薄壁鋼結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的墻體骨架也是由型鋼、外墻板和內(nèi)墻板利用螺栓連接而成的。墻體上下道軌和立柱也都是由自攻螺釘進(jìn)行連接[2]。為了提高墻體的承載力，立柱往往采用雙柱的形式，并且在立柱下方設(shè)置有抗拔錨栓連接構(gòu)件。通常情況下，裝配式冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)建筑的建設(shè)主要應(yīng)用于應(yīng)急救災(zāi)建筑，該類建筑有著較大的地震抵抗能力。在地震發(fā)生過程中，對(duì)房屋結(jié)構(gòu)破壞最為嚴(yán)重的是橫向作用力，而建筑側(cè)向力的抵抗體系主要是由框架及剪力墻所構(gòu)成的，整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)都參與橫向載荷的傳遞，傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)雖然具有較強(qiáng)的承載能力，但其自重大、韌性相對(duì)較差，橫向載荷會(huì)對(duì)其產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞。而冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的韌性，在地震發(fā)生過程中也能更好的消除橫向載荷對(duì)建筑所產(chǎn)生的破壞，進(jìn)而提高建筑的安全性。

2 冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 在結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有自重大、空間利用率低的特點(diǎn)。而目前部分工程項(xiàng)目建設(shè)的要求需要具有大空間、堅(jiān)固耐用、易于拆除改建等特點(diǎn)，此種情況下傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)便不能滿足建筑工程項(xiàng)目的需求。將裝配式冷彎薄壁鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用于建筑工程項(xiàng)目中，能夠滿足該類工程項(xiàng)目的使用需求，通常情況下裝配式冷彎薄壁鋼結(jié)構(gòu)建筑比傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑使用空間要高出6%～8%，同時(shí)在建設(shè)過程中工期能夠縮短30%，成本也能降低5%左右。從建筑風(fēng)格方面來看，裝配式冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)建筑的建筑風(fēng)格更加豐富，室內(nèi)空間的劃分也更加多元化，能夠滿足用戶多樣化的需求。除此之外，冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)建筑重量小，力學(xué)性能好，在出現(xiàn)地震時(shí)具有更高的安全性。

2.2 在綠色節(jié)能方面的優(yōu)勢

在冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)當(dāng)中，需要墻體內(nèi)部敷設(shè)保溫隔熱材料，并且對(duì)于建筑內(nèi)部的管路也需要進(jìn)行保溫處理，在后期應(yīng)用過程中能夠有效降低熱能的逸散，同時(shí)也具有良好的隔音效果，符合現(xiàn)如今國家建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)，并且也能夠滿足用戶的居住需求。相比較傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)，保溫隔熱材料的應(yīng)用也更加綠色化，所應(yīng)用的材料數(shù)量也能夠做出精確的計(jì)算，降低材料的浪費(fèi)，這對(duì)自然生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展也有著重要的意義[3]。

2.3 在經(jīng)濟(jì)成本投入方面的優(yōu)勢

冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)建筑在建設(shè)過程中是由工廠根據(jù)建筑設(shè)計(jì)圖紙?zhí)崆白龊娩摻Y(jié)構(gòu)構(gòu)件，之后將其運(yùn)輸至現(xiàn)場進(jìn)行組裝，此種施工形式下工程周期相對(duì)較短，并且人力、物力投入也相對(duì)較少，投資回報(bào)較快，從而使資金運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)有所降低。除此之外，相比較傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)而言，裝配式冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)建筑具有良好的抗震性能，因此所需的抗震措施簡單，這也能夠降低基礎(chǔ)投入和抗震措施施工方面的資金投入。

3 裝配式冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 科學(xué)的選擇樓板

在建筑工程項(xiàng)目當(dāng)中，樓板的類型多種多樣，最常見的有壓型鋼板、蒸壓加氣混凝土板、預(yù)應(yīng)力空心板以及新型鋼筋衍架樓層板等。壓型鋼板作為工程項(xiàng)目中最常見的樓板，具有重量輕，承載力高、容易運(yùn)輸和安裝的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效縮短施工時(shí)間。相比較傳統(tǒng)木模，壓型鋼板具有良好的抗火性能，能夠有效降低火災(zāi)的發(fā)生概率。并且壓型鋼板由于其自身的強(qiáng)度較高，在運(yùn)輸和存儲(chǔ)方面更加方便。在具體應(yīng)用當(dāng)中，壓型鋼板與混凝土相結(jié)合，形成組合樓板，壓型鋼板在樓板當(dāng)中起到了受力鋼筋的作用，并且在施工過程中鋼板也能夠?yàn)榱侯悩?gòu)件提供一定的側(cè)向支撐力，提高梁類構(gòu)件的穩(wěn)定性。但相比較傳統(tǒng)樓板建設(shè)而言，由于壓型鋼板帶有肋，這對(duì)管道敷設(shè)有著一定的影響，并且肋也會(huì)對(duì)吊頂產(chǎn)生影響，從而降低樓層高度。蒸壓加氣混凝土板不僅具有吸聲和絕熱的優(yōu)勢，并且自重較輕，具有良好的耐火性，目前常應(yīng)用在樓板、外墻板、屋面板等方面。但相比較其他類型的樓板而言，蒸壓加氣混凝土樓板的重量較低，抗震性較差，在制造過程中影響因素較多，因此產(chǎn)品尺寸會(huì)出現(xiàn)一定的誤差，對(duì)安裝有著不利的影響。預(yù)應(yīng)力空心板在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中具有防滲、隔音效果佳，承載力高，平整度好，施工周期短的特點(diǎn)，并且該類樓板的含鋼量較低，在制造過程中所需要投入的成本較低，施工中影響工程質(zhì)量的環(huán)境因素較少。目前常應(yīng)用在樓面板、屋面板、墻板等方面，但在長時(shí)間的使用下容易出現(xiàn)開裂情況，甚至?xí)绊懙浇ㄖこ添?xiàng)目整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此根據(jù)工程項(xiàng)目科學(xué)選取預(yù)應(yīng)力空心板對(duì)提高工程質(zhì)量有著重要的意義。新型鋼筋衍架發(fā)泡水泥夾芯板是裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用廣泛的一種樓板結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)形式是根據(jù)傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)衍生出一種以鋼筋衍架作為結(jié)構(gòu)骨架，內(nèi)部填充發(fā)泡水泥的樓板結(jié)構(gòu)類型，通常情況下該種樓板是在工廠進(jìn)行預(yù)制，之后運(yùn)送到施工現(xiàn)場后進(jìn)行安裝，安裝完成后在相應(yīng)的位置處澆筑一層混凝土，這不僅不需要設(shè)置混凝土澆筑模板，還能夠有效提升結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。在安裝過程中主要將新型鋼筋衍架發(fā)泡水泥夾芯板與鋼梁類構(gòu)件連接在一起，從而提高安裝的有效性和可靠性，同時(shí)也能降低施工材料的浪費(fèi)，減少現(xiàn)場鋼筋的綁扎，從而縮短施工周期，提高勞動(dòng)效率[4]。

3.2 科學(xué)選擇結(jié)構(gòu)體系

在多種建筑結(jié)構(gòu)形式當(dāng)中，薄壁輕鋼結(jié)構(gòu)體系也有多種結(jié)構(gòu)形式，分別為鋼框架結(jié)構(gòu)、鋼與混凝土混合框架結(jié)構(gòu)以及輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)體系等。其中鋼框架結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用過程中具有便捷的安裝方式，傳力性能相對(duì)較好，室內(nèi)空間、門窗布局等均具有更強(qiáng)的靈活性。在發(fā)生地震時(shí)，建筑在水平地震作用下所產(chǎn)生的形變主要集中在框架柱和梁、板的節(jié)點(diǎn)處，由于鋼框架具有一定的韌性，如果層數(shù)(高度)較少時(shí)，水平力能夠與框架的抗側(cè)力構(gòu)件承載力相互抵消；如果層數(shù)(高度)較多時(shí)，水平地震作用下框架會(huì)產(chǎn)生較大的彎曲變形，發(fā)生側(cè)移，整體側(cè)向變形也形成了彎剪型，這對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有著較大的影響。因此，鋼框架結(jié)構(gòu)通常被應(yīng)用在層數(shù)較少的建筑當(dāng)中。如果想要在較高建筑方面應(yīng)用鋼框架結(jié)構(gòu)，便需要提高梁、柱的橫截面尺寸，此種方式便會(huì)提高建筑成本，進(jìn)而對(duì)工程造價(jià)產(chǎn)生影響。因此，目前裝配式冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)主要被應(yīng)用于低層建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中。

3.3 科學(xué)選擇節(jié)點(diǎn)連接方式

裝配式冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)如果采用矩形截面柱，此時(shí)梁柱在橫向和縱向兩處的連接都應(yīng)當(dāng)采用剛性節(jié)點(diǎn)；如果采用單軸對(duì)稱柱，如H型鋼截面柱，此時(shí)腹板方向的力學(xué)性能相對(duì)較弱，因此需要在弱軸方向采用剛性連接。經(jīng)過試驗(yàn)研究表明，在裝配式建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中常規(guī)節(jié)點(diǎn)的彎矩與其轉(zhuǎn)角處于一種非線性的變化形式，此種方式并不屬于完全剛接也與完全鉸接有一定的區(qū)別，為了便于力學(xué)性能的計(jì)算，一般情況下需要假設(shè)梁柱的連接方式為完全剛接或鉸接，之后根據(jù)計(jì)算得出的力學(xué)模型選取合理的連接方式。

4 冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)建筑的具體設(shè)計(jì)應(yīng)用與未來發(fā)展

4.1 結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)

冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)建筑墻體通常是由輕鋼密肋梁柱以及綠色環(huán)保型維護(hù)構(gòu)件所構(gòu)成，該種結(jié)構(gòu)形式不僅具有良好的物理力學(xué)性能，而且符合當(dāng)前建筑行業(yè)的節(jié)能環(huán)保發(fā)展。目前，冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)體系主要應(yīng)用在1～3層建筑當(dāng)中，例如住宅、會(huì)所、別墅等建筑。而隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，鋼框剪結(jié)構(gòu)體系也被逐步的應(yīng)用于建筑工程當(dāng)中，該種結(jié)構(gòu)體系是通過鋼框架結(jié)合填充輕鋼剪力墻形成的，其具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，因此抗震性能相對(duì)較高?，F(xiàn)階段，鋼框剪結(jié)構(gòu)體系主要被應(yīng)用于多層建筑當(dāng)中，但都是集中在12層以下的多層建筑中，例如公寓、學(xué)校、小高層住宅等。

4.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是建筑工程穩(wěn)定性和安全性的保障。在冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)當(dāng)中最常見的基礎(chǔ)形式為由輕鋼結(jié)構(gòu)所構(gòu)成的柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，不同的基礎(chǔ)由連系梁連接，進(jìn)而確保建筑基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，同時(shí)也能夠有效改善基礎(chǔ)在后續(xù)使用過程中沉降的均勻性[5]。對(duì)于地質(zhì)條件不佳的工程可以選用柱下條基的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)形式，此種基礎(chǔ)主要應(yīng)用在軟土地基或上部結(jié)構(gòu)較大(承受荷載較大)的情況下。在基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，柱腳連接方式可以選用鉸接或剛接，在承載相同荷載的情況下，柱腳剛接形式下基礎(chǔ)用鋼量較大，上部結(jié)構(gòu)用鋼量較小；如果柱腳采用鉸接的方式連接則相反。

4.3 防火設(shè)計(jì)

冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)耐火性較差，根據(jù)我國建筑防火規(guī)范要求，結(jié)合冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)耐火性能情況來看，其樓層建造高度應(yīng)當(dāng)控制在3層以下。因此常規(guī)裝配式冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在低層建筑中。根據(jù)我國冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)、施工技術(shù)規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)來看，該類型的建筑檐口高度要小于12m。但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，在冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)和施工過程中，很多工程在外圍應(yīng)用了防火隔熱材料，這也使冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)建筑的高度逐步提升，但同時(shí)在建設(shè)過程中也需要根據(jù)國家制度和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行科學(xué)的消防設(shè)計(jì)，確保防火間距、防火設(shè)施的合理性，同時(shí)保障建筑耐火等級(jí)符合建筑工程要求，進(jìn)而確保建筑后期施工及使用的安全性。

4.4 防腐性能

相比較混凝土材料，鋼材的防腐性能較差，因此在裝配式冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)建筑建設(shè)過程中，冷彎薄壁型鋼需要鍍鋅或鍍鋁鋅，以此來提高鋼結(jié)構(gòu)的防腐性能，這不僅能夠有效提高鋼結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，還能夠降低其在后期的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。在鍍鋅、鍍鋁鋅等防腐工藝處理當(dāng)中，不同地區(qū)有著不同的要求，例如在腐蝕性較低的非工業(yè)區(qū)域當(dāng)中，鋼結(jié)構(gòu)表面鍍鋅層量需要高于180g/m2，鍍鋁鋅量要高于100g/m2；在一些沿海城市、工業(yè)較為發(fā)達(dá)的區(qū)域當(dāng)中，腐蝕性相對(duì)較強(qiáng)，鋼結(jié)構(gòu)表面的鍍鋅量、鍍鋁鋅量需要有所提升，分別需要大于275g/m2、150g/m2。

4.5 冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展前景

現(xiàn)階段，伴隨全球經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，資源枯竭的問題也日益嚴(yán)重，綠色環(huán)保、節(jié)能降耗已經(jīng)成為未來社會(huì)發(fā)展的大勢所趨。相比較傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)的建筑形式，裝配式冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)建筑體系不僅資源利用率較高，而且還具備環(huán)保、高效的特點(diǎn)，是未來建筑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。與此同時(shí)，在部分地質(zhì)條件欠佳的情況下，氣候溫度寒冷的情況下，混凝土結(jié)構(gòu)建筑在施工過程中困難重重，這也會(huì)對(duì)工程建設(shè)周期和建設(shè)成本產(chǎn)生不利的影響，而冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)建筑能夠有效解決這些問題，打破環(huán)境對(duì)建筑工程施工的制約和影響，進(jìn)而開拓更加廣闊的市場前景。

5 結(jié)語

綜上所述，裝配式冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)建筑由于其綠色環(huán)保、施工效率高、抗震性能好等特點(diǎn)成為了建筑工程產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的重要方向。但從目前裝配式冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工過程中發(fā)現(xiàn)，其主要應(yīng)用于低層建筑當(dāng)中。為此，相關(guān)建筑工程單位需要加強(qiáng)對(duì)該結(jié)構(gòu)體系的研究，通過科學(xué)的手段擴(kuò)大裝配式冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍，提高該種結(jié)構(gòu)形式在高層建筑中的安全性和可靠性，這也是建筑工程行業(yè)未來發(fā)展的必行之路。