基于鉸接框架支撐體系的鋼結構建筑施工技術應用

何桂良 蔡小康 高曉明 盧文武 陳錢麗

中國建筑工程的規模大，建筑種類多。鋼結構建筑以其輕質、高強、環保和可持續等優點，逐漸成為現代建筑的主流形式之一[1]。裝配式鋼結構建筑的結構體系直接影響其綜合性能。目前，研究人員正在不斷探索和完善適用于裝配式鋼結構建筑的結構體系，包括梁柱體系、支撐體系和節點連接體系等[2-3]。

我國目前在裝配式鋼結構建筑方面尚未形成統一的技術標準和質量標準，不同廠家、地區的技術標準和產品質量存在差異，給建筑質量造成了一定影響。為提高裝配式鋼結構建筑的施工質量，有效降低鋼結構建筑施工成本，需要研究一種全新的鋼結構建筑施工技術。

實際上，多數裝配式鋼結構建筑用耳板法拼裝桁架，但其連接工藝不完善，各連接節點性能不足，連接效率低下。耳板法施工成本較高，影響施工效率，不利于裝配式鋼結構建筑的可持續發展。盡管相關研究人員優化了耳板的質量和厚度，但受現場施工條件限制，仍存在一定施工問題。

鉸接框架支撐體系是新型鋼結構建筑體系，具有較好的抗側剛度和延性，適用于高層和超高層建筑等需要較高抗側力的結構形式。在鉸接框架支撐體系中，鋼框架采用梁柱剛性連接，而支撐框架則采用鉸接連接的方式，其節點構造簡單，便于施工和安裝。同時，該體系還具有較好的節能、環保及可持續的優點，符合綠色建筑的發展趨勢，本文基于鉸接框架支撐體系設計了一種全新的裝配式鋼結構建筑施工技術。

1 基于鉸接框架支撐體系的鋼結構建筑施工技術

1.1 組裝鋼結構建筑施工構件

鋼結構建筑施工構件是建筑重要的連接或支持結構，其制作和組裝質量會影響建筑的可靠性，因此在鋼結構建筑施工前，需要根據各個構件的結構差異性，制作和組裝鋼結構建筑施工構件[4-5]。具體方法為：第1，需要制作箱型柱。本文設計的施工技術主要使用定長進料法來拼接和處理腹板，按照施工材料的尺寸要求進行剪裁和焊接，保證鋼材之間沒有明顯縫隙。鋼板焊接后，焊縫處容易出現收縮問題。第2，為了滿足箱型柱的焊接要求，將下翼緣板放置在組立機上部，調整組裝焊接基準，并且組裝焊接了U 形柱。U 形柱的組裝和焊接如圖1 所示。在組裝焊接過程中，必須提前預留焊接空間，并按照順序依次處理隔板和柱封板等基礎構件，然后手工焊接墊板與襯板，以提高構件組裝的可靠性。第3，將已完成部分放置在組立機中，由兩側向中間處理上、下翼板與腹板的對接縫，并進行焊接。在焊接過程中，需要采用電渣焊法處理熄弧帽口，避免施工構件出現彎曲變形問題，進而提高構件的質量。經過上述同步焊接后，盡管消除了較大的位移干擾，但當變形部分超過限值時，仍然可能出現微小位移。

圖1 U 形柱的組裝和焊接（來源：作者自繪）

本文設計的施工技術使用熱矯正法對組裝的施工構件進行處理，再將矯正完成的組件放置在柱的四面。施工構件組裝矯正如圖2 所示。矯正完畢后，先使用栓釘進行有效連接，再利用拋丸機進行拋丸處理，然后涂裝防腐層，避免施工構件銹蝕，降低鋼結構建筑施工的構件損耗。

圖2 施工構件組裝矯正示意圖（來源：作者自繪）

1.2 利用鉸接框架支撐體系連接鋼結構建筑墻體

鉸接框架支撐體系屬于新型鋼結構建筑體系，其主要由側向鉸接框架承受建筑荷載，穩固性較高，拼裝損耗鋼材量較低[6]。因此，本文基于鉸接框架支撐體系連接了鋼結構建筑墻體。按照施工要求，制訂合理的鉸接框架拼裝方案，準備鉸接鋼框架材料，并對鋼構件進行預檢，檢查不同構件的尺寸和質量是否滿足支撐要求。在鉸接框架拼裝平臺上放置組裝完成的構件，利用地樣法進行裝配，并保證構件各連接點的連接強度。

此時的鉸接框架形變系數計算公式為：

式中：μ為鉸接框架形變系數；εmax為最大支撐剛度；εy為屈服應變。

根據該形變系數可以進一步計算支撐體系的支撐內力：

式中：Apg為支撐體系的支撐內力；Nby為屈服應力對應的支撐軸力；Nbl為屈曲約束支撐（Buckling-Restrained Brace，BRB）系數。

基于此，得到鉸接附加彎矩計算公式為：

式中：δA為鉸接附加彎矩；MA為框架的半剛性連接轉動剛度；RA為連接附加作用力。

根據上述參數進行鋼構件定位校正，確定組裝的垂直度和水平度，使組裝連接點滿足鉸接支撐框架的連接需求。

鉸接支撐框架連接完成后，使用鋼構件進行加固穩定處理，修復不符合要求的拼裝區域。鉸接支撐框架與鋼結構建筑墻體使用三板體系進行連接，用內墻板分隔鋼結構建筑的內部水平空間，由樓板承受物體的荷載力。基于鉸接框架支撐體系的鋼結構建筑墻體連接，如圖3 所示。上述鋼結構建筑墻體連接支撐樓板的截面高度適中，設置了組合承載區域，焊縫之間主要通過螺栓進行有效連接。為了滿足框架強柱弱梁的要求，采用十字截面作為工字鋼截面，并對支撐彎矩進行處理。這樣能夠保證節點板之間的連接力滿足《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）的要求，提升鋼結構建筑的抗震能力。

圖3 鋼結構建筑墻體連接支撐樓板（來源：作者自繪）

1.3 安裝建筑主體結構

裝配式鋼結構建筑的主體結構包括鋼柱、鋼梁和樓板體系等，根據建筑墻體的連接狀態，安裝建筑的主體結構。考慮現場的實際條件，選擇可靠的鋼柱吊裝設備，并使用臨時螺栓連接鋼柱，同時利用倒鏈等設備進行調節和校正鋼柱的位置[7]。鋼柱吊裝如圖4 所示。為降低鋼柱在吊裝過程中的形變風險，使用無纜風繩矯正法來調整鋼柱的垂直度，盡量降低柱頂的偏移量，保證焊接位置準確。鋼柱安裝完畢，需要安裝鋼梁，以形成相對穩定的幾何結構，避免鋼柱出現形變。按照主梁優先的順序，逐層安裝鋼梁，設置吊耳作為基礎吊點，安裝到位后擰緊安裝螺栓。如果鋼梁質量過大，則可以使用吊耳輔助吊裝。對于質量較輕的鋼梁，可以使用串吊法進行吊裝。在吊裝過程中，應注意保持鋼構件的穩定性和平衡性，避免出現晃動和傾斜。

圖4 鋼柱吊裝（來源：作者自攝）

裝配式鋼結構建筑主體使用鋼筋桁架承板施工工藝。根據施工條件在樓板頂部設置U 形卡口，用吊裝帶保證吊裝平衡，并在鋼梁兩側焊接角鋼，避免樓板兩側漏漿[8]。接下來，在鋼梁側設置位置基準線，調整其他樓板的位置，進行精確切割。

安裝完成后，應對裝配式鋼結構建筑主體結構進行驗收和檢查，內容包括結構完整性、連接質量和安全性等。若存在不符合要求處，應及時進行處理和修復。需要注意，安裝裝配式鋼結構建筑主體結構需要專業的技術和嚴格的操作，因此在施工過程中應嚴格按照設計要求和施工規范進行操作。為了確保安裝質量和安全性，需要全面監控和檢查施工過程，及時發現和處理可能出現的問題。

2 實例分析

2.1 工程概況

X 工程的占地面積為29556 m2，建筑為15 層，屬于鋼結構建筑，以鋼梁和鋼柱作為主體結構，并使用不同型號的鋼材降低施工成本，其鋼梁支撐布置示意圖，如圖5 所示。本工程的鋼梁支撐布置需要遵循安全和經濟原則，支撐的位置應選擇結構節點處或荷載集中位置，以使支撐的作用最大化。此外，鋼支撐距離疊合梁支座處不應大于500 mm，鋼支撐沿疊合梁長度方向間距不應大于2000 mm。支撐體系應采用可調鋼支撐搭設，并在可調鋼支撐上鋪設工字鋼，根據疊合梁的標高線，調節鋼支撐頂端高度，以滿足施工要求[9-10]。研究建筑的主要荷載，包括恒荷載、屋面荷載和外墻板荷載等，使用HC-GY715 一體式鋼筋掃描儀，統計施工后的主體結構用鋼量，得出最終的實例分析結果。

圖5 X 工程鋼梁支撐布置（來源：作者自繪）

2.2 應用效果

對房屋主體結構進行編號，使用本文設計的基于鉸接框架支撐體系的鋼結構建筑施工技術進行施工。將施工后不同截面的主體結構用鋼量與施工要求用鋼量進行對比，結果如表1所示。由表1 可知，不同截面的主體結構的實際用鋼量均較低，符合施工要求的用鋼量標準，證明基于鉸接框架支撐體系的鋼結構建筑施工技術的施工效果良好，具有一定的經濟性和應用價值。

表1 主體結構實際用鋼量與施工要求用鋼量對比

3 結語

建筑功能和品質不斷提高，傳統的現澆混凝土建筑的缺陷逐漸顯露。相比之下，鋼結構建筑具有輕質、高強、環保和可持續的優點，逐漸成為現代建筑的主流發展方向之一。常規的裝配式鋼結構施工技術容易受到施工條件的干擾，造成鋼材損耗量增加，不符合鋼結構建筑的施工要求。

本文主要介紹了基于鉸接框架設計的全新裝配式鋼結構建筑施工技術。通過實例分析結果表明，此技術的施工效果良好，建筑主體結構用鋼量較低，可靠性較高，在鋼結構建筑施工行業具有一定的應用價值。