地震多發地區裝配式建筑研究

(成都大學 四川 成都 610000)

2008年5月12日，四川汶川發生8.0級地震，該地區大部分房屋為磚混或混凝土結構，自重大、整體性能差，受地震破壞非常大。為了迅速安置失去家園的幸存者，政府在震后搭建了大量臨時活動板房。活動板房是一種以輕鋼為骨架。這種標準化鋼結構預制構件給了我們啟示：我們是否可以將預制鋼結構以產業化的模式推廣到地震多發地區的永久性建筑，乃至更廣闊的小城鎮和農村地區呢？

適合低層住宅的體系有輕鋼結構體系和冷彎薄壁型鋼體系。我國絕大部分地區都有抗震設防的要求，特別是近兩年來全國很多地區地震頻發，因此探討該結構體系在地震區應用及災后重建均具有積極意義。本文通過一棟典型的三層聯體別墅為例，建立有限元模型，通過輕鋼結構與冷彎薄壁結構體系相對比來分析其整體抗震性能，再將鋼結構全壽命周期工程造價與傳統框架結構的工程造價進行了比較，得到的結果可供相關人員參考。

一、有限元模型

(一)鋼框架

傳統鋼框架結構構件截面形式主要有H型、工字型、L型等，用SAP2000建立有限元模型，模型中的框架梁柱、屋架弦桿用桿單元模擬，樓面板、屋面板用薄殼單元(Shell-thin)模擬。

(二)冷彎薄壁型

冷彎薄壁型鋼結構構件的截面形式有C型、U型、L型。用SAP2000建立有限元模型，模型中的墻體龍骨、樓蓋梁、屋架弦桿用桿單元模擬，墻體覆面板、樓面板、屋面板用薄殼單元(Shell-thin)模擬，墻體龍骨與墻體覆面板間采用邊束縛，不考慮單元之間滑移。

二、抗震性能分析

(一)模態分析

經過有限元模態分析，兩種模型均獲得了結構前15階振型和自振周期。鋼框架結構模型中對結構影響最大的前三階周期為1.443s、1.097s、0.982s，振型分別對應y向平動、z向扭轉、x向平動。冷彎薄壁型結構模型中對結構影響最大的前三階周期為0.385s、0.333s、0.309s，振型分別對應y向平動、x向平動、z向扭轉。綜上述可知冷彎薄壁型結構整體抗震性能明顯好于鋼框架結構。

(二)樓層位移及層間位移分析

計算結構水平位移采用反應譜法，抗震設防烈度為7度，水平地震影響系數最大值αmax為0.08，場地類別二類，設計地震分組第三組，特征周期Tg為0.45s。冷彎薄壁型結構樓層位移顯著小于鋼框架結構，前者樓層層間位移也遠小于后者且前者層間位移曲線更光滑即樓層層間位移突變幅度小于后者，因此冷彎薄壁型結構抗震性能優于鋼框架結構。墻體覆面板的蒙皮效應提高了結構體系的整體抗震性能，由有限元模型分析知如果墻體覆面板采用力學性能比石膏板更好的OSB板效果將更好。

分析中可以看出，在主鋼結構用量上，雙跨雙坡有中柱的方案，柱距為5.9m*5.5m的方案比較節省。參考目前市場價格，主鋼結構8000元/噸(包括制作、運輸、連接、除銹、刷漆等)，組合樓板200元/m2，圍護部分綜合單價240元/m2，基礎150元/m2。該方案單方估價為895元/m2。

按傳統工程造價的算法，冷彎薄壁型鋼龍骨組合墻體結構造價比鋼砼結構高出32%，但在建筑產品的使用過程中我們發現：由于柱截面減小較多，鋼結構住宅同比砼框架大約能提高4%-8%的使用面積，同時鋼梁比混凝土梁高小，節省了層高，為購房者帶來的經濟效益是非常可觀的；鋼結構另一大特點在于綠色環保可回收利用，普通住宅拆除時，我們往往要花錢進行爆破拆除并為如何處理建筑垃圾而煩惱，鋼結構住宅壽終正寢之時，專業機構以2000-3000元/噸的市場價格收購熔爐再鑄造。所以，我們要從全壽命周期的角度來考慮鋼結構住宅的整體經濟效益，即鋼結構住宅整體成本=工程總造價-使用面積率提高帶來的收益-可回收利用帶來的收益。如表1所示：

表1 鋼結構住宅的整體經濟效益表

注：使用面積率提高收益(萬元)=總建筑面積(m2)×鋼砼結構的房屋面積率×鋼住宅提高的使用面積率×房屋售價(元/m2)(4)

結語

1.從全壽命周期考慮，輕鋼結構住宅比傳統住宅的造價略高，但不會太多，本項目為11%，隨著規模的增大，形成產業化，價差還會進一步縮小。由于安全無法用金錢來衡量，所以輕鋼住宅的造價在震區是可以被廣泛接受的。2.在我國人口密度不大的地區，輕鋼住宅有廣闊的前景。輕鋼結構和不同檔次的小區環境相配套，可以形成高、中、低檔的獨立住宅，靈活滿足不同經濟實力的消費群體。近幾年輕鋼別墅在沿海城市發展較好，而在經濟欠發達地區的發展還比較緩慢。作者認為在今后輕鋼住宅在農村和小城鎮也有較大的發展空間。