劉 華， 盧清剛， 苗啟松， 李 源， 呼延辰昭

(北京市建筑設(shè)計研究院有限公司， 北京 100045)

0 前言

19世紀(jì)40年代完成工業(yè)革命的西方國家已盛行鋼結(jié)構(gòu)建筑，美國在1931年就建成了381m高的鋼結(jié)構(gòu)建筑——紐約帝國大廈[1]。但是縱觀我國的發(fā)展歷程，由于中華人民共和國成立初期，鋼材在很長一段時間內(nèi)都屬于“戰(zhàn)略物資”，建筑用鋼更是限制使用。然而，隨著我國鋼材年產(chǎn)量從1950年的61萬t增長到2020年的10億t[2]，建筑行業(yè)逐漸從產(chǎn)能不足、限制用鋼向產(chǎn)能過剩、鼓勵用鋼的方向發(fā)展。在此背景下，建筑用鋼逐漸從大型基礎(chǔ)設(shè)施工程向普通民用建筑滲透，鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑應(yīng)運(yùn)而生。在此基礎(chǔ)上，由于環(huán)境、人力、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等多方面因素的影響，國家政策也在積極地推動建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，鋼結(jié)構(gòu)以其天然的裝配優(yōu)勢，成為了推動裝配式建筑發(fā)展的主力軍之一。同時，鑒于我國的人居特點(diǎn)多以高層樓房為主，本文將以裝配式鋼結(jié)構(gòu)高層住宅為研究對象，其他采用冷彎薄壁、密柱輕鋼的別墅或多層建筑不在此贅述。

1 裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的特點(diǎn)

1.1 裝配式與鋼結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)本身就具有構(gòu)件工廠生產(chǎn)，并在工地組裝成型的特點(diǎn)，從廣義上來說，主體結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)的建筑均屬于裝配式建筑。計算裝配率時，鋼結(jié)構(gòu)建筑在主體結(jié)構(gòu)部分可以輕易得到滿分[3]，這正是鋼結(jié)構(gòu)裝配優(yōu)勢的直觀體現(xiàn)。

然而，隨著裝配式概念的不斷延伸和發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了裝配式鋼結(jié)構(gòu)這一新的定義。在原鋼結(jié)構(gòu)建筑工廠化生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，又增加了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、裝配化施工、一體化裝修、信息化管理和智能化應(yīng)用的特征，形成了一種區(qū)別與普通鋼結(jié)構(gòu)建筑的狹義上的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑。對于現(xiàn)階段的裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅來說，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、栓接裝配化施工、一體化裝修此三項為區(qū)別于普通鋼結(jié)構(gòu)建筑的主要特征。其中標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計應(yīng)以建筑戶型少模塊多組合，結(jié)構(gòu)構(gòu)件少種類多重復(fù)，水暖電少定制多兼容為原則，才能推進(jìn)各系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)而減少現(xiàn)場濕作業(yè)、焊接作業(yè)等，實現(xiàn)裝配化施工和一體化裝修。

根據(jù)項目參與方基本特征也可對傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)與裝配式鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)分，如表1所示。這兩種鋼結(jié)構(gòu)最本質(zhì)的區(qū)別在于傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)項目各方利益是分散的，各自追求自己的效益；裝配式鋼結(jié)構(gòu)項目各方則應(yīng)以提供一個完整產(chǎn)品為目標(biāo)，形成利益共同體，從而使項目整體的效益最大化。

表1 傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)與裝配式鋼結(jié)構(gòu)各方特征對比

1.2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)與住宅戶型

當(dāng)前我國高層住宅絕大部分采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)體系以其超強(qiáng)的適應(yīng)能力幾乎可以兼容所有的建筑戶型，而在人們追求更高品質(zhì)住宅戶型和資本利益最大化的雙重夾擊下，剪力墻住宅結(jié)構(gòu)的合理性、可靠性也幾乎到達(dá)了極限。若在此基礎(chǔ)上，以剪力墻結(jié)構(gòu)的住宅戶型去硬套裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系，結(jié)果往往是不盡如人意的。比如剪力墻結(jié)構(gòu)體系原本平整的墻面和頂棚，改為鋼結(jié)構(gòu)后出現(xiàn)了露柱露梁，影響了室內(nèi)空間。此外，里出外進(jìn)的戶型也嚴(yán)重影響了鋼結(jié)構(gòu)體系的效率，導(dǎo)致成本激增。此類案例屢見不鮮，讓人們對裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅留下了不好的印象，對裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的推廣造成了不良影響。

由此可見，建筑住宅戶型對裝配式鋼結(jié)構(gòu)有著舉足輕重的作用，一套合理、適用的戶型不僅可以將裝配式鋼結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn)合理規(guī)避，同時將鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢更好地發(fā)揮。圖1為筆者認(rèn)為比較合理的建筑戶型示例，從結(jié)構(gòu)角度來看該戶型具有如下特征：1)平面規(guī)則、對稱，凹凸較少；2)戶型方正，房間整跨布置，跨內(nèi)直線分割房間；3)柱位基本對齊，跨度合理。

圖1 建筑戶型示例

此類戶型為典型裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅，整個建筑僅由兩種戶型模塊和一種交通模塊組合而成。柱位對齊、平面規(guī)則對結(jié)構(gòu)效率有利，戶型方正、房間整跨布置、跨內(nèi)直線分割房間可以最大限度地避免室內(nèi)露柱露梁?？缍葹?～7m，框架梁高度控制在400～500mm，次梁高度考慮組合梁可控制在300～400mm，滿足室內(nèi)凈高。綜上，筆者認(rèn)為建筑戶型是決定裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅好壞的首要因素，在裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計流程(圖2)中應(yīng)放在首位。

圖2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計流程

1.3 建筑需求與結(jié)構(gòu)體系

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑的好壞除了與戶型緊密相關(guān)外，結(jié)構(gòu)體系的選擇也起著重要作用。從結(jié)構(gòu)的角度來看鋼結(jié)構(gòu)住宅，除了安全性這一最根本的要求之外，筆者認(rèn)為經(jīng)濟(jì)性、建筑品質(zhì)和裝配程度為鋼結(jié)構(gòu)住宅的三大主要需求(圖3)。

圖3 三大需求

鋼結(jié)構(gòu)住宅發(fā)展初期，鋼材緊缺，鋼材價格較高，經(jīng)濟(jì)性是發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)住宅的首要關(guān)注點(diǎn)。如何保證經(jīng)濟(jì)性？筆者認(rèn)為結(jié)構(gòu)受力合理、高效，自然能實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性。因此，出現(xiàn)了鋼框架、鋼框架-混凝土剪力墻、鋼框架-中心支撐等第一代鋼結(jié)構(gòu)住宅結(jié)構(gòu)體系，以結(jié)構(gòu)的合理布置，高效受力，實現(xiàn)用鋼量的經(jīng)濟(jì)性。

隨著人們對建筑品質(zhì)越來越高的要求，第一代鋼結(jié)構(gòu)住宅體系暴露出越來越多的缺點(diǎn)，如室內(nèi)露柱，抗側(cè)力構(gòu)件影響建筑功能等。如何保證建筑品質(zhì)？筆者認(rèn)為建筑功能合理、靈活，自然能實現(xiàn)建筑的高品質(zhì)。因此，為了平衡經(jīng)濟(jì)性和建筑品質(zhì)，出現(xiàn)了鋼框架-偏心支撐、異形柱框架-支撐、鋼管束剪力墻等第二代鋼結(jié)構(gòu)住宅體系，通過多個小柱截面聯(lián)肢(圖4(a))，或大高寬比隱式框架柱(圖4(b))減小柱截面，避免室內(nèi)露柱，以及通過不用整跨布置的偏心支撐來達(dá)到抗側(cè)力構(gòu)件適應(yīng)建筑戶型的要求。

圖4 減小露柱的方法

如今，裝配式成為了建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢，裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的需求也與日俱增。第一代和第二代鋼結(jié)構(gòu)住宅目前還可以定義為廣義上的裝配式建筑，然而未來如何實現(xiàn)狹義上真正的裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅呢？筆者認(rèn)為在兼顧經(jīng)濟(jì)性和建筑品質(zhì)的基礎(chǔ)上，施工安裝合理、綠色，就可以實現(xiàn)真正的裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅。未來的發(fā)展方向為第三代結(jié)構(gòu)體系，即全栓接隱式框架[4](圖5(a))-干式連接延性墻板體系(圖5(b))，通過高效抗側(cè)并可以靈活布置的延性墻板和不露柱的隱式框架保證鋼結(jié)構(gòu)住宅安全性、經(jīng)濟(jì)性和建筑品質(zhì)，通過全栓接和干式連接保證裝配程度，減少施工現(xiàn)場的濕作業(yè)和焊接工作。

圖5 結(jié)構(gòu)體系發(fā)展方向

2 設(shè)計要點(diǎn)與實踐

2.1 抗側(cè)力構(gòu)件與圍護(hù)系統(tǒng)

對于高層鋼結(jié)構(gòu)住宅，抗側(cè)力構(gòu)件一般為支撐或延性墻板，其布置的方式和方位直接影響著整個結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和效率。從結(jié)構(gòu)本身來說，抗側(cè)力構(gòu)件平面上應(yīng)對稱布置，使結(jié)構(gòu)沿兩個主軸方向的剛度相近?？箓?cè)構(gòu)件宜上下對齊，也可間隔布置，不過間隔布置抗側(cè)力構(gòu)件時計算、構(gòu)造均比較復(fù)雜，國內(nèi)應(yīng)用較少。鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)計時應(yīng)綜合考慮建筑布局，將支撐設(shè)置在分戶墻或者次要的功能空間中。除了以上比較基本的要求外，在設(shè)計裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)住宅時，支撐的布置還應(yīng)注意考慮圍護(hù)系統(tǒng)的要求。

裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)住宅的圍護(hù)體系多為墻板體系，較少的高端住宅會采用幕墻體系。墻板體系中蒸壓加氣混凝土墻板(AAC)與鋼結(jié)構(gòu)的適配程度較好，其輕質(zhì)、保溫、防火的特性較為突出，但墻板體系圍護(hù)系統(tǒng)適應(yīng)結(jié)構(gòu)變形的能力相對較弱。因此，對于裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)住宅，布置抗側(cè)力構(gòu)件時，不應(yīng)只考慮結(jié)構(gòu)本身按照風(fēng)荷載下層間位移角1/400進(jìn)行設(shè)計，宜布置足夠的抗側(cè)力構(gòu)件，使層間位移角至少達(dá)到1/550[5]，這一方面是為了兼容墻板體系圍護(hù)系統(tǒng)的變形能力，另一方面對于提高住宅建筑的舒適度也有一定效果。

此外，目前裝配式圍護(hù)系統(tǒng)外墻部分對于支撐構(gòu)件的處理還存在很多缺陷和隱患，很難同時滿足圍護(hù)、防水、隔聲、保溫和容納支撐構(gòu)件的要求(圖6)。因此為了保證外圍護(hù)系統(tǒng)的閉合性和可操作性，抗側(cè)力構(gòu)件在滿足合理、安全的前提下，宜盡量布置在建筑內(nèi)部。

圖6 圍護(hù)系統(tǒng)與支撐布置

2.2 矩形鋼管混凝土柱

對于裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)住宅，純鋼管柱很難滿足軸壓比的要求，因此大多采用矩形鋼管混凝土柱。此類組合截面在公共建筑和橋梁工程中應(yīng)用廣泛，利用鋼管的套箍作用，使內(nèi)部混凝土處于三向受壓狀態(tài)，提高了柱截面整體的受力性能。此外，內(nèi)灌混凝土對于鋼柱的防火性能也有極大的提升。

然而，當(dāng)矩形鋼管混凝土柱應(yīng)用在裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅中，卻遇到了問題。由于住宅建筑柱截面普遍較小，一般鋼柱最小截面邊長為300mm，為了避免露柱，采用隱式框架時，鋼柱最小截面邊長更是達(dá)到了200mm。對于此類小截面的鋼柱，灌注混凝土的難度較大。一般要求采用小粒徑自密實無收縮混凝土進(jìn)行灌注，優(yōu)先采用頂升灌注，采用高拋灌注時嚴(yán)格控制高度、速度等工藝(圖7)。

圖7 鋼管混凝土灌注

但是，有時即便采用了多種措施，仍然不能完全避免小管徑鋼柱灌注混凝土的問題，采用敲擊法檢測時仍有局部異常。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50344—2019)[6]要求，“鋼管混凝土受壓構(gòu)件內(nèi)混凝土脫粘率大于20%或脫粘空隙厚度大于3mm時，不宜考慮鋼管對混凝土的約束作用”。此時，應(yīng)采用超聲波進(jìn)行檢測，確定脫粘范圍，并采用鉆孔檢測，判斷脫粘率和脫粘空隙厚度(圖8)。當(dāng)不能滿足規(guī)范要求時，應(yīng)按不考慮鋼管約束作用復(fù)核柱截面的承載力。

圖8 鉆孔檢測脫粘空隙厚度

2.3 梁柱節(jié)點(diǎn)

目前，由于裝配精度、成本等多方面的原因，全螺栓連接的梁柱連接節(jié)點(diǎn)在國內(nèi)應(yīng)用較少，絕大部分鋼結(jié)構(gòu)項目仍然使用栓焊節(jié)點(diǎn)，即鋼梁翼緣焊接連接，腹板螺栓連接。此類節(jié)點(diǎn)計算理論成熟、施工安裝方便，應(yīng)用案例豐富。

鋼結(jié)構(gòu)最早多用于公共建筑，梁柱連接節(jié)點(diǎn)多采用柱貫通內(nèi)隔板式(圖9)。由于公共建筑鋼柱截面尺寸相對較大，并多采用焊接箱形截面，在工廠組裝時可以比較方便地設(shè)置內(nèi)隔板。鋼柱在連接節(jié)點(diǎn)處保持貫通，受力性能良好。

圖9 柱貫通內(nèi)隔板式梁柱節(jié)點(diǎn)

如今，在裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的應(yīng)用中反映出了一些柱貫通內(nèi)隔板式梁柱節(jié)點(diǎn)的問題。由于住宅建筑鋼柱截面尺寸普遍較小，多采用成品的冷彎高頻焊接矩形鋼管，一般3層一對接，因此很難設(shè)置內(nèi)隔板。鋼結(jié)構(gòu)住宅框架柱外輪廓尺寸通常全柱上下一致，通過逐漸減小壁厚來調(diào)整柱截面，達(dá)到一定高度后通常會出現(xiàn)柱壁板厚度小于梁翼緣厚度的情況，此時厚板與薄板T形焊接，焊接質(zhì)量和變形很難控制。因此，筆者建議裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅宜采用隔板貫通式梁柱節(jié)點(diǎn)(圖10)。

圖10 隔板貫通式梁柱節(jié)點(diǎn)

隔板貫通式梁柱節(jié)點(diǎn)使柱中斷，設(shè)置通長隔板，柱可直接采用成品鋼管，為將薄板焊在厚板上，節(jié)點(diǎn)位置焊接質(zhì)量和變形可控。貫通隔板與梁端懸挑段合并，可以采用較大板厚，直接滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”抗震要求，無須再設(shè)置蓋板加強(qiáng)或削弱梁翼緣的骨式連接。此外，貫通隔板突出柱邊的部分，還可以作為組合樓板在柱邊的支撐點(diǎn)，可以省去組合樓板柱邊角鋼的構(gòu)造。然而，由于柱不貫通，對于底層柱存在拉力的情況，應(yīng)嚴(yán)格控制柱拼接處的焊接質(zhì)量。當(dāng)隔板厚度超過40mm時，應(yīng)采用抗層狀撕裂的Z向性能鋼。

2.4 鋼梁下翼緣穩(wěn)定

對于鋼結(jié)構(gòu)框架梁，當(dāng)梁端翼緣受壓時，可能會發(fā)生畸變屈曲。對于上翼緣有樓板約束的鋼梁，則會在下翼緣發(fā)生約束畸變屈曲(圖11)。對于工業(yè)建筑或公共建筑，可采用下翼緣設(shè)置隅撐的方式來提供側(cè)向支撐，避免畸變屈曲的發(fā)生。然而，對于鋼結(jié)構(gòu)住宅，隅撐的設(shè)置會侵占室內(nèi)空間，嚴(yán)重影響建筑品質(zhì)(圖12)。

圖11 約束畸變屈曲

圖12 隅撐的影響

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[7](簡稱鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn))的算法和要求可知，截面正則化長細(xì)比λn.b小于等于0.45時，可不計算框架梁下翼緣的穩(wěn)定性。截面的正則化長細(xì)比主要與截面尺寸及框架梁側(cè)向無支撐長度Lc有關(guān)(圖13)。以鋼結(jié)結(jié)構(gòu)住宅中框架梁常用截面HN400×200×8×13為例，同時以H400×150×8×13和H500×200×8×13截面作為對照，分析翼緣寬度、腹板高度及無支撐長度對下翼緣穩(wěn)定性的影響，正則化長細(xì)比-側(cè)向無支撐長度曲線如圖14所示。

圖13 框架梁側(cè)向無支撐長度示意

圖14 正則化長細(xì)比-側(cè)向無支撐長度曲線

由圖14可知，對于一般鋼結(jié)構(gòu)住宅，鋼梁無支撐長度較小時，翼緣越窄、腹板越高，正則化長細(xì)比越大，說明下翼緣穩(wěn)定性越差。以HN400×200×8×13截面的框架梁為例，當(dāng)側(cè)向無支撐長度小于3m或大于6.3m時，可以不驗算下翼緣穩(wěn)定性，這一點(diǎn)對于鋼結(jié)構(gòu)住宅設(shè)置次梁后很容易達(dá)成。當(dāng)正則化長細(xì)比大于0.45時，需按照鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)驗算下翼緣穩(wěn)定性。

(1)

(2)

R1≤φd

(3)

式中：Mx為繞強(qiáng)軸作用的最大彎矩設(shè)計值；φd為根據(jù)正則化長細(xì)比計算的穩(wěn)定系數(shù)；W1x為彎矩作用平面內(nèi)對受壓最大纖維的毛截面模量；f為鋼材的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值；R1為截面的抗彎強(qiáng)度應(yīng)力比。

根據(jù)正則化長細(xì)比與抗彎應(yīng)力比的關(guān)系，可繪制圖15所示曲線。由圖15可知，對于典型截面HN400×200×8×13，當(dāng)正則化長細(xì)比大于0.45，驗算穩(wěn)定性時，只要控制梁端的抗彎應(yīng)力比小于0.8，則可滿足下翼緣穩(wěn)定性要求，無須采取任何措施。

圖15 抗彎應(yīng)力比-正則化長細(xì)比曲線

當(dāng)特殊情況下正則化長細(xì)比大于0.45，且穩(wěn)定性驗算無法滿足時，可采用在梁端側(cè)向未受約束的受壓翼緣區(qū)段內(nèi)設(shè)置間距不大于2倍梁高并與梁等寬的橫向加勁肋的做法來替代隅撐[7]，避免影響住宅室內(nèi)空間。

3 結(jié)語與展望

鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展已逾百年，鋼結(jié)構(gòu)住宅的發(fā)展卻還沒有多長的歷史，很多棘手的問題還待解決。而裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)住宅目前的發(fā)展還屬于研究階段，很多技術(shù)、構(gòu)造、措施還在不斷的探索中。但有一點(diǎn)是可以肯定的，裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)住宅是一個系統(tǒng)工程，需要建筑、結(jié)構(gòu)、機(jī)電、設(shè)備、材料、加工、安裝等多專業(yè)多學(xué)科的密切配合才能完成。這是一個各專業(yè)學(xué)科不斷突破、創(chuàng)新，并不斷相互碰撞、妥協(xié)的過程。

在人力成本激增、環(huán)保壓力加劇的大背景下，建筑產(chǎn)業(yè)的裝配化要求在不斷提高，廣義上的裝配式鋼結(jié)構(gòu)空間不斷被壓縮，亟需研發(fā)新型裝配化程度更高的鋼結(jié)構(gòu)體系。未來隨著加工和安裝精度的提高，采用全栓接內(nèi)法蘭連接的鉸接框架+消能減震抗側(cè)力裝置的結(jié)構(gòu)體系會有較大的發(fā)展前景，真正意義上實現(xiàn)工廠生產(chǎn)、現(xiàn)場組裝的裝配式高層鋼結(jié)構(gòu)住宅。