Z型隐藏梁及结构防火设计在装配式钢结构建筑中的应用

时间：2019-10-26 22:01:49 来源：建筑工业化装配式建筑网

　　随着装配式建筑推广及应用的常态化和相关规范的完善，越来越多的装配式建筑呈现在人们的眼前，装配式建筑基地如雨后春笋。但让人意外的是：装配式混凝土建筑成了网红，装配式钢结构建筑在这次建筑升级中表现的不温不火。

　　通过深入了解后得出了以下几点原因：一是钢结构建筑主要用于公共建筑，而此次建筑升级，主要是体量大的住宅类建筑。钢结构建筑本身即是装配式，但用于公共建筑时的幕墙及楼承板等配套部品完备，直接用于住宅时造价过高;二是钢结构建筑尚未解决的遗留问题：主要是结构防火及防腐带来成本较高的问题。

　　本文的研究内容是用Z型隐藏式梁替代传统的H型梁，其优点是室内外不露梁柱，且因Z型梁的腹板方便连接门窗柱，从而主梁的支点增多，梁端与主结构柱的受力情况改善，材料截面可相应减小，同时因门窗等次柱的增加，也有利于外墙板的安装及室内保温棉的铺设，满足了防火要求。增加了次柱后，每个房间被围成了一个个的筒状，形成了筒中筒结构，增加了建筑的整体稳定性。

　　关键词：隐藏式Z型梁梁柱一体结构

一、利用MtsTool软件对Z型梁和H型梁的分析对比

　　首先用MtsTool进行分析对比时，选用的H型和Z型截面为320-130-10-10，因该软件中的参数不能改变，腹板和翼缘的厚度是一样的。下图中，两种截面质量同为44.39KG，截面积为56.5，材质Q235，长度为4米，简支梁，左端支座为：竖向铰接，右端支座为：竖向铰接，分别施加10/20KN的恒载与活载。

　　从软件计算结果看，H型梁整体稳定性较Z型梁差。在两种截面的特性值中，H梁和Z型梁的y轴的截面惯性矩分别为348.93cm4和1388.43cm4。

二、应用Midas软件对H型梁和Z型梁进一步分析对比

　　用二柱一梁的简单结构，对H型梁和Z型梁进行分析对比，选用200*10的方管柱，H梁截面为320*130*9.5*15，Z型梁截面为与320*130*9.5*15，两种梁截面几何尺寸与截面质量相同，柱高4米，柱间距4米，材质均为Q235。

　　建立好模型后，在H型梁和Z型梁上施加荷载，分别是10KN的恒载和20KN的活载，通过分析后观察梁细部应力与变形状况。

　　从迈达斯的分析结果来，两种截面的梁在施加相同荷载时，应力应变弯矩等值非常接近，但是MtsTool的整体稳定性计算中，Z型梁要好于H型梁，其原因应该是Z型梁的长细比较H梁小，其弱轴的惯性矩比H梁大的多，都是造成Z型梁整体稳定性较好的原因。

三、梁柱一体结构的分析对比

　　Z型梁的腹板与墙体是平行的，与门窗柱的连接方便，通过焊接或栓接的形式把Z型梁与门窗柱组成一个部件(如图9)。门窗柱与梁连接后将参与结构承重，使梁的支承点增加，梁两端与主结构柱的应力减小，可适当减小主结构柱的截面尺寸，这部分钢材被分摊到门窗柱上，每一间房子一周都有许多小门窗柱，形成了一个个的筒体结构，整个建筑的钢材分布和结构受力更趋均匀。下面通过Midas软件对一栋六层钢结构住宅的单个墙体进行的分析对比。

　　其中，主结构柱跨度6米，柱高4米，图8为传统H型梁柱结构，柱和斜支撑截面采用h320*130*9.5*15，梁截面采用h400*400*13*21;图9为Z型梁柱结构，两边主柱与图8一样为h320*130*9.5*15，梁截面为Z320*130*9.5*15，门窗柱与支撑为矩形管100*50*4。

　　对图8中H400*400*13*21截面的梁和图9中的Z320*130*9.5*15截面的梁施加荷载，分别是活荷载20KN，恒荷载30KN。

　　通过对两种墙体结构的分析对比，采用小截面多柱结构的Z型梁比传统大截面大跨度的H梁的更有优势，不仅强度没有减弱，还将带来可观的经济效益。墙体钢材用量分别是1950KG和1055KG，减少了30%以上。

四、结构防水及防火设计

　　在梁柱结构的外侧安装外墙板，采用高强度混凝土材料，高度比楼层略低10-20毫米，长度3到6米，厚度一般50毫米，墙体制作时内置预埋件，朝外的一侧可以喷涂外墙真石漆，制作时在制作平台的底层放一层彩砂，养护完成后在室内侧的墙表面喷涂一层防水材料。安装时通过卡箍将预埋件与门窗立柱连接，具有柔性的连接件与门窗立柱构成延性结构。在受到外部荷载时，由于门窗立柱和Z型梁是刚性连接，所以外墙板不直接参与荷载，但是对门窗立柱又产生平面约束，主结构的立柱与辅助的外墙板始终同时在抵抗荷载。与钢框架延性混凝土墙板不同之处，是该结构在受到地震作用时，由于混凝土强度低于钢材，在荷载足够大时，混凝土必然首先被破坏，之后才是钢结构框架抵抗地震荷载直至结构破坏。Z型梁结构的墙板起到增加钢结构柱的稳定性，形成蒙皮效应，受力过程中，只要没有超过钢结构的极限荷载，混凝土墙板一直能起到增加结构稳定性的作用而不至破坏。梁柱一体结构通过Z型梁两端的端板与H钢柱的翼缘用螺栓连接，施工顺序和传统钢结构一样，依次是混凝土基础，预埋件固定与浇筑，竖H钢柱，安装梁柱一体结构，安装外墙板。由于外墙板的面积较大，外墙板接缝内放置三元乙丙密封条，外面用不锈钢压条封堵，不需要打胶(如图12)，可以形成长效防水密封。

　　室内一侧的钢结构防火，采用厚度100mm以上的玻璃棉将立柱全部覆盖起来，用几字型压条将之固定在门窗柱上，玻璃棉被压条压实后厚度会减小，门窗柱内表面到压条的外表面之间的距离就是防火层的厚度(如图13)。防火层的厚度与玻璃棉的容重，通常要根据建筑设计说明中的要求去设定。利用玻璃棉的可压缩性，将水电线管安装在两组压条中间，压条的内侧表面固定内墙板，将玻璃棉及水电线管遮盖住，实现管线分离及钢结构防火。内墙板的厚度，通常按照建筑防火等级来设定。

结束语：

　　Z型梁的腹板安装门窗立柱，下翼缘上放置楼板构件，上翼缘放置二层的墙体(图14)，整个梁隐藏在墙体内，室内不占用吊顶空间，室外不会露梁露柱，外墙防水设置简单安全长效，将墙板渗漏造成结构腐蚀降到了最低点。室内保温棉铺设后，结构立柱与内墙板之间形成了断桥，不仅防火隔音，对建筑形成内保温，墙体蓄热少，保温时间长，有利于建筑节能，通过设定保温棉的厚度和容重，节能可以达到80%以上。整个建筑除了基础和部分精装修以外，达到了全装配，对提高建筑品质与降低工人劳动强度、提高工作效率将产生系统和深远的改善。

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