李盤銘

（太原市建筑設(shè)計研究院，山西 太原 030002）

1 裝配式多高層鋼結(jié)構(gòu)的研究意義

1.1 國家政策的支持

2012年2月，住建部明確提出了要在保障性住宅中使用鋼結(jié)構(gòu)；2013年1月，國家發(fā)改委和住建部聯(lián)合發(fā)布《綠色建筑行動方案》，推廣適合工業(yè)化生產(chǎn)的預(yù)制裝配式混凝土、鋼結(jié)構(gòu)等建筑體系，加快發(fā)展建設(shè)工程的預(yù)制和裝配技術(shù)，提高建筑工業(yè)化技術(shù)集成水平。2013年10月，國務(wù)院出臺《關(guān)于化解產(chǎn)能嚴(yán)重過剩矛盾的指導(dǎo)意見》，強調(diào)鋼結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的推廣應(yīng)用，提高該結(jié)構(gòu)在公共建筑和政府投資建設(shè)中的使用比例，并在地震等自然災(zāi)害高發(fā)區(qū)域，使用鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)抗震型建筑；2016年9月27日，國務(wù)院辦公廳《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》中強調(diào)“要以京津冀、長三角、珠三角三大城市群為重點推進地區(qū)，常住人口超過300萬的其他城市為積極推進地區(qū)，其余城市為鼓勵推進地區(qū)，因地制宜發(fā)展裝配式混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)等裝配式建筑?！?017年3月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于《“十三五”裝配式建筑行動方案》中指出“到2020年，全國裝配式建筑占新建建筑的比例達到15%以上，其中重點推進地區(qū)達到20%以上，積極推進地區(qū)達到15%以上，鼓勵推進地區(qū)達到10%以上。鼓勵各地制定更高的發(fā)展目標(biāo)。2020年8月，9部門聯(lián)合印發(fā)的《住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等部門關(guān)于加快新型建筑工業(yè)化發(fā)展的若干意見》要求大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑，推動鋼結(jié)構(gòu)建筑關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)全面發(fā)展。

1.2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)自身的優(yōu)勢

鋼材具有較高的循環(huán)利用價值，是具有綠色環(huán)保特性的建筑結(jié)構(gòu)施工材料。鋼材相對于混凝土重量輕，運輸比較方便，另外鋼結(jié)構(gòu)的強度比較高，整體的抗震性能比混凝土結(jié)構(gòu)要好，適合于裝配式建筑物的建設(shè)使用。同時，裝配式鋼結(jié)構(gòu)形式能夠進行工業(yè)化的生產(chǎn)加工，施工中采用現(xiàn)場螺栓連接方式，便于施工人員進行裝配和拆卸，有效的降低了施工人員的施工強度，縮短工程的建設(shè)施工工期。裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑是我國建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要需求，再加上這種結(jié)構(gòu)形式具有標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、機械化生產(chǎn)、裝配化施工、整體化裝修、信息化管理等諸多優(yōu)勢特點，在建筑工程建設(shè)施工中的應(yīng)用，能夠突出行業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性，實現(xiàn)全壽命周期內(nèi)的綠色化，并隨著社會建設(shè)發(fā)展，逐漸成為各個國家的主要施工應(yīng)用形式。裝配式鋼結(jié)構(gòu)在房屋建筑施工中的應(yīng)用，能夠充分發(fā)揮出自身的良好抗震性能，降低地震事故發(fā)生帶來的損失。

1.3 環(huán)境保護的需求

建筑行業(yè)發(fā)展環(huán)境污染問題主要表現(xiàn)在：施工噪聲、施工現(xiàn)場產(chǎn)生的粉塵較多等。裝配式鋼結(jié)構(gòu)的施工，主要是在工廠內(nèi)完成生產(chǎn)，且生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢料和廢氣都便于再次回收處理。這種結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用，使得施工現(xiàn)場的施工工序減少，施工速度加快，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響較小。

鋼結(jié)構(gòu)的加工數(shù)量占鋼材產(chǎn)量的比例較低，其存在較大的發(fā)展空間，且鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展滯后是因為人們在使用過程中對其價格的關(guān)注，要高于結(jié)構(gòu)施工應(yīng)用的性價比。

裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系充分體現(xiàn)出了鋼結(jié)構(gòu)建筑的整體施工應(yīng)用優(yōu)勢，是鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的新方向和新趨勢。但新的結(jié)構(gòu)體系與節(jié)點連接與當(dāng)前現(xiàn)行的規(guī)范不配套，缺少對裝配式鋼結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化研究和規(guī)范化設(shè)計，這都嚴(yán)重限制了裝配式多高層鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用發(fā)展。推進裝配式鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用發(fā)展核心問題，是提出合理受力和便捷施工的關(guān)鍵節(jié)點，并獲得結(jié)構(gòu)的實際承載力和抗震性，編制專業(yè)化的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

2 裝配式多高層鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系與工程應(yīng)用

裝配式住宅這種建筑形式誕生于20世紀(jì)初期，并在二戰(zhàn)后得以發(fā)展。法國是世界上最早推行建筑工業(yè)化發(fā)展的國家，從50年代到70年代這段時間內(nèi)容，法國形成了全裝配化大板和工具式模板現(xiàn)澆的工業(yè)化生產(chǎn)體系。法國的工業(yè)化裝配式建筑主要是利用干式連接方式，將預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)進行連接施工，整體的工業(yè)化建設(shè)發(fā)展程度達到了80%。德國在建筑行業(yè)工業(yè)化發(fā)展過程中，主要是利用鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，且相關(guān)構(gòu)件需要在工廠內(nèi)進行預(yù)制化加工生產(chǎn)。德國住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展契機也是在也是在二戰(zhàn)之后，且經(jīng)過幾十年的發(fā)展之后，德國住宅產(chǎn)業(yè)化技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟。法國、德國等國家的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑已經(jīng)具有幾十年的發(fā)展歷史，在相關(guān)技術(shù)應(yīng)用方面較為成熟。但其主要是低層數(shù)的結(jié)構(gòu)住宅，施工所用的裝配式鋼結(jié)構(gòu)是輕鋼結(jié)構(gòu)，尤其是冷彎薄壁型鋼材質(zhì)的應(yīng)用較為廣泛，很少使用裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)。而我國的裝配式鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展起步較晚，但在國家的大力支持下，許多企業(yè)和高等院校以及科研院所都開始了這方面的研究，并取得了顯著的成績，在北京、上海、天津等地興建了鋼結(jié)構(gòu)住宅示范點。

2.2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)中柱的連接節(jié)點

多層裝配式鋼結(jié)構(gòu)主要輕鋼型的龍骨結(jié)構(gòu)，是利用熱浸鋅薄壁鋼板制作而成，并采用普通螺栓進行連接。為了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的等強連接，需要在普通鋼結(jié)構(gòu)柱之間采用焊接方式進行連接，主要是因為焊接連接方式的實際強度是行業(yè)內(nèi)部公認(rèn)的，具有較高的安全性。但是，在美國和日本的地震災(zāi)害中，這種焊接連接方式都遭受到了嚴(yán)重的破壞，這也充分的暴露出焊接連接方式存在的不足。實際上，焊接連接方式具有較高焊接的殘余應(yīng)力和熱影響區(qū)，在地震條件的作用會出現(xiàn)脆性的斷裂問題，導(dǎo)致房屋建筑結(jié)構(gòu)存在較大的安全風(fēng)險隱患，尤其是在低溫環(huán)境下進行焊接連接，其連接位置的脆性更大。再加上利用焊接方式進行鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接，其整體的焊接施工速度較慢，且焊工的技術(shù)水平、施工條件等因素都會影響連接焊接的施工質(zhì)量，無法做好施工質(zhì)量的管理控制。所以，在工程焊接施工驗收過程中，需要依靠第三方的檢測單位進行驗收。

2.3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)中梁柱連接節(jié)點

按照鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接剛度性，可以將梁柱之間的連接方式分為剛性連接方式、半剛性連接方式、鉸接方式。而按照連接措施可以將梁柱之間的連接方式分為全焊接連接方式、栓焊混合連接方式、全螺栓連接方式。其中，多高層鋼結(jié)構(gòu)的梁柱連接方式可以采用剛性連接方式，利用梁翼緣與腹板進行全部焊接，或者翼緣焊接和腹板螺栓連接，以及翼緣與腹板都采用螺栓連接方式。全焊連接方式能夠?qū)崿F(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的等強剛性連接，但由于工地焊接施工的工作量較大，且受到諸多因素的影響，無法對施工質(zhì)量進行控制，這就會導(dǎo)致焊接施工存在諸多的質(zhì)量問題。再加上焊接殘余的應(yīng)力較大，實際焊接施工難度性較大，且施工質(zhì)量的檢測費用較高，所以在鋼結(jié)構(gòu)的梁柱連接過程中，是不宜采用現(xiàn)場焊接方式的。栓焊混合連接方式的應(yīng)用，不僅因其施工較為方便，還因其能夠保證焊接強度達到全焊連接方式的焊接強度。在美國和日本地震發(fā)生之后，盡管鋼結(jié)構(gòu)具有較高的強度以及良好的塑性和韌性，仍舊會在強震的影響作用下，使得部分鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點出現(xiàn)脆性破壞，其破壞位置主要是在梁下翼緣和柱的焊接縫位置。這就充分的暴露出鋼結(jié)構(gòu)采用焊接連接方式，所存在的不足之處。

因此，為了提高裝配式鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的安裝速度，保證其連接安裝的施工質(zhì)量，需要針對梁柱節(jié)點采用螺栓連接方式。雖然，這種螺栓連接方式的節(jié)點要比焊接節(jié)點存在的螺栓數(shù)目較多，且實際的節(jié)點較大，但其綜合經(jīng)濟成本會略低于現(xiàn)場焊接費用。梁柱全螺栓連接方式能夠?qū)崿F(xiàn)剛性連接和半剛性連接，其中剛性連接方式的計算分析較為簡單，實際應(yīng)用較為普遍，但其連接應(yīng)用過程中的螺栓數(shù)目較多。而半剛性連接方式的實際耗能能力更好，且螺栓的使用數(shù)量較小，具有較大的經(jīng)濟性，但其實際的計算分析過程較為復(fù)雜。這兩種連接方式都可以應(yīng)用到地震多發(fā)下，裝配式多高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的施工中。

2.4 支撐與框架兩者間的連接節(jié)點

隨著建筑結(jié)構(gòu)興建層數(shù)的不斷提高，純框架結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性越來越低。而中心支撐框架結(jié)構(gòu)和偏心支撐框架結(jié)構(gòu)，則是具有更高經(jīng)濟性的結(jié)構(gòu)形式，但這種結(jié)構(gòu)形式的支撐受力較大。針對裝配式鋼結(jié)構(gòu)而言，支撐與框架兩者間的連接方式，也多采用全螺栓的連接方式，便于施工單位在施工現(xiàn)場進行裝配施工，以及在震后恢復(fù)過程中進行更換修復(fù)。支撐框架體系的節(jié)點設(shè)計，通常會采用板式連接節(jié)點，將支撐與梁柱進行連接，增加結(jié)構(gòu)連接的穩(wěn)定性。

圖1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)安裝施工

3 結(jié)語

綜上所述，在建筑行業(yè)發(fā)展過程中，裝配式鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，在響應(yīng)國家政策之外，不僅能夠提高建筑工程設(shè)計和施工效率，還能降低施工過程對區(qū)域環(huán)境的影響。但同時，為了提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在實際的安裝施工中，要結(jié)合實際情況，選在合適的連接方式進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接方式。