装配式钢结构设计实例分析

2019-02-17李斌

城市建设理论研究（电子版） 2019年18期

李斌

临沂市建筑设计研究院有限责任公司山东临沂 276000

1 概述

装配式建筑是指结构系统、外围护系统、设备与管线系统、内装系统的主要部分采用预制部品部件集成的建筑。装配式钢结构建筑是指建筑的结构系统由钢部（构）件构成的装配式建筑。相对于普通的混凝土结构，装配式钢结构建筑自重较轻、绿色环保，是一种非常好的结构形式，但外墙体系与传统建筑存在差别，较为复杂，防火和防腐问题也需要引起重视。

2 装配式钢结构建筑结构选型

装配式钢结构建筑在方案设计时需要预先选择结构形式，目前常用的结构形式有以下几种：

1）框架结构。此类结构形式计算方便，施工也相对容易，但抗侧力体系刚度相对弱一些，在高烈度地区，地震荷载计算下的位置不容易控制，梁柱截面可能会大一些。

2）钢管混凝土结构。此类结构多采用钢管混凝土柱、型钢梁作为主要受力构件。这种结构形式的优点是抗侧力体系刚度较纯钢框架大，钢柱的用钢量要小一些，但由于柱内要填充混凝土，对施工质量的要求相对较高。

3）框架支撑结构，可采用普通型钢支撑或者屈曲约束支撑（BRB）。这种结构形式对位移的控制更严，因而能够更好的控制内外墙板在风荷载和地震荷载下的变形。但由于加支撑的位置会影响建筑要求，在选择的时候会受到一定的限制。

4）采用减隔震技术的钢结构。钢结构配合减隔震装置使用，可更好的控制地震荷载的影响，在今后也是装配式钢结构建筑应用的一个方向。

3 装配式钢结构在结构设计中的常见问题及对策

1）抗震等级及地震加速度的选取。装配式钢结构主要应用于学校、医院等公共建筑，而此类建筑中根据规范要求属于重点设防类的，其抗震等级应按比本地区提高一度的抗震设防烈度选取。同时，对于学校、医院建筑，国家也有相关文件明确要求，其设计基本地震加速度应按比本地区提高半度的要求选取。对于同属于教育建筑的大学建筑，根据规范理解，其抗震等级仍可按本地区抗震设防烈度选取抗震等级，但其地震加速度的选取仍应按文件要求的比本地区提高半度的要求选取。

2）设计规范的选用。不同规范的要求可能不同，设计时要注意规范指标的选中。如根据《建筑抗震设计规范》，多高层钢结构的弹性层间位移角限值为1/250，但根据《钢管混凝土结构技术规范》的要求，钢管混凝土框架结构的弹性层间位移角限值为1/300。同理，采用减隔震设备的结构也需满足减隔震规范的要求。

3）钢结构设计的细节问题。由于装配式钢结构项目的梁柱节点等部件大多数都是工厂加工后现场安装，其对设计细节的要求就更加严格。

下面举一个简单的例子，图1所示的外包柱脚是钢结构中的常用形式，在短柱纵筋的顶部通长都设有弯钩，为了节省造价，此短柱截面通长不会做的过大。现场安装的时候会先浇筑基础混凝土及预埋短柱纵筋，若柱脚底板比短柱略小，这时就可能产生柱脚安装不进钢筋笼的问题，又由于短柱纵筋一般直径较大，想将纵筋扳一个角度再放钢柱脚也非常困难。

图1 外包式柱脚详图

4）使用钢筋桁架楼承板时钢梁的结构标高问题。装配式钢结构往往选用钢筋桁架楼承板作为结构楼板，不同板厚的两块板在拼板处的钢梁需要考虑板顶标高的问题。

5）钢管混凝土柱材料及施工要求。钢管混凝土柱内的混凝土宜采用自密实混凝土，应在钢管壁适当位置留有足够的排气孔。若有异常，可采用超声波对混凝土进行检测。对浇筑不密实的部位，可采用钻孔压浆法进行补强，然后将钻孔进行补焊封固。

6）装配式钢结构建筑的建筑外立面宜规则、平直，尽量减少曲线弧面，以减小外墙板安装及拼接的难度，也有利于建筑防水做法。

4 墙板的选用及节点要求

装配式钢结构建筑经常选用蒸压轻质加气混凝土板(ALC板)或类似产品作为建筑的内外墙板。ALC板作为填充墙用于外墙时包括内嵌和外挂的形式。

ALC板作为围护墙体使用，是以两端与主体结构简支连接参与工作。墙板两端采用U型卡、直角钢件法或专用连接件与螺栓等形式与主体结构连接。应该注意的是内外墙墙板与主体结构的连接方式是不一样的，外墙不能简单地以U型卡的方式连接。

当单层条板隔墙采取接板安装且在限高以内时，竖向接板不宜超过一次，且相邻条板接头位置应至少错开300mm。条板对接部位应设置连接件或定位钢卡，做好定位、加固和防裂处理。

墙板门窗洞口需要采用角钢、扁钢等方式加强。加强角钢或扁钢两端与钢梁需做有效连接。外墙门窗洞口的加强角钢或扁钢及两端的连接焊缝等需做风荷载下的承载力验算。

5 实例分析

本工程为一地上五层的高校教育建筑，结构形式采用钢管混凝土框架结构，设计基本地震加速度为8度(0.20g)，调整后的设计基本地震加速度为8度(0.30g)，设计地震分组为第二组，场地类别为II类，结构抗震等级按8度区的要求取为二级。本工程采用独立基础。柱脚采用外包式刚接柱脚，在正负零位置设有钢筋混凝土地梁层。本工程的建筑平面如图2所示。