張愛(ài)林, 張艷霞
(1.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院, 北京 100044;2.北京市高層和大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心, 北京 100124)
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工業(yè)化裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)新體系關(guān)鍵問(wèn)題研究和展望
張愛(ài)林1,2, 張艷霞1
(1.北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院, 北京 100044;2.北京市高層和大跨度預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心, 北京 100124)
簡(jiǎn)要分析了工業(yè)化裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展面臨的重大機(jī)遇,指出我國(guó)建筑業(yè)粗放式的生產(chǎn)和建設(shè)模式必須向綠色化、工業(yè)化、信息化轉(zhuǎn)型升級(jí),發(fā)展全壽命綠色建筑及工業(yè)化裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系是必由之路. 研發(fā)了工業(yè)化裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)多種新體系以及新節(jié)點(diǎn)和新構(gòu)造,包括裝配式斜支撐高層鋼結(jié)構(gòu)、桁架梁-方鋼管柱結(jié)構(gòu)體系新體系、模塊化裝配式角鋼桁架梁柱體系、震后可恢復(fù)功能裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架、裝配式摩擦耗能復(fù)位框架-支撐結(jié)構(gòu)體系、蓋板裝配式鋼板剪力墻體系. 通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究了工業(yè)化裝配式鋼結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定、抗震性能、梁柱節(jié)點(diǎn)連接性能、裝配式鋼結(jié)構(gòu)快速建造、全預(yù)制樓板體系和疊合式樓板體系性能、外掛式墻板配套連接構(gòu)造性能等關(guān)鍵問(wèn)題并取得成果. 對(duì)進(jìn)一步推進(jìn)工業(yè)化裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展進(jìn)行了展望.
工業(yè)化;新體系;裝配式鋼結(jié)構(gòu);關(guān)鍵問(wèn)題;展望
作為世界第一產(chǎn)鋼大國(guó),中國(guó)年產(chǎn)鋼10億t以上,占世界鋼產(chǎn)量的50%,產(chǎn)能?chē)?yán)重過(guò)剩. 然而,我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑仍沒(méi)有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,鋼結(jié)構(gòu)建筑只占5%,而發(fā)達(dá)國(guó)家占到50%以上. 國(guó)家“十三五”規(guī)劃中強(qiáng)調(diào):要研究并推廣在各類(lèi)建筑中應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)新體系,擴(kuò)大鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍;我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要與國(guó)際接軌、完善鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn);為實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)業(yè)化提供成套技術(shù),研制快速安裝、經(jīng)濟(jì)適用、安全可靠的鋼結(jié)構(gòu)體系;爭(zhēng)取到2020年,我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑占10%以上. 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展綱要》明確提出,到2020年,裝配式建筑占新建建筑的比例30%以上,到2025年,裝配式建筑占新建建筑的比例50%以上. 2015年12月20日中央城市工作會(huì)議全面深刻地分析了我國(guó)建筑業(yè)存在的突出問(wèn)題,明確提出了解決思路、關(guān)鍵環(huán)節(jié)和具體要求. 2016年9月14日李克強(qiáng)總理主持召開(kāi)國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議,認(rèn)為大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)、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(dòng)化解過(guò)剩產(chǎn)能等一舉多得之效. 發(fā)展建筑鋼結(jié)構(gòu)符合時(shí)代背景,受到國(guó)家政策的鼓勵(lì)和支持,市場(chǎng)十分巨大,其發(fā)展前景十分廣闊[1-2].
2.1 裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新研究
從2011年起,受遠(yuǎn)大可建科技有限公司的委托并承擔(dān)了《湖南省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)科技攻關(guān)裝配式斜支撐鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)研究與應(yīng)用》項(xiàng)目,對(duì)裝配式斜支撐高層鋼結(jié)構(gòu)體系(圖1)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究,包括整體結(jié)構(gòu)組成優(yōu)化、整體結(jié)構(gòu)大震彈塑性分析、柱子承載力分析、主板承載力分析、框架承載力試驗(yàn)、節(jié)點(diǎn)連接試驗(yàn)與設(shè)計(jì)等一系列理論和試驗(yàn)研究. 該體系是主板+立柱+斜撐模式,主板由工廠預(yù)制好的鋼筋混凝土壓型鋼板組合板、鋼桁架組成. 斜撐連接立柱和主板形成空間受力體系,保證鋼結(jié)構(gòu)空間穩(wěn)定. 立柱承受豎向荷載并與斜支撐連接形成側(cè)向抗側(cè)力系統(tǒng). 針對(duì)我國(guó)工業(yè)化裝配式鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范空白的狀況,主編出版湖南省地方標(biāo)準(zhǔn)《裝配式斜支撐節(jié)點(diǎn)鋼框架結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(標(biāo)準(zhǔn)編號(hào):DBJ43/T311—2015,住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部備案號(hào):J13063—2015),這是我國(guó)首部關(guān)于工業(yè)化裝配式鋼結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范.
同時(shí)研發(fā)了工業(yè)化裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)多種新體系以及新節(jié)點(diǎn)和新構(gòu)造,包括桁架梁- 方鋼管柱結(jié)構(gòu)體系新體系、模塊化裝配式角鋼桁架梁柱體系、震后可恢復(fù)功能裝配式預(yù)應(yīng)力鋼框架、裝配式摩擦耗能復(fù)位框架- 支撐結(jié)構(gòu)體系、蓋板裝配式鋼板剪力墻體系,獲得了50余項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利,并進(jìn)行了系列試驗(yàn)研究和樣板工程建設(shè)[3-6].
工業(yè)化裝配式柱貫通梁實(shí)腹式鋼結(jié)構(gòu)框架體系由裝配式梁板和裝配式立柱采用螺栓裝配而成,如圖2所示. 柱與柱之間未采用法蘭板連接,且連接處設(shè)在理論反彎點(diǎn)的位置. 裝配式梁板包括型鋼梁和樓板,在工廠預(yù)制成為一體,在施工現(xiàn)場(chǎng)將裝配式梁板通過(guò)其梁端封板及梁上蓋板與裝配式立柱的梁柱節(jié)點(diǎn)相互拼接.
圖3所示為模塊化裝配式桁架梁- 方鋼管柱結(jié)構(gòu)體系[7]. 該體系包括裝配式梁板模塊和裝配式法蘭柱模塊,裝配式梁板模塊包括配有角鋼腹桿的格構(gòu)式桁架梁、柱座節(jié)點(diǎn)和樓板;裝配式法蘭柱模塊位于裝配式桁架板上的柱座節(jié)點(diǎn)上;通過(guò)構(gòu)造上的改進(jìn)使得模塊化拆分更加科學(xué),所有板塊的拼接處均位于軸線(xiàn)處,更加利于設(shè)計(jì)和施工.
圖4~圖6提出3種震后可恢復(fù)功能裝配式鋼框架體系[8-10]. 并進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)、平面框架、空間框架、整體結(jié)構(gòu)分析和性能化設(shè)計(jì)系列研究工作. 該體系通過(guò)預(yù)應(yīng)力和阻尼器作用能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)震后復(fù)位和恢復(fù)功能.
2.2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)典型節(jié)點(diǎn)連接性能研究
為了研究新型工業(yè)化裝配式斜支撐鋼框架的桁架梁和斜支撐傳力路徑、受力性能、破壞機(jī)理[11-13],設(shè)計(jì)了4個(gè)足尺的一層兩跨單榀框架靜力試驗(yàn)(如圖7、圖8),并與無(wú)斜撐鋼框架進(jìn)行了對(duì)比(如圖9). 研究表明:裝配式帶斜撐鋼框架延性好,抵抗水平荷載的能力強(qiáng),結(jié)構(gòu)塑性變形均發(fā)生在桁架梁和斜支撐上,滿(mǎn)足規(guī)范強(qiáng)柱弱梁的規(guī)定;斜撐作為支撐構(gòu)件,對(duì)抵抗水平荷載和變形起著至關(guān)重要的作用.
研發(fā)了多種新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn). 圖10為一種Z字形懸臂梁段拼接的梁柱節(jié)點(diǎn). 設(shè)計(jì)了6組試件進(jìn)行試驗(yàn)研究,如圖11所示. 結(jié)果表明:該節(jié)點(diǎn)能有效利用拼接區(qū)摩擦面滑移、螺栓和孔壁擠壓以及板件屈服實(shí)現(xiàn)耗能;減少翼緣高強(qiáng)螺栓數(shù)目能有效提高節(jié)點(diǎn)延性性能和塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力.
圖12為帶有桁架梁的梁柱節(jié)點(diǎn)[14]. 該節(jié)點(diǎn)采用類(lèi)似于實(shí)腹梁的腹板拼接和上下蓋板螺栓連接,利于實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)火、無(wú)塵、全螺栓拼接. 并且又對(duì)焊接、栓焊混合連接和全螺栓連接節(jié)點(diǎn)的受力性能進(jìn)行了試驗(yàn)和有限元對(duì)比分析[15],如圖13.
課題組對(duì)模塊化裝配式角鋼桁架梁進(jìn)行了靜力性能試驗(yàn)研究如圖14,并進(jìn)行了有限元分析,研究結(jié)果表明:各桁架梁試件破壞位置、變形發(fā)展情況一致. 而腹桿剛度強(qiáng)于弦桿,未發(fā)生屈服,強(qiáng)剪弱彎,受力合理.
圖15、圖16為震后可恢復(fù)功能裝配式鋼框架節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)、有限元和理論滯回曲線(xiàn)對(duì)比[8-10],三者吻合較好.
圖17、圖18是提出的一種多蓋板裝配式鋼板剪力墻節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行試驗(yàn)與有限元分析,研究表明設(shè)計(jì)合理的節(jié)點(diǎn)傳力性能良好.
2.3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)抗震性能研究現(xiàn)狀
裝配式鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能尤為重要,課題組對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了框架抗震性能試驗(yàn)和整體結(jié)構(gòu)彈塑性分析工作,如圖19~圖21所示.
2.4 裝配式鋼結(jié)構(gòu)快速裝配研究
針對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑,研究柱- 柱節(jié)點(diǎn)、梁柱節(jié)點(diǎn)和樓板分塊快速吊裝方案,如圖23所示.
2.5 裝配式樓板和圍護(hù)結(jié)構(gòu)
針對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑,提出裝配式鋼結(jié)構(gòu)樓板體系[16]如圖24、圖25,分別為全預(yù)制樓板體系和疊合式樓板體系,并且對(duì)兩種樓板進(jìn)行了試驗(yàn).
針對(duì)當(dāng)前工程中外掛式墻板配套連接構(gòu)造對(duì)裝配式建筑的適用性差,安裝存在現(xiàn)場(chǎng)焊接、濕作業(yè)、安裝過(guò)于繁瑣等問(wèn)題,課題組提出一種整體裝配式ALC外墻[17-18],使外墻裝配過(guò)程更加便捷,吊裝過(guò)程如圖26所示.
在以上研究基礎(chǔ)上,進(jìn)行了兩個(gè)實(shí)際工程試點(diǎn),如圖27、圖28所示.
3.1 遵循全壽命過(guò)程綠色建筑理念構(gòu)建全產(chǎn)業(yè)鏈
工業(yè)化裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系符合全壽命綠色建筑理念,必須針對(duì)我國(guó)目前建筑領(lǐng)域全壽命過(guò)程的節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材和環(huán)保的共性關(guān)鍵問(wèn)題,以提升建筑能效、品質(zhì)和建設(shè)效率. 抓住新能源、新材料、信息化科技帶來(lái)的建筑行業(yè)新一輪技術(shù)變革機(jī)遇,通過(guò)基礎(chǔ)前沿、共性關(guān)鍵技術(shù)、集成示范和產(chǎn)業(yè)化全鏈條設(shè)計(jì),加快研發(fā)綠色建筑及建筑工業(yè)領(lǐng)域的下一代核心技術(shù)和部品,使我國(guó)在建筑節(jié)能、環(huán)境品質(zhì)提升、工程建設(shè)效率和質(zhì)量安全等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的技術(shù)體系和產(chǎn)品裝備達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,為我國(guó)綠色建筑及建筑工業(yè)化實(shí)現(xiàn)規(guī)?;⒏咝б婧涂沙掷m(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐[19].
3.2 加快工業(yè)化建筑設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的研究
英國(guó)已經(jīng)建造出3D打印的工業(yè)化模式房屋,建造機(jī)器人技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和工業(yè)化技術(shù)正在全球建筑領(lǐng)域刮起風(fēng)暴.
我國(guó)裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)建筑要想做到工業(yè)化生產(chǎn),必須要有健全的產(chǎn)業(yè)鏈,從取材、設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、安裝乃至使用過(guò)程中的物業(yè)服務(wù)等各個(gè)環(huán)節(jié)入手,針對(duì)每一環(huán)節(jié)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制提出相應(yīng)的工業(yè)化生產(chǎn)、信息化管理技術(shù)和方法. 研發(fā)裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)創(chuàng)新體系及快速裝配式節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、圍護(hù)體系和部品配套、快速裝配施工建造技術(shù)等產(chǎn)業(yè)化體系. 研究裝配式、模塊化鋼結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)技術(shù)和裝配式高性能結(jié)構(gòu)體系及其連接節(jié)點(diǎn)工作機(jī)理及設(shè)計(jì)技術(shù);研究工業(yè)化建筑圍護(hù)體系、構(gòu)配件及部品的高效連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)技術(shù)及主體結(jié)構(gòu)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)、建筑設(shè)備、裝飾裝修一體化集成設(shè)計(jì)技術(shù). 要大力推動(dòng)建造方式創(chuàng)新,以推廣裝配式建筑為重點(diǎn),通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配式施工、一體化裝修、信息化管理、智能化應(yīng)用,并建成一批產(chǎn)業(yè)化的有影響力的示范工程,促進(jìn)我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí).
3.3 加快制定和完善裝配式建筑相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
發(fā)展裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑必須有設(shè)計(jì)、制造、安裝施工和驗(yàn)收評(píng)定等一系列標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的編制與實(shí)施,讓專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員有規(guī)可循. 目前我國(guó)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范已不適應(yīng)工業(yè)化裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的快速發(fā)展,甚至出現(xiàn)空白,嚴(yán)重阻礙我國(guó)建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí). 在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)編制和完善的過(guò)程中,管理部門(mén)、高校、科研單位和建筑企業(yè)要協(xié)同創(chuàng)新,完善現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,編制新的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范. “產(chǎn)、學(xué)、研”相結(jié)合,以高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑為載體,開(kāi)發(fā)新型節(jié)能墻體和環(huán)保低碳的建筑體系,促進(jìn)建筑行業(yè)技術(shù)革新;對(duì)新體系、新技術(shù)的可靠性進(jìn)行專(zhuān)業(yè)評(píng)估,確保鋼結(jié)構(gòu)建筑或產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)環(huán)保、技術(shù)先進(jìn)、符合模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)、利于推廣使用.
3.4 健全與裝配式鋼結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的項(xiàng)目管理體制
目前,很多建設(shè)總承包企業(yè)不具備工廠專(zhuān)業(yè)化裝配式生產(chǎn)和安裝能力,而少數(shù)具備能力的企業(yè)卻又無(wú)承包資格,傳統(tǒng)建筑行業(yè)的項(xiàng)目建設(shè)管理體制相對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展形勢(shì)卻很陳舊,亟需體制的自我升級(jí),健全與裝配式建筑相適應(yīng)的發(fā)包承包、施工許可、工程造價(jià)、竣工驗(yàn)收等制度,實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)、部品部件生產(chǎn)、施工及采購(gòu)統(tǒng)一管理和深度融合. 加強(qiáng)對(duì)裝配式建筑企業(yè)的管理,強(qiáng)化全過(guò)程監(jiān)管,確保裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑出精品工程.
3.5 培養(yǎng)新型技術(shù)人才及管理人才
培養(yǎng)技術(shù)人才和管理人才盡快到位同樣是推廣高層裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的關(guān)鍵一步. 目前,我國(guó)建筑企業(yè)還處在農(nóng)民工時(shí)代,建筑工人大多數(shù)沒(méi)有經(jīng)受過(guò)專(zhuān)門(mén)學(xué)習(xí)和專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練,除簡(jiǎn)單施工勞動(dòng),難以承擔(dān)工業(yè)化、現(xiàn)代化的建筑施工作業(yè),與建筑業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展要求差距巨大. 農(nóng)民工要市民化,要成為建筑產(chǎn)業(yè)工人,才能結(jié)束我國(guó)建筑業(yè)的農(nóng)民工時(shí)代. 我國(guó)建筑業(yè)只有走工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化道路才能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化. 建筑施工現(xiàn)場(chǎng)若要實(shí)現(xiàn)像裝配飛機(jī)那樣把標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、裝配式的建筑構(gòu)件或部品快速安裝施工,相關(guān)新型建筑產(chǎn)業(yè)技術(shù)人才和管理人才是不可缺少的.
工業(yè)化裝配式高層建筑產(chǎn)業(yè)化是發(fā)展我國(guó)全壽命綠色建筑、促進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)型升級(jí),實(shí)現(xiàn)我國(guó)建筑業(yè)現(xiàn)代化的必由之路. 因此加強(qiáng)工業(yè)化建筑設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)的研究迫在眉睫,加快制定和完善裝配式建筑相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)勢(shì)在必行,新型技術(shù)人才及管理人才的培養(yǎng)不可或缺,健全與裝配式建筑相適應(yīng)的項(xiàng)目建設(shè)管理體制至關(guān)重要. 今后要打破部門(mén)壁壘,多領(lǐng)域部門(mén)協(xié)同推進(jìn),形成工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化推廣環(huán)境,完成工業(yè)化裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的歷史性突破.
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[責(zé)任編輯:佟啟巾]
Study and Overview of Critical Problems for the New System of Industrialized Prefabricated Tall Steel Structure
Zhang Ailin1,2, Zhang Yanxia1
(1.School of Civil and Traffic Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044;2.Beijing Engineering Research Center of High-Rises and Large-Span Prestressed Steel Structure,Beijing 100124)
Magnificent opportunities for the development of the industrialized prefabricated steels structure have been analyzed in the thesis briefly. It has been pointed out that transformation and upgrades towards greenization, industrialization and informatization of the extensive production and construction modes of our country, and the development processes of the whole life-cycle green constructions and industrialized prefabricated steel structure systems are necessary. Various types of new industrialized prefabricated tall steel structure systems, new connections and new construction, including the prefabricated tall steel structure with sway braces, the new system by adopting truss beam-cube steel column structural systems, the modularized prefabricated angle steel truss beam-column system, the resilient prefabricated prestressed steel structure, the prefabricated self-centering frame-support structure with friction energy dissipating devices and the prefabricated cover plate steel shear wall system are researched and developed. The overall stability, seismic performance, connecting capacity of beam-column connection, rapid construction of prefabricated steel structure, the performance of the precast floor system and superposed floor system and the performance of the supporting connection construction of out-hung walls are studied through the theoretical analysis and experiments, and some achievements have been accomplished. The overview of the prompting the development of the industrialized prefabricated steel structure is carried out.
industrialization; new system; prefabricated steel structure; critical problems; overview
1004-6011(2016)03-0021-08
2016-09-08
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51278010);國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“綠色建筑及建筑工業(yè)化”重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)(2016YFC0701500)
張愛(ài)林(1961—),男,教授,博士生導(dǎo)師,博士,研究方向:現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)和工業(yè)化裝配式鋼結(jié)構(gòu).
TU391
A