裝配式鋼結(jié)構(gòu)在中小學(xué)建筑中的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)探析

李維松，孟娟，張軍，張九營(yíng)

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)工程咨詢研究院（江蘇）有限公司，江蘇 徐州 221008）

1 引言

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑具有模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)，適應(yīng)工業(yè)化需求，且抗震性能優(yōu)越、施工周期短、鋼材可回收。但目前我國(guó)主要的結(jié)構(gòu)形式是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)的比例較小。裝配式鋼結(jié)構(gòu)作為建筑產(chǎn)業(yè)化中重要部分，在主體結(jié)構(gòu)工業(yè)化建造中并未完全發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

中小學(xué)建筑具有使用空間大小標(biāo)準(zhǔn)化、交通空間寬度模數(shù)化的特點(diǎn)。中小學(xué)建筑采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)勢(shì)：

①建筑空間可變靈活化，采用標(biāo)準(zhǔn)大開(kāi)間柱網(wǎng)布置，使建筑平面分割靈活，可根據(jù)不同用途改變布局；

②建筑、結(jié)構(gòu)部件、部品系列化和模塊化，規(guī)范工程建造標(biāo)準(zhǔn)，有利于提高建筑產(chǎn)品的品質(zhì)；

③施工高效化，裝配式鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)在于設(shè)計(jì)生產(chǎn)一體化，預(yù)制構(gòu)件工廠加工，在縮短現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間的同時(shí)，能更好地預(yù)測(cè)工期，具有較好的綜合經(jīng)濟(jì)效益。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

本項(xiàng)目位于江蘇省宿遷市中小學(xué)教學(xué)建筑，重點(diǎn)設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度8度（0.30g），地震分組為第二組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類場(chǎng)地，特征周期0.45s，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1。基本風(fēng)壓0.40kN/m，基本雪壓0.35kN/m。主體結(jié)構(gòu)為4層鋼框架，標(biāo)準(zhǔn)中小學(xué)教室建筑平面圖見(jiàn)圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)中小學(xué)教室平面圖

2.2 結(jié)構(gòu)體系選擇

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)體系大致可分為以下幾類：輕鋼結(jié)構(gòu)體系、鋼框架結(jié)構(gòu)體系、鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)體系、鋼框架—混凝土核心筒體系等，除此之外，許多新型鋼結(jié)構(gòu)體系不斷提出。由于中小學(xué)建筑為多層建筑，本工程選用較為常用的鋼框架結(jié)構(gòu)，其抗震性能良好，自重輕，能充分利用建筑空間，平面布置靈活，在抗震設(shè)防烈度較高地區(qū)，可設(shè)置柱間支撐，形成鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)體系，支撐可結(jié)合建筑外墻，靈活布置。

2.3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)類型的選擇，應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、建筑高度及體型、結(jié)構(gòu)類型、荷載大小、有無(wú)地下室、使用功能、相鄰建筑物的基礎(chǔ)情況、施工條件、經(jīng)濟(jì)合理性、抗震設(shè)防烈度等因素綜合考慮，經(jīng)多方案比較后確定。本工程基礎(chǔ)持力層為3～2層粉質(zhì)粘土層，地基承載力特征值fak=280kPa，壓縮模量10.82MPa，土質(zhì)良好，無(wú)軟弱下臥層，采用獨(dú)立基礎(chǔ)可以滿足要求，考慮上部結(jié)構(gòu)柱腳做法，采用獨(dú)立基礎(chǔ)加短柱的形式，見(jiàn)圖2所示。

圖2 基礎(chǔ)做法

2.4 柱腳設(shè)計(jì)

鋼結(jié)構(gòu)柱腳形式包括外露式、插入式、外包式及埋入式。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）第 8.3.8 條規(guī)定：鋼結(jié)構(gòu)的剛接柱腳宜采用埋入式，也可采用外包式；6、7度且高度不超過(guò)50m時(shí)也可采用外露式。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）第12.7.1規(guī)定：多高層結(jié)構(gòu)框架柱的柱腳可采用埋入式柱腳、插入式柱腳及外包式柱腳，多層結(jié)構(gòu)框架柱尚可采用外露式柱腳。綜合以上各規(guī)范對(duì)鋼結(jié)構(gòu)柱腳設(shè)計(jì)的規(guī)定，考慮到多層建筑及其抗震要求，采用的埋入式柱腳，做法見(jiàn)圖3所示。

圖3 柱腳做法

2.5 梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)首先要滿足結(jié)構(gòu)的承載能力及使用功能的要求，其次考慮其經(jīng)濟(jì)性。鋼柱形式主要有矩形鋼管柱、H型鋼柱，O形鋼管柱，目前工程中主要使用的是矩形鋼管柱、H型鋼管柱。由于中小學(xué)建筑兩個(gè)方向跨度均比較大，為保證兩個(gè)方向剛度接近，一般選擇矩形鋼管柱，必要時(shí)腔內(nèi)可灌注混凝土來(lái)減小鋼柱截面，能更有效利用建筑空間，且施工方便。鋼梁主要有熱軋H型鋼、焊接H型鋼、T型鋼、蜂窩鋼梁等，根據(jù)跨度并考慮經(jīng)濟(jì)性，主梁采用焊接H型鋼，次梁可選用熱軋H型鋼。梁柱節(jié)點(diǎn)采用箱形柱與工形梁短梁拼接的連接形式，連接做法如圖4所示。短梁拼接的節(jié)點(diǎn)位于梁跨受力較小處，符合強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的要求，受力合理，施工速度快，施工操作空間大，方便施工。

圖4 梁柱節(jié)點(diǎn)

2.6 樓蓋體系

裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑中，常用的樓蓋體系類型主要有三類，即壓型鋼板—混凝土組合樓板、鋼筋桁架樓承板組合樓板、桁架鋼筋混凝土疊合樓板。壓型鋼板—混凝土組合樓板是通過(guò)剪力連接件將壓型鋼板與混凝土進(jìn)行組合，形成一種共同受力、協(xié)調(diào)變形的組合板。組合樓板中的壓型鋼板除在施工階段作為模板使用外，在此階段還兼做組合板中的受力鋼筋或部分受鋼筋。壓型鋼板作為模板，節(jié)省了大量的模板和支撐，減少了鋼筋用量與安裝。壓型鋼板優(yōu)點(diǎn)輕便于堆放、運(yùn)輸及安裝便捷等，缺點(diǎn)主要是壓型鋼板造價(jià)較高，影響整體經(jīng)濟(jì)效益，且壓型鋼板板肋高，整體樓板厚度相對(duì)較厚，降低了建筑凈高。鋼筋桁架樓承板是將樓板中的受力鋼筋在工廠內(nèi)焊接成鋼筋桁架，并將鋼筋桁架與鍍鋅鋼板焊接成整體，施工時(shí)上部澆筑混凝土，形成鋼筋桁架混凝土樓板。該板結(jié)構(gòu)受力合理，樓板整體性能優(yōu)越，板底平整度、樓層凈高有保證，鋼筋桁架可以為鍍鋅鋼模板提供剛度，使得底板可以作為永久性模板，也可后期拆除，能得到充分利用，缺點(diǎn)是運(yùn)輸和吊裝過(guò)程易損壞和變形。桁架鋼筋混凝土疊合板在預(yù)制板內(nèi)鋪設(shè)了疊合樓板的底部受力鋼筋和桁架鋼筋，在施工現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)后澆混凝土疊合而成的樓板。預(yù)制底板可作為施工階段的永久性模板，桁架鋼筋可增加疊合面的抗剪及整體剛度。預(yù)制底板工廠加工，機(jī)械化程度高，缺點(diǎn)是自重大、運(yùn)輸易折斷，運(yùn)輸易受限。綜合以上分析，樓蓋體系選用鋼筋桁架樓承板組合樓板。

2.7 圍護(hù)墻板體系

圍護(hù)墻板體系種類很多，主要包括以下幾種：

①預(yù)制砌塊類（多孔磚，加氣塊等），該種圍護(hù)結(jié)構(gòu)制作方便，容易生產(chǎn)，取材方便，但是裝配化程度低，現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)多，施工繁雜；

②預(yù)制條板類（水泥類、石膏類、陶粒類、加氣類），運(yùn)輸安裝方便，容易標(biāo)準(zhǔn)化制作，現(xiàn)場(chǎng)后期作業(yè)較多，拼縫較多容易開(kāi)裂，防水效果差；

③預(yù)制大板（預(yù)制混凝土夾芯板），優(yōu)越的耐久性、工業(yè)化程度高、現(xiàn)場(chǎng)施工快。缺點(diǎn)：墻板偏重，尤其是對(duì)于跨度相對(duì)較大的教室。綜合以上優(yōu)缺點(diǎn)，本工程外墻采用ALC外掛墻板，豎板布置，方便施工，與主體結(jié)構(gòu)的連接可采用鉤頭螺栓做法，如圖5所示。

圖5 豎墻板與樓面鋼梁連接做法

3 總結(jié)

本文從結(jié)構(gòu)體系選擇、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、柱腳設(shè)計(jì)、梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、樓蓋體系、圍護(hù)墻板體系等方面，以實(shí)際工程項(xiàng)目為例，對(duì)中小學(xué)建筑結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了描述。實(shí)際工程表明，裝配式鋼結(jié)構(gòu)中小學(xué)建筑應(yīng)用在高烈度區(qū)，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，尤其是工期大幅縮短，充分發(fā)揮了裝配式鋼結(jié)構(gòu)及其標(biāo)準(zhǔn)化的優(yōu)勢(shì)，值得借鑒。