低層冷彎薄壁型鋼房屋樓蓋系統(tǒng)分析研究

黃永超 王越 梁超 鄭霄

摘 要：低層冷彎薄壁型鋼房屋是目前國內(nèi)大力發(fā)展的裝配式房屋體系之一，沿用國外成熟的結(jié)構(gòu)理念，逐漸誕生了一些更適合中國國情的構(gòu)造措施和建筑做法，這里專門針對該類房屋的樓蓋系統(tǒng)進(jìn)行利弊分析，提出新的理論模型，力求找到更優(yōu)的裝配式樓蓋系統(tǒng)解決方案。

關(guān)鍵詞：冷彎薄壁型鋼；裝配式；樓蓋系統(tǒng)；夾層樓板

1 前言

隨著JGJ 227—2011《低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術(shù)規(guī)程》的發(fā)布，低層冷彎薄壁型鋼房屋在國內(nèi)的應(yīng)用越來越廣泛，逐漸成為低層裝配式建筑的首選結(jié)構(gòu)形式。

低層冷彎薄壁型鋼房屋（以下簡稱薄壁型鋼房屋）在國內(nèi)的定義：以冷彎薄壁型鋼為主要承重構(gòu)件，層數(shù)不大于3層，檐口高度不大于12m的低層房屋建筑。

薄壁型鋼房屋的樓蓋系統(tǒng)由密肋梁及其上鋪設(shè)的結(jié)構(gòu)板組成，常見的樓蓋系統(tǒng)如圖1所示。

國內(nèi)外薄壁型鋼房屋的樓蓋系統(tǒng)，大致有以下幾種形式：

（1）實(shí)腹梁（桁架梁）+結(jié)構(gòu)板材（OSB板、水泥纖維板或其他板材）+裝飾面層。

（2）實(shí)腹梁（桁架梁）+低波紋壓型鋼板樓承板+現(xiàn)澆鋼筋混凝土+裝飾面層。

這些樓板系統(tǒng)有兩個(gè)共同的特點(diǎn)——①密肋梁+結(jié)構(gòu)面板；②梁按簡支單獨(dú)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，并能滿足強(qiáng)度和變形要求。

我們將針對薄壁型鋼房屋的特點(diǎn)，根據(jù)結(jié)構(gòu)原理建立新的樓蓋系統(tǒng)理論模型，并進(jìn)行分析研究。

2 樓蓋系統(tǒng)的作用

薄壁型鋼房屋的傳力方式類似于盒子：（1）豎向荷載通過樓蓋傳給承重墻體，后者再傳給基礎(chǔ)；（2）水平風(fēng)荷載、地震作用通過樓蓋傳給相應(yīng)抗剪墻體后傳給基礎(chǔ)。

樓蓋連接了多面墻體，既要將樓面荷載傳給承重墻，也要將各向水平力傳遞給相應(yīng)抗剪墻，所以他必須同時(shí)具備豎向和水平方向的強(qiáng)度和剛度。

目前常用的幾種樓蓋系統(tǒng)都是利用簡支梁將豎向力傳給兩端墻體的立柱，其整體受力方式與單向板傳力近似，這就需要在設(shè)計(jì)過程中調(diào)整梁的布置方向來平衡豎向力的傳遞，避免豎向力過于集中。

3 常見樓蓋系統(tǒng)的缺點(diǎn)

（1）樓蓋系統(tǒng)的截面很高（300mm左右），要達(dá)到現(xiàn)澆混凝土樓板結(jié)構(gòu)相同凈高需要付出更大代價(jià)。

（2）梁單獨(dú)驗(yàn)算，忽略了板的組合作用，用鋼量大。

（3）需要較多的構(gòu)造措施來保障整個(gè)樓蓋系統(tǒng)的整體性，而過高的截面也導(dǎo)致了上下樓層的墻體需要更多的配件才能連接，經(jīng)濟(jì)性和可靠性較差。

（4）水平兩個(gè)方向的剛度差異較大，房屋整體傳力的可靠度受影響。

4 新型樓蓋系統(tǒng)理論模型

4.1 理論模型借鑒了壓型鋼板組合樓板和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心樓板的結(jié)構(gòu)原理

（1）以壓型鋼板為底模的現(xiàn)澆混凝土樓板，有兩種形式：

①壓型鋼板組合樓面：壓型鋼板參與結(jié)構(gòu)計(jì)算，可減少下部受拉鋼筋用量。

②壓型鋼板非組合樓面：壓型鋼板僅作為免拆模板使用，混凝土單獨(dú)計(jì)算配筋。

薄壁型鋼房屋的梁布置很密，間距在600mm左右，上面鋪設(shè)壓型鋼板再澆筑鋼筋混凝土，無法充分利用組合樓板的性能，造價(jià)偏高。所以，小跨度的樓蓋可以直接采用壓型鋼板組合樓板而取消密肋鋼梁。

一般跨度的現(xiàn)澆混凝土樓板的配筋率較小，往往達(dá)到最小配筋率的構(gòu)造配筋就能滿足設(shè)計(jì)要求（比如3m跨度的100厚樓板約0.2%最小配筋率），而100厚的組合樓板采用1.0mm厚的壓型鋼板，僅鋼板本身如果折算成鋼筋就可高達(dá)1.2%以上的配筋率，而這些鋼材的強(qiáng)度基本沒有用上。新型樓蓋系統(tǒng)方案將研究如何充分有效的利用壓型鋼板的抗拉強(qiáng)度。

（2）預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心樓板以及更復(fù)雜的大跨度鋼筋混凝土空心夾層樓板的構(gòu)造原理可以直接借用在新型樓蓋系統(tǒng)模型上。

4.2 冷彎薄壁型鋼夾層樓板

（1）結(jié)合上文兩類樓板的優(yōu)點(diǎn)，并利用冷彎薄壁型鋼的特點(diǎn)，建立一種新型的樓蓋系統(tǒng)模型，我們命名為冷彎薄壁型鋼夾層樓板，分為兩大類：a、冷彎薄壁型鋼空心夾層樓板，b、冷彎薄壁型鋼實(shí)心夾層樓板，如下圖2所示。

這種樓蓋系統(tǒng)最大的特點(diǎn)：正彎矩由下部鋼板來承擔(dān)，受壓區(qū)由混凝土、高抗壓強(qiáng)度的板材或是二者的組合來實(shí)現(xiàn)，龍骨僅是為了構(gòu)建樓板有效截面高度以增加豎向剛度（圖3）。

4.3 優(yōu)點(diǎn)

（1）新型樓蓋系統(tǒng)降低了整體高度，與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土樓板高度接近；（2）材料各司其職，受力清晰，節(jié)約成本；（3）作為一個(gè)整體受力體系，若邊梁采取一定的加強(qiáng)措施，可以不考慮與墻立柱一一對應(yīng)，布局更加靈活。（4）樓蓋由近似的單向板系統(tǒng)變成了單雙皆宜。（5）生產(chǎn)、安裝比常用的樓蓋系統(tǒng)更加方便，甚至可以和墻體采用通用龍骨，更適合整體模塊化生產(chǎn)、運(yùn)輸和吊裝。

4.4 需要注意的問題

（1）和壓型鋼板組合樓面一樣，需要對底部鋼板進(jìn)行防火處理，有兩種方式：防火涂料、外包耐火板。

防火涂料可以采用噴涂，既有防火性能，也可直接作為裝飾涂料。外包耐火板材，根據(jù)耐火極限的要求，可以采用耐火石膏板、硅酸鈣板等耐火材料吊頂來實(shí)現(xiàn)，既防火又美觀。

（2）鋼材的耐久度要和建筑使用年限一致，建議采用鍍鋅Zn275或是鍍鋁鋅AZ150及更好的防腐涂層加以保護(hù)，普通環(huán)境下鍍鋅量275g/m2的冷彎薄壁型鋼使用年限大于75年。

4.5 計(jì)算

（1）可按四周簡支的雙向板來進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算；若長寬比大于2則按簡支單向板來計(jì)算。下部鋼板承擔(dān)全部拉力，上部混凝土或結(jié)構(gòu)板承擔(dān)全部壓力。

（2）需要完善的試驗(yàn)來驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的可靠性：按照上述理論模型建造試驗(yàn)樓板，逐步加荷并測量變形數(shù)據(jù)，觀察破壞形式，核實(shí)理論計(jì)算與實(shí)測數(shù)據(jù)的偏差。

（3）連接構(gòu)造要求。①樓蓋龍骨的四周設(shè)置剛性K型支撐，加強(qiáng)樓蓋整體穩(wěn)定和剛度。②下部受拉鋼板和上部受壓結(jié)構(gòu)板與龍骨之間采用M5.5自攻螺釘，間距不大于100mm，并要經(jīng)過抗剪驗(yàn)算。

5 結(jié)束語

新型的樓蓋系統(tǒng)——冷彎薄壁型鋼夾層樓板，它傳力清晰、易于安裝、節(jié)約空間、成本低廉，和低層冷彎薄壁房屋的結(jié)合度非常高，便于模塊化、產(chǎn)業(yè)化，利于裝配式房屋的推廣和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] JGJ 227—2011.低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 中國建筑工業(yè)出版社出版的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》（第三版）.

[3] 趙維， 楊建軍. 淺談三種現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋板[J].山西建筑，2006.

[4] 原雪.薄壁箱體現(xiàn)澆混凝土空腹樓蓋的受力性能和設(shè)計(jì)方法研究[D].中南大學(xué)，2013.