装配式钢结构建筑的深化设计研究

时间：2020-05-30 13:15:32 来源：中国二十二冶集团有限公司

　　摘要：以某省装配式钢结构建筑项目为依托，结合MIDAS/Gen有限元分析软件对钢结构建筑外墙板的安装施工精度控制进行了分析研究。通過建立两种不同的施工方案模拟了外墙板“上拉下托”式的节点连接方式下荷载对钢结构变形的作用。研究结果表明：钢结构建筑装设外墙板较未装设外墙板的节点挠度增大，且随外墙板安装层数的增加，钢挠度绝对差值随楼层的增加而逐渐增大;按照每3层划分为一施工段时，在进行第6层外墙板装设时整个施工阶段的钢梁挠度绝对差为最大值，且最大值满足要求;按照每5层划分为一施工段时，在超过第7层以上外墙板装设时，钢梁挠度绝对差值均大于相关规范规定的允许范围，不满足要求。因此不能够仅为提高施工进度而按照每5层为一施工段进行施工，导致外墙板装设不安全。

　　关键词：钢结构;装配式;建筑外墙板

1 引言

　　装配式建筑是由按设计制作的预制构件在工地装配的建筑。装配式建筑包括装配式混凝土建筑、装配式钢结构建筑、装配式木结构建筑及各类装配式组合结构建筑等。装配式建筑的承重结构主要由预制构件和现浇构件组成、围护和分隔墙体采用预制方式，并装修一体化。装配式建筑设计的方案阶段是整个设计环节的重中之重;与传统结构的设计相比结构设计师在方案阶段的作用更加重要，施工图设计阶段应注重细部节点的推敲。装配式建筑设计的前期方案要考虑的问题是预制装配率，预制装配率是指装配式建筑±0.000以上的预制构件、装配式内外围护墙等体积或面积占该部分总面积的比率。预制装配率是评价装配式建筑的主要指标，反应了装配式建筑中装配率程度。设计中应明确建筑单体的预制装配率情况。各地对于预制装配率指标都给出了一些地方性的规定，如根据江苏省的相关文件中给出预制内外墙板、预制楼梯板、预制楼板(简称三板)在单体建筑中的应用比例不得低于60%。

2 建筑结构设计发展

　　装配式建筑的外立面强调免抹灰技术、一次成型技术(如瓷砖反打)，避免外立面施工时进行大量的湿作业。装配式建筑的立面造型应该通过阳台板、空调板等出挑构件的有序布置实现;应该通过线脚、立面材质以及阴影的变化实现;不应该通过主体结构的里凸外进实现。装配式结构设计的计算采用和现浇结构一样的计算原则。预制构件的设计宜采用建筑模块化设计思路，确保预制构件的钢筋与预留洞口、预埋件等构件同建筑相吻合，简化预制构件连接节点施工;预制构件的形状、尺寸、重量等应满足制作、运输、吊装、安装各环节的要求;预制构件的配筋设计应便于工厂化生产和现场连接。装配式结构设计中结构构件的拆分与建筑平面、立面的调整是同时进行的，此过程是落实标准化设计的过程。装配式结构设计这两年得到了很好的发展，积累了不少经验，如嵌固部位楼板需要做现浇(地下室顶板需要做现浇)。

　　地下室顶板设计条件和标准层不一样，也无法实现规格统一，做成现浇既充分满足规范又便于设计和生产;屋面板建议做现浇板，按GB/T51231-2016第5.5.2条要求，屋面板做叠合楼板时代价较大，且屋面板设计条件也不同于标准层，往往有太阳能设备基础等附属构件;合用前室部位的楼板建议做现浇，该部位电气管线密集，多为2排甚至多排电气管线并行，此处做叠合楼板不便于施工;

3 工程背景

　　某建筑结构为河北省一装配式钢结构建筑项目。该项目总建筑面积约5万m2，以混合框架-支撑体系为主，框架柱整体以矩形钢管混凝土为基础，梁、支撑采用热轧H型钢和焊接H型钢连接，筏板基础。建筑总高度为82m，其中地下建筑面积为620.41m2，地上建筑面积为10435.6m2。

　　3.1 围护结构施工工艺

　　装配式钢结构体系外墙板构件采用工厂预制，现场安装。由于受现场环境和施工工况的影响，外墙板需要承受外挂件的重量，特别是下层外挂墙板的安装，容易导致上层框架出现较大变形。若墙板安装节点产生较大变形，则墙板无法按设计要求进行安装，因此需要合理的施工方案来保证钢梁上层结构的变形控制在合理范围内。本项目外墙板采用渐进式、由上而下的安装方法。由于缺乏相关的规范和工程实例，因此，采用MIDAS/Gen有限元分析软件建立外墙板位移较大的节点模型来计算外墙板的位移，通过软件模拟来实现不同施工阶段下外墙板施工安装精度和监控要求。

　　3.2 楼板、屋面板设计

　　工程楼板采用预应力混凝土钢肋叠合板，由混凝土底板、波纹钢腹板、混凝土上翼缘组成。其中底板厚度为30mm，波纹钢腹板高度为45mm，混凝土上翼缘厚度为30mm，总高度105mm，波纹钢腹板优先选用厚度1.5mm，其上下两端分别锚固于混凝土上翼缘和底板内，其中在底板内的锚固高度为25mm，在上翼缘内锚固15mm，相邻两条混凝土上翼缘之间的距离为600mm。预应力钢筋使用1570级螺旋肋高强钢丝φH5.0，单根预应力钢筋张拉控制应力σcon=0.55?ptk，超张拉5%。底板内另设置均布横向钢筋C8@200，上翼缘内设置通长纵向钢筋2C8，预应力筋及上翼缘内钢筋的保护层厚度均为15mm。该预应力混凝土叠合板开裂荷载大于6kN/m2，极限承载力为8～18kN/m2，跨中挠度为7.75mm，与相同板跨的钢丝桁架楼板相比，其承载力提高了3.3倍。

　　3.3 经济性研究

　　分别将计算钢框架、钢丝桁架混凝土复合墙板和预应力混凝土钢肋叠合板的成本。钢材用量475.38t，工日1436，较混凝土框架结构(框架柱600mm×600mm，框架梁300mm×750mm，次梁250mm×600mm)节约工期50%。钢丝桁架混凝土复合墙板较200mm厚砌块加50mm厚EPS保温墙板相比，工期节约高达67.8%，节约建筑面积325.57m2。成本较砌块+外保温外墙和200mm厚ALC外墙板降低10%和20%。预应力混凝土钢肋叠合板施工周期较130mm厚现浇楼板减少68.5%，与130mm厚钢筋桁架混凝土叠合板相比成本降低24%，具有更好的经济性。

4 结语

　　钢结构建筑装设外墙板较未装设外墙板的节点挠度增大，且随外墙板安装层数的增加，钢梁挠度绝对差值随楼层的增加而逐渐增大。2)按照每3层划分为一施工段时，在进行第6层外墙板装设时，获得整个施工阶段的钢梁挠度绝对差最大值，其中第6层量节点的最大挠度绝对差值为4.872mm，最大挠度差出现在钢梁A左侧节点，且满足JGJ/T157—2014要求。3)按照每5层划分为一施工段时，在超过第7层以上外墙板装设时，钢梁挠度绝对差值均大于JGJ/T157—2014规定的允许范围，不满足施工要求。因此不能够仅为提高施工进度而按照每5层为一施工段进行设计施工，导致外墙板装设超出JGJ/T157—2014要求。

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