高烈度區(qū)下輕型鋼框架裝配式農(nóng)村民居建筑體系研究

吳健航 粱橐治 王宇生 劉鐸 李鑫 張學(xué)元

（齊齊哈爾大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院 黑龍江省齊齊哈爾市 161006）

0 引言

地震作為一種偶然作用，給人們的生命、財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)極大的危害。我國(guó)地處環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，屬于地震多發(fā)國(guó)家。通過(guò)對(duì)近幾年高烈度地區(qū)農(nóng)村民居震后建筑受損情況的分析，鋼結(jié)構(gòu)類建筑因承載力高，變形性能好而受損情況較輕，而不像砌體結(jié)構(gòu)那樣出現(xiàn)倒塌性破壞。作為鋼結(jié)構(gòu)體系中的一種，輕型鋼結(jié)構(gòu)除具有鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)外，自重輕、造價(jià)低、便于工廠化生產(chǎn)是其顯著的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)應(yīng)用廣泛。為此，進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)有輕型鋼結(jié)構(gòu)建筑體系，研究新型高烈度區(qū)下輕型鋼框架裝配式農(nóng)村民居建筑具有重要意義。

1 裝配式民居建筑方案研究現(xiàn)狀

圖1 預(yù)制生態(tài)復(fù)合墻板與裝配整體式構(gòu)造柱

西安建筑科技大學(xué)黃煒等[1]設(shè)計(jì)一種綠色裝配式生態(tài)民居，包括墻體與屋頂，墻體包括墻板底部砂漿，在墻板底部砂漿上安裝有預(yù)制生態(tài)復(fù)合墻板，預(yù)制生態(tài)復(fù)合墻板的水平連接鋼筋分別與現(xiàn)澆豎向邊緣件、現(xiàn)澆連接柱以及現(xiàn)澆暗梁的縱筋嵌套，現(xiàn)澆暗梁的縱筋同時(shí)與預(yù)制疊合樓板的水平連接筋嵌套，實(shí)現(xiàn)預(yù)制生態(tài)復(fù)合墻板與預(yù)制疊合樓板的連接，如圖1所示。

西南科技大學(xué)鐘柏春等[2]設(shè)計(jì)了一種村鎮(zhèn)砌體結(jié)構(gòu)裝配整體式圈梁一構(gòu)造柱組合體系，包括：預(yù)制圈梁塊、榫塊、無(wú)馬牙槎、含馬牙槎及含榫口的構(gòu)造柱塊。砌筑墻體時(shí)，交錯(cuò)將含馬牙槎和無(wú)馬牙槎構(gòu)造柱塊與墻體裝配砌筑，形成裝配式空心預(yù)制構(gòu)造柱。砌筑完后，將鋼筋籠放入中心孔內(nèi)，澆筑混凝土形成裝配整體式構(gòu)造柱，如圖2所示。

圖2 裝配整體式圈梁一構(gòu)造柱組合體系

涼山州現(xiàn)代房屋建筑集成制造有限公司景亭等[3]設(shè)計(jì)了一種用于抗震地區(qū)的低層鋼民居結(jié)構(gòu)。根鋼柱底部通過(guò)基礎(chǔ)豎直安裝于地面，兩根 鋼柱的頂部之間設(shè)置兩根鋼梁，兩根鋼梁的一端之間固定連接，兩根鋼梁另一端向兩側(cè)、向下傾斜并且分別固定連接到兩根鋼柱頂端，兩根鋼柱頂端之間通過(guò)水平的拉梁連接；凜條垂直于框架平面地連接在相鄰兩棍框架的之間，拉條垂直凜條地連接在相鄰兩根凜條之間；兩根鋼梁的鋼梁一端之間、鋼梁另一端和鋼柱之間、拉梁和鋼柱之間、凜條和鋼梁之間、拉條和凜條之間均通過(guò)螺栓連接固定，如圖3所示。

圖3 構(gòu)件連接

2 高烈度區(qū)下輕型鋼框架裝配式農(nóng)村民居建筑墻體及構(gòu)件設(shè)計(jì)

砌體結(jié)構(gòu)作為古老的建筑結(jié)構(gòu)形式之一，具有悠久的應(yīng)用歷史[4-5]?；谳p型鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、抗震性能好的優(yōu)點(diǎn)，采用輕型鋼框架柱、框架梁組成框架結(jié)構(gòu)體系，由輕質(zhì)裝配式砌塊組成的墻體（如圖4所示）進(jìn)行框架內(nèi)部進(jìn)行填充，以實(shí)現(xiàn)豎向維護(hù)構(gòu)造，水平傳力結(jié)構(gòu)、屋面結(jié)構(gòu)采用預(yù)制承重板材（如圖5所示）進(jìn)行連接，形成適用于高烈度地區(qū)的農(nóng)村民居建筑。

圖4 裝配式砌塊及其組成的填充墻體

圖5 裝配式疊合板

3 輕型鋼框架結(jié)構(gòu)受力分析

通過(guò)PKPM對(duì)二層輕型鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算，分析其內(nèi)力和位移特點(diǎn)。

3.1 基本工況

建筑面積為268.8m2，輕型鋼結(jié)構(gòu)，以上述砌塊為填充墻體，構(gòu)成裝配整體式鋼框架結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)平面布置如圖6所示，層高均為3.3m，抗震設(shè)防類別為丙類，基本風(fēng)壓為0.45kN/m2，基本雪壓0.35kN/m2，地面粗糙度類別為B類，抗震設(shè)防烈度8度，II類場(chǎng)地土，樓面恒載（含自重）為4.0kN/m2，活載為 2.5kN/m2。

3.2 節(jié)點(diǎn)形式

對(duì)于輕型鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處采取外伸式端板連接、齊平式端板連接。如果建筑結(jié)構(gòu)承受反復(fù)荷載，梁柱適宜采用兩邊的外伸式端板連接。梁柱節(jié)點(diǎn)承受的荷載為一般荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)適宜采用齊平式端板連接。而半剛性連接處在完全剛性和理想鉸接之間的中間狀態(tài)，既具有剛性連接的優(yōu)點(diǎn)，又具有鉸接的優(yōu)點(diǎn)。

圖6 結(jié)構(gòu)平面布置

3.3 計(jì)算結(jié)果及分析

輸入以上數(shù)據(jù)用PKPM軟件計(jì)算如圖7所示。結(jié)果表明：地震作用下，結(jié)構(gòu)處于彈性受力階段，結(jié)構(gòu)抗側(cè)移能力較強(qiáng)，位移較小，滿足相應(yīng)規(guī)范中的相應(yīng)要求；結(jié)構(gòu)受力均勻，材料性能得到較好的發(fā)揮。

圖7 地震作用下位移曲線

4 結(jié)語(yǔ)

（1）以裝配式砌塊、預(yù)制疊合板及輕型鋼結(jié)構(gòu)梁、柱共同組成的輕型鋼框架裝配式農(nóng)村民居建筑結(jié)構(gòu)體系具有抗震性能好、施工速度快、質(zhì)量?jī)?yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，適于在高烈度區(qū)農(nóng)村民居建筑中推廣。

（2）我國(guó)是一個(gè)多震國(guó)家，現(xiàn)階段廣大農(nóng)村民居建筑以砌體結(jié)構(gòu)為主，其抗震性性能弱，而輕型鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性則較好，但造價(jià)偏高，改進(jìn)現(xiàn)有輕型鋼結(jié)構(gòu)裝配式農(nóng)村民居建筑結(jié)構(gòu)體系，向節(jié)能環(huán)保、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉方向發(fā)展是其發(fā)展的必由之路。