裝配式多高層鋼結構研究意義與應用現狀

李盤銘

（太原市建筑設計研究院，山西 太原 030002）

1 裝配式多高層鋼結構的研究意義

1.1 國家政策的支持

2012年2月，住建部明確提出了要在保障性住宅中使用鋼結構；2013年1月，國家發改委和住建部聯合發布《綠色建筑行動方案》，推廣適合工業化生產的預制裝配式混凝土、鋼結構等建筑體系，加快發展建設工程的預制和裝配技術，提高建筑工業化技術集成水平。2013年10月，國務院出臺《關于化解產能嚴重過剩矛盾的指導意見》，強調鋼結構在建筑行業領域內的推廣應用，提高該結構在公共建筑和政府投資建設中的使用比例，并在地震等自然災害高發區域，使用鋼結構建設抗震型建筑；2016年9月27日，國務院辦公廳《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》中強調“要以京津冀、長三角、珠三角三大城市群為重點推進地區，常住人口超過300萬的其他城市為積極推進地區，其余城市為鼓勵推進地區，因地制宜發展裝配式混凝土結構、鋼結構和現代木結構等裝配式建筑。”2017年3月，住房和城鄉建設部關于《“十三五”裝配式建筑行動方案》中指出“到2020年，全國裝配式建筑占新建建筑的比例達到15%以上，其中重點推進地區達到20%以上，積極推進地區達到15%以上，鼓勵推進地區達到10%以上。鼓勵各地制定更高的發展目標。2020年8月，9部門聯合印發的《住房和城鄉建設部等部門關于加快新型建筑工業化發展的若干意見》要求大力發展鋼結構建筑，推動鋼結構建筑關鍵技術和相關產業全面發展。

1.2 裝配式鋼結構自身的優勢

鋼材具有較高的循環利用價值，是具有綠色環保特性的建筑結構施工材料。鋼材相對于混凝土重量輕，運輸比較方便，另外鋼結構的強度比較高，整體的抗震性能比混凝土結構要好，適合于裝配式建筑物的建設使用。同時，裝配式鋼結構形式能夠進行工業化的生產加工，施工中采用現場螺栓連接方式，便于施工人員進行裝配和拆卸，有效的降低了施工人員的施工強度，縮短工程的建設施工工期。裝配式鋼結構建筑是我國建筑產業化發展的主要需求，再加上這種結構形式具有標準化設計、機械化生產、裝配化施工、整體化裝修、信息化管理等諸多優勢特點，在建筑工程建設施工中的應用，能夠突出行業發展的可持續性，實現全壽命周期內的綠色化，并隨著社會建設發展，逐漸成為各個國家的主要施工應用形式。裝配式鋼結構在房屋建筑施工中的應用，能夠充分發揮出自身的良好抗震性能，降低地震事故發生帶來的損失。

1.3 環境保護的需求

建筑行業發展環境污染問題主要表現在：施工噪聲、施工現場產生的粉塵較多等。裝配式鋼結構的施工，主要是在工廠內完成生產，且生產過程中產生的廢料和廢氣都便于再次回收處理。這種結構形式的應用，使得施工現場的施工工序減少，施工速度加快，對區域生態環境的影響較小。

鋼結構的加工數量占鋼材產量的比例較低，其存在較大的發展空間，且鋼結構的發展滯后是因為人們在使用過程中對其價格的關注，要高于結構施工應用的性價比。

裝配式建筑結構體系充分體現出了鋼結構建筑的整體施工應用優勢，是鋼結構發展的新方向和新趨勢。但新的結構體系與節點連接與當前現行的規范不配套，缺少對裝配式鋼結構的標準化研究和規范化設計，這都嚴重限制了裝配式多高層鋼結構的應用發展。推進裝配式鋼結構的應用發展核心問題，是提出合理受力和便捷施工的關鍵節點，并獲得結構的實際承載力和抗震性，編制專業化的設計標準規范。

2 裝配式多高層鋼結構的應用現狀

2.1 裝配式鋼結構體系與工程應用

裝配式住宅這種建筑形式誕生于20世紀初期，并在二戰后得以發展。法國是世界上最早推行建筑工業化發展的國家，從50年代到70年代這段時間內容，法國形成了全裝配化大板和工具式模板現澆的工業化生產體系。法國的工業化裝配式建筑主要是利用干式連接方式，將預應力混凝土框架結構進行連接施工，整體的工業化建設發展程度達到了80%。德國在建筑行業工業化發展過程中，主要是利用鋼筋混凝土框架剪力墻結構，且相關構件需要在工廠內進行預制化加工生產。德國住宅產業化發展契機也是在也是在二戰之后，且經過幾十年的發展之后，德國住宅產業化技術已經發展的相當成熟。法國、德國等國家的裝配式鋼結構建筑已經具有幾十年的發展歷史，在相關技術應用方面較為成熟。但其主要是低層數的結構住宅，施工所用的裝配式鋼結構是輕鋼結構，尤其是冷彎薄壁型鋼材質的應用較為廣泛，很少使用裝配式高層鋼結構。而我國的裝配式鋼結構發展起步較晚，但在國家的大力支持下，許多企業和高等院校以及科研院所都開始了這方面的研究，并取得了顯著的成績，在北京、上海、天津等地興建了鋼結構住宅示范點。

2.2 裝配式鋼結構中柱的連接節點

多層裝配式鋼結構主要輕鋼型的龍骨結構，是利用熱浸鋅薄壁鋼板制作而成，并采用普通螺栓進行連接。為了實現結構的等強連接，需要在普通鋼結構柱之間采用焊接方式進行連接，主要是因為焊接連接方式的實際強度是行業內部公認的，具有較高的安全性。但是，在美國和日本的地震災害中，這種焊接連接方式都遭受到了嚴重的破壞，這也充分的暴露出焊接連接方式存在的不足。實際上，焊接連接方式具有較高焊接的殘余應力和熱影響區，在地震條件的作用會出現脆性的斷裂問題，導致房屋建筑結構存在較大的安全風險隱患，尤其是在低溫環境下進行焊接連接，其連接位置的脆性更大。再加上利用焊接方式進行鋼結構構件的連接，其整體的焊接施工速度較慢，且焊工的技術水平、施工條件等因素都會影響連接焊接的施工質量，無法做好施工質量的管理控制。所以，在工程焊接施工驗收過程中，需要依靠第三方的檢測單位進行驗收。

2.3 裝配式鋼結構中梁柱連接節點

按照鋼結構構件的連接剛度性，可以將梁柱之間的連接方式分為剛性連接方式、半剛性連接方式、鉸接方式。而按照連接措施可以將梁柱之間的連接方式分為全焊接連接方式、栓焊混合連接方式、全螺栓連接方式。其中，多高層鋼結構的梁柱連接方式可以采用剛性連接方式，利用梁翼緣與腹板進行全部焊接，或者翼緣焊接和腹板螺栓連接，以及翼緣與腹板都采用螺栓連接方式。全焊連接方式能夠實現鋼結構的等強剛性連接，但由于工地焊接施工的工作量較大，且受到諸多因素的影響，無法對施工質量進行控制，這就會導致焊接施工存在諸多的質量問題。再加上焊接殘余的應力較大，實際焊接施工難度性較大，且施工質量的檢測費用較高，所以在鋼結構的梁柱連接過程中，是不宜采用現場焊接方式的。栓焊混合連接方式的應用，不僅因其施工較為方便，還因其能夠保證焊接強度達到全焊連接方式的焊接強度。在美國和日本地震發生之后，盡管鋼結構具有較高的強度以及良好的塑性和韌性，仍舊會在強震的影響作用下，使得部分鋼結構梁柱節點出現脆性破壞，其破壞位置主要是在梁下翼緣和柱的焊接縫位置。這就充分的暴露出鋼結構采用焊接連接方式，所存在的不足之處。

因此，為了提高裝配式鋼結構構件之間的安裝速度，保證其連接安裝的施工質量，需要針對梁柱節點采用螺栓連接方式。雖然，這種螺栓連接方式的節點要比焊接節點存在的螺栓數目較多，且實際的節點較大，但其綜合經濟成本會略低于現場焊接費用。梁柱全螺栓連接方式能夠實現剛性連接和半剛性連接，其中剛性連接方式的計算分析較為簡單，實際應用較為普遍，但其連接應用過程中的螺栓數目較多。而半剛性連接方式的實際耗能能力更好，且螺栓的使用數量較小，具有較大的經濟性，但其實際的計算分析過程較為復雜。這兩種連接方式都可以應用到地震多發下，裝配式多高層鋼結構建筑的施工中。

2.4 支撐與框架兩者間的連接節點

隨著建筑結構興建層數的不斷提高，純框架結構的經濟性越來越低。而中心支撐框架結構和偏心支撐框架結構，則是具有更高經濟性的結構形式，但這種結構形式的支撐受力較大。針對裝配式鋼結構而言，支撐與框架兩者間的連接方式，也多采用全螺栓的連接方式，便于施工單位在施工現場進行裝配施工，以及在震后恢復過程中進行更換修復。支撐框架體系的節點設計，通常會采用板式連接節點，將支撐與梁柱進行連接，增加結構連接的穩定性。

圖1 裝配式鋼結構安裝施工

3 結語

綜上所述，在建筑行業發展過程中，裝配式鋼結構的應用，在響應國家政策之外，不僅能夠提高建筑工程設計和施工效率，還能降低施工過程對區域環境的影響。但同時，為了提高結構的穩定性，在實際的安裝施工中，要結合實際情況，選在合適的連接方式進行結構構件連接方式。