鋼-混凝土組合結構在裝配式建筑中的應用

劉殿忠 陳海靜

（吉林建筑大學土木工程學院， 吉林 長春 130118）

0 引言

鋼-混凝土組合結構是由型鋼與混凝土組合而成，充分發揮了鋼與混凝土兩種材料各自的性能優勢，在建筑工程已經得到了廣泛的應用。與傳統的建筑方法相比，裝配式建筑具有明顯的優越性，可保證產品的質量，能夠滿足各種建筑形式的需求，應用前景廣闊。裝配式鋼-混凝土組合結構體系兼具鋼結構和混凝土結構體系的優點，構件工廠制作，現場組裝成整體，構件間連接可以采用高強螺栓連接，可提升整體結構的防火及防腐蝕等性能。

目前市場上可用于裝配式建筑的組合結構體系有多種，比較典型的組合結構體系有：型鋼混凝土結構體系、裝配式鋼管束組合結構體系、PEC預制裝配的組合結構體系以及捷約預制裝配框架系統等，型鋼混凝土結構體系比較成熟，且應用較為廣泛，限于篇幅不做介紹。本文主要介紹后面三種組合結構體系。

1 鋼管束組合結構體系

1.1 體系構成

（1）鋼管混凝土束組合結構剪力墻[1]：鋼管束內部結構美觀，排列有序，施工方便，標準化、模塊化鋼管連接在一起，形成鋼管束，內部澆筑混凝土，如圖1所示。

圖1 鋼管束剪力墻結構體系

（2）H型鋼梁：高頻焊接H型鋼，普通焊接H型鋼或熱軋H型鋼。

（3）裝配式鋼筋桁架樓承板：現場不需要支模，運輸方便，易安裝及拆卸。

（4）輕質隔墻：輕質條板、加氣混凝土塊，以及其它輕質墻體。

（5）建筑外裝飾面：輕質防火保溫板、輕質防火板、防腐層、防火保溫隔熱層、CCA板外墻裝飾面、外墻涂料[2]等功能性綠色環保裝飾。

1.2 主要功能

（1）優良的抗震性能：鋼結構在地震烈度的作用下可以吸收更多的地震能量，具有良好的延性。目前抗震6級是標準，抗震8級已經在很多工程中應用。

（2）縮短建設周期：有些鋼構件如汽車制造一樣，在工廠里是標準化和流線型加工的；在施工現場，可以同時建三層。建高樓層時，不會影響低樓層的施工，可以開始結構維修和裝修，可以像積木一樣直接組裝。流水作業沒有沖突，可以大大縮短工期。

（3）優化工程質量：鋼構件采用現代設備生產，毫米計算誤差，質量穩定；施工時，鋼構件外露，使施工構件有形可見，隱蔽工程少。

（4）節能：人工砌筑方式在施工現場消失，混凝土攪拌機和飛沙走石也在施工現場消失，減少了建筑垃圾和二氧化碳的排放；隔熱性能優異（夏季涼爽）；結構體系與保溫材料的完美結合（冬季保暖）。

（5）綠色環保：鋼構件可以實現從建造-拆除-回收-再加工-再建造的100%回收，低損耗循環利用；其中CCA板及整體灌漿墻的外墻體可作為變廢為寶的代表之一，通過將工業廢料尾礦砂等進行處理，使其作為原料進行澆灌，將原本該填埋的建筑垃圾變成建筑原材料，不含石棉，做到了真正的無毒無害；施工過程噪音小，不擾民；粉塵少，保護環境。

（6）布局靈活：輕質隔墻，讓非承重墻體可隨意改變結構，“鋼管束”讓建筑結構告別“肥梁環柱”，DIY空間格局，隨心所欲。

1.3 綜合優勢

鋼管束剪力墻結構體系相比于傳統鋼筋混凝土結構具有以下優勢：延性好、抗震性能好；建筑垃圾少、粉塵少、噪音?。皇┕ぶ芷诙?，速度快，建設投資省；材料可回收利用，綠色環保，碳排放量小，施工安全、節水節電；工廠化制造、預制裝配標準化施工；承重結構少，空間大，布局靈活，房間利用率高；基坑工程量小，自重輕；很少或沒有模板。

1.4 工程應用實例

（1）萬郡·大都城（內蒙首席鋼結構住宅典范）總用地面積415.13畝，26棟高層建筑，建筑面積近100萬m2。該項目采用鋼管束剪力墻組合結構體系，發揮了鋼結構制作工業化程度高、施工速度快的特點，可以實現住宅產品的設計標準化、生產工廠化、建筑裝配化、室內一體化和管理信息化。能夠滿足住宅建筑的各種使用性能要求，具有抗震性能好，得房率高，節能環保，空間布置靈活等優勢。

（2）中天杭蕭鋼結構預制建筑基地一期科研樓工程具有辦公、研發、住宿等配套功能。整棟樓11層，總建筑面積1.4萬m2。工程主體采用鋼框架和鋼管束組合結構體系，水平結構體系和內外墻均采用拼裝技術施工。項目擁有66%的裝配率，相當于裝配式建筑A級標準。項目建設可按3天一層的速度推進，較傳統建筑方式工期縮短60%，基礎部分造價節省10%。

2 PEC預制裝配式組合結構體系

2.1 PEC結構概述

PEC結構是由部分外包鋼-混凝土組合結構的截面構成?；炷撂畛湓陂_口截面鋼構件的輪廓中，并且混凝土可按工程要求進行加固，如縱筋、箍筋、系桿、栓釘等結構構件，如圖2所示。

圖2 PEC預制框架柱

歐洲規范中的部分填充組合構件為部分包裹組合（PEC）結構，主要由工字鋼翼緣之間填充混凝土形成（包括熱軋工字鋼和焊接工字鋼截面），同時工字鋼腹板配有抗剪件（Eurocode4，Table5.2）；也有外包組合構件作為梁，與鋼筋混凝土樓板、壓型鋼板混凝土組合樓板等形成復合型組合梁（Eurocode4，Figure6.1）。構件中配以箍筋和縱筋（Eurocode4，6.3.3）。這類構件可稱為“歐標截面”[3]。20世紀90年代以后，出現了一種結構形式：免除了抗剪件、采用直線型系桿連接翼緣，可以稱其為“非標截面”（“加標截面”）。

2.2 PEC結構特點與優勢

（1）組合作用（約束作用）：PEC結構提高了鋼筋的局部穩定性和抗壓強度，在一定程度上限制了混凝土的早期沉降。

（2）可預制性、可裝配性。

（3）表面保護作用（防火防腐作用）。

（4）一定程度的輕量化：分別相對純鋼或純混凝土。

此外，建筑內部裝修對鋼梁腹部的填充，為部分填充組合梁的利用提供了可能性。

2.3 工程應用實例

（1）紹興市行政中心配套住宅（國內首棟PEC框架結構），項目總建筑面積34.1萬m2。其中8個是由BIM、智能和現場組裝集成系統和組件組成的優質住宅建筑組件。該項目符合AA級裝配式建筑標準，裝配率為76%。鋼結構裝配式住宅集成技術體系以PEC鋼-混凝土組合結構體系為核心，通過在H型鋼的空腔內澆筑混凝土形成高強度H型鋼復合材料，具有良好的抗震性能；因此，避免了裝配式混凝土結構所面臨的節點連接可靠性問題，解決了鋼結構的防火防腐問題，大大提高了鋼結構的質量。

（2）羅馬尼亞布加勒斯特中央國際大廈是一幢高層辦公樓，全樓共29層。此建筑采用PEC柱+鋼梁+支撐[4]并于2007年竣工。對樓體進行了抗風、抗震和抗連續性倒塌設計。此樓結構的全部構件或主要受力構件采用部分填充組合構件，結構中的某類構件采用部分填充組合構件。這類結構已在歐洲得到一定程度的應用，所建高層建筑可達30層左右。

3 捷約預制裝配框架系統

3.1 體系構成

（1）甲殼柱——鋼管和波紋板的組合構造巧妙，填充混凝土。這種組合式鋼筋混凝土內構件取代了傳統的無模板、無鋼支撐的鋼柱，可節約50%以上的成本，滿足國內大規模組裝的需要，如圖3所示。

圖3 捷約預制裝配框架系統

（2）甲殼梁——傳統H型鋼的腹板，被“劈”成兩半，內部空間可以放置預應力鋼筋，澆筑混凝土。免高支模，減少防火涂料。

（3）優弦梁——下翼緣局部使用鋼管預應力的簡支梁，節省用鋼。

（4）優肋板——底板和加勁肋，可以使用不同材質、不同厚度進行組合，經濟狀況良好，底部沒有缺口，這是優肋板的優點。

（5）優節點——優節點把螺栓和連接板都省掉了，是最好的轉換件。

3.2 特點及優勢

捷約預制裝配框架系統，擁有甲殼柱、甲殼梁、優弦梁、優肋板、優節點[5]等核心技術，可根據需要靈活組合，大大減少了傳統施工中的高支模作業，降低用鋼量，極大減少了人工和工期，是建筑裝配化的創新方向。免模板、免支撐、免配筋，就可以把一個房子蓋好。

3.3 工程應用實例

同華冷庫——世界上第一個采用捷約預制裝配框架體系組裝殼柱殼梁的工程，是中國最大的單體冷庫。該項目位于上海市浦東新區洋山保稅區內，總建筑面積8m2，1號、2號冷庫鏡像對稱，每棟長70.4m、寬64.7m；3號冷庫長度為89.1m、寬64.7m。每個冷庫由冷藏庫和大廳兩部分組成，由抗震縫隔開。冷藏庫為地下1層地上3層，樓面層高12.5m，總高37m，柱網尺寸9.2m×8.8m。大廳有6層，每層高度從4.3m～7.5m不等，整個建筑設有地下室，埋深不超過5m。整個裝配框架系統的柱梁板均為工廠預制，現場組裝，混凝土為現澆。捷約預制裝配框架系統最大限度提升建筑空間利用率。

4 結束語

隨著我國鋼鐵工業的迅速發展，鋼結構在我國的應用越來越廣泛，鋼結構與混凝土結構的結合可以達到高效、高技術、可持續發展的要求。隨著我國建筑業的迅速發展，國家對建筑的裝配率制定了相關的法規和標準，使得裝配式建筑在我國得到了快速的發展。將鋼-混凝土組合結構應用于裝配式建筑中會使我國建筑業發展更加迅速。目前鋼-混凝土組合結構在裝配式建筑中的應用還有很大的發展空間且前景廣闊。