装配式钢结构建筑的主要结构计算探究

摘    要：　为了更好地发展装配式钢结构建筑, 对钢结构技术的适用性进行分析和研究。围绕结构体系、构件设计和防火防腐、连接节点三方面的技术展开探讨, 指出装配式钢结构建筑存在的问题以及技术发展方向, 为其钢结构技术的发展提供一些思路和参考。

　　关键词：　装配式钢结构建筑; 结构体系; 连接节点; 防火防腐;

　　近年来, 装配式建筑已经被提到了国家研发层面, 作为建筑业转型发展的重点予以推进。国家及全国各地关于装配式建筑发展的工作目标、扶持政策陆续出台, 装配式建筑项目如雨后春笋般在各地展开。

　　装配式钢结构建筑以钢结构作为承重结构, 是与装配式混凝土建筑、装配式木结构建筑并行的3种装配式建筑体系之一。钢结构是与围护、内装、设备管线等建筑部品部件的系统集成, 是其主体结构。面对装配式建筑的发展方向, 钢结构技术是否继续适用, 如何更好地适应需求和发展, 本文从结构体系、构件设计和防火防腐、连接节点三方面进行阐述。

　　1 结构体系

　　在居住和办公类装配式钢结构建筑中常用的结构体系有冷弯薄壁型钢、纯框架、框架支撑、框架剪力墙、框架核心筒结构等, 也有一些异型柱框架和剪力墙结构、纯钢或组合结构, 可解决露梁露柱问题。事实上, 传统的结构形式, 或是结构形式的一些变化, 对于钢结构建筑体系的构成和支撑, 并无突出矛盾。

　　但是, 如果行业的发展始终躺在“钢结构就是装配式”这一观点上, 那就有些不思进取了。让装配式钢结构建筑的结构体系勉为其难地向传统现浇剪力墙住宅体系靠拢, 简单套用混凝土剪力墙户型的传统钢结构体系, 不仅体现不出优势, 反而会变成劣势。仅仅是解决露梁露柱问题, 而不是针对钢结构的特点, 从房型、装修等方面综合考虑用户的接受度, 向钢结构标准化、高效制作与安装发展, 那很难取得大的技术进步。

　　1.1 分离式结构体系

　　就钢结构体系而言, 竖向承重和抗侧力分离的结构体系, 对于实现高效装配目标是一个很好的选择———局部结构形成抗侧力体系 (可以是支撑、剪力墙等) , 其余部分的结构无需抗侧能力, 只要具备竖向承重能力即可, 因此构造处理更为方便。这实际上也可能是一种单一抗侧力结构体系。除了钢框架-核心筒混合结构体系 (事实上效率并不低) , 目前国内正在从事新体系的探究。

　　以支撑框架为代表的单一抗侧力体系, 也是一种不错的选择。典型的例子有日本大和房屋株式会社主推的支撑框架体系:梁贯通, 梁柱按铰接处理 (半刚性) , 完全由支撑提供抗侧刚度, 实际上是一种分离式结构体系, 经同济大学研发, 形成了整套技术体系, 命名为“分层装配式钢结构体系”[1] (见图1) , 用于低多层装配式钢结构建筑, 装配效率可大大提升。
 

 

　　然而, 按照国内现行的GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》设计, 要求结构宜有多道抗震防线。具体到钢框架-支撑结构中, 框架部分有相应的抗震措施和构造要求, 需保证延性, 并承担不低于总水平地震作用的25% (基本给这种结构体系判了“死刑”) , 导致梁柱节点必须设计有一定抗弯刚度, 以形成框架来承担部分水平地震力。

　　图1 分层装配式钢结构体系

　　这就很尴尬了, 明明是因地震频发的国家广泛应用的结构体系, 怎么在国内就不行了呢?是国内地震设防特别吗?如果说在日本经过大地震检验是可靠的, 那么按照我们的规范, 却认为是不安全的, 是这个结构体系不合理, 还是我们的规范不合理呢?实际上参考美国的结构规范, 支撑框架作为单一抗侧力体系是允许的。况且, 钢框架-支撑体系中, 即便框架部分全是铰接没有抗侧刚度, 同一方向上的多道支撑事实上也是抗震的多道防线。

　　1.2 结构体系的其他问题

　　由于现行的《建筑抗震设计规范》关于“强柱弱梁”的要求, 所以直接导致H型截面柱的框架 (横向框架+纵向支撑框架, 或者部分钢柱旋转90°布置实现双向抗侧的纯框架) 无法实现。事实上横向框架+纵向支撑框架的结构形式在工业建筑中一直被普遍应用, 在民用建筑中是不是就真的不可行?H型截面柱的双向纯框架也真的不行?可美国的钢框架这么做的还挺多, 包括特殊抗弯框架。

　　另外, 远大可建科技有限公司 (远大可建) 因装配高效而引起轰动的钢结构建筑 (见图2) , 结构体系[2]集合了钢柱、斜撑和集成式组合楼板, 实际上是一种桁架梁支撑框架体系, 但这么多年来结构体系很难被规范和工程界接受, 是否真的不行?或是有其适用的条件、解决的出路?

　　在装配式钢结构建筑的结构体系方面, 事实上还有很多值得探讨的地方, 不仅仅是一些适合装配式建筑的钢结构新体系的研发, 还有我国相关规范的梳理和改进。

　　图2 远大可建的钢结构体系

　　2 构件设计及防火防腐

　　2.1 构件设计

　　建筑工业化的目标是为了解决传统建筑劳动效率和劳动力的问题。钢结构厂的构件加工, 虽然实现了工厂预制, 但也存在加工效率的问题。

　　国外的钢结构普遍使用型钢。由于我国有用钢量控制, 另外工程量计算一般是按吨位而不论构件截面形式, 所以导致采用焊接截面的情况普遍。尽可能采用轧制型钢以及成品型材, 少用焊接截面, 是减小构件加工工作量的重要措施。

　　钢结构加工厂的构件如能实现模数化、标准化, 就是实现了装配式建筑的发展初衷, 而不是停留在“钢结构就是工厂预制的”这一说法上。如型钢在钢厂经简单处理, 绕过钢构厂, 直接进入现场进行装配, 将是高效装配的解决方案。

　　2.2 构件的防火防腐

　　(1) 防火涂料。装配式钢结构会采用防火防腐涂料进行防护。但是, 涂料的寿命一般仅10余年, 业主或用户远远不能接受 (尤其是住宅) 。除了常规的防火涂料之外, 采用防火片材的粘贴包覆, 同时结合装修一体化处理, 在装配式钢结构建筑中, 尤其是精装修住宅中, 是一种很好的解决方案。

　　(2) 钢结构免涂装和一体化防火方案。这是解决防火防腐问题的根本途径。按照日本的工程经验, 多高层钢结构构件在加工厂可不进行防腐涂装, 仅在现场进行防火喷涂作业, 或结合室内装修进行防火包覆, 以保证防火性能。日本的技术人员认为, 建筑物内封闭环境下钢材的腐蚀速度很慢, 完全没必要涂装, 预留一点腐蚀裕量即可, 方便又环保 (见图3) 。

　　图3 日本钢结构工程现场的防火和防腐做法

　　(3) 钢结构锈蚀速度有限。根据《色漆和清漆防护漆体系对钢结构的腐蚀防护第2部分环境分类》[3], 低碳钢在类似的腐蚀环境中, 每年腐蚀厚度仅1.3μm (见表1) 。因此, 考虑到钢结构在室内正常环境下锈蚀有限, 即便初期的涂装年久失效, 腐蚀也在可控范围, 根本不会影响结构安全。美国和日本几十年前建造的钢结构建筑使用至今的经验已充分说明了这些问题。国内宝钢和同济大学联合开展过相关的课题研究, 也给出了类似的结论。

　　表1 大气腐蚀性环境分类和典型环境案例

　　(4) 耐候钢、耐火钢。双功能的耐火耐候钢在国内10余年前已开发成功, 并有过工程的应用经验。然而, 由于我国防腐防火要求和技术规范的制约, 在后续工程中耐候耐火钢并未得到实质性的大面积推广应用。未来在装配式钢结构建筑技术的研发中, 可做一些探索。

　　3 连接节点

　　钢结构工程中焊接的工作量还是很多。合格的焊接工人已成稀缺资源。由于人工费大涨, 越来越多的工程提出了全螺栓连接的要求。事实上, 满足这个需求并不难, 传统钢结构全螺栓连接基本都可以实现, 只是局部的螺栓连接可能影响楼板、墙板等的布置和安装, 但不致命, 可以处理。新版的JGJ1999—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》认为悬臂梁段式的梁柱刚性连接破坏率为梁腹板直接连接的3倍, 不建议应用。这似乎有悖常理, 直接否定了悬臂梁段式的现场全螺栓拼接方式。

　　3.1 单边螺栓连接技术

　　单边螺栓技术结合端板[4] (见图5) , 可用于钢结构封闭截面的梁柱连接, 对大量使用钢管柱的钢结构高效装配是有力的支撑。同济大学目前已经在这方面做了大量的工作[5], 宝钢也有相关的试验和工程实践。

　　图5 单边螺栓的端板连接

　　日本研发了一种梁柱连接节点的做法[6] (见图6) , 将节点区域矩管截面通过高频波感应加热增厚, 采用端板和单边螺栓连接, 可解决节点刚度问题, 同时安装效率很高, 并将这一技术推向了市场。

　　图6 日本研发的梁柱连接节点

　　3.2 节点的集成与成品化

　　探索钢结构的现场高效装配技术, 可以按构件与节点分离的思路, 将节点集成为成品, 如国内研发的蝶形节点[7] (见图7) , 国外也有类似的快速安装节点。

　　日本日立公司的柱脚节点 (见图8) , 作为标准化的建筑成品在市场上推广。我国装配式建筑的钢结构高效装配式节点, 无疑也可向这一方向迈步。

　　美国ConXtech钢框架体系的ConXL节点、Kaiser节点、Side Plate节点、Simpson节点等 (见图9) , 有些已产品化, 均是美国AISC 358-16规范[8]所认可和推荐的新型装配式节点。

　　图7 蝶形节点

　　图8 日立公司的柱脚节点

　　图9 AISC 358规范的新型装配式节点

　　这些快速装配节点技术, 可以支撑实现装配式建筑中钢结构的最终目标:钢构件在钢厂经过最基本的简单加工 (如切割、打孔等) , 作为标准化构件直接运输至现场, 采用高效连接节点进行装配, 并结合采用耐火钢、耐候钢或免涂装、防火包覆等技术解决防火防腐问题, 这将是装配式钢结构建筑在钢结构技术领域的一大创新。当然, 要达到这一理想化的目标, 还有很多的研究工作要做, 并需要相关规范的支撑。

　　4 结语

　　本文对装配式钢结构建筑中钢结构技术现状进行了梳理。既然是支撑装配式钢结构建筑的技术, 还是要围绕装配式建筑发展的目标和需求, 即工厂的高效生产、现场的高效装配、与建筑装修的一体化协同和集成等发展目标, 从结构体系、构件和节点等方面进行研究和实践, 切实提高行业技术水平, 推动装配式建筑的发展。

　　参考文献：

　　[1] 王伟, 陈以一, 余亚超, 等.分层装配式支撑钢结构工业化建筑体系[J].建筑结构, 2012, 42 (10) :48-52.
　　[2] 张爱林, 张艳霞.工业化装配式高层钢结构新体系关键问题研究和展望[J].北京建筑大学学报, 2016, 32 (3) :21-28.
　　[3] 色漆和清漆防护漆体系对钢结构的腐蚀防护第2部分:ISO 12944-2[S].
　　[4] 楼国彪.钢结构高强度螺栓端板连接研究现状 (Ⅰ) [J].建筑钢结构进展, 2006, 8 (2) :8-21.
　　[5] 李鸣萧.基于高预紧力单边螺栓的钢管柱梁节点抗震性能与设计方法研究[D].上海:同济大学, 2017.
　　[6] 日本钢结构协会.钢结构技术总览 (建筑篇) [M].北京:中国建筑工业出版社, 2003.
　　[7] 江磊鑫.一种装配式的新型自锁节点以及性能研究[J].施工技术, 2009, 52 (3) :67-69.
　　[8] Prequalified Connections for Special and Intermediate SteelMoment Frames for Seismic Applications AISC 358-16[S].