装配式钢构件如何拆分?

随着我国国民经济的发展,我国钢材的产量和产业规模近几十年来一直稳居世界前列,2015年我国年钢产量已突破8亿吨,钢结构产量已将近达到5000万吨,也相继建成了一大批具有世界领先水平的钢结构标志性工程(见图5-1):以“鸟巢”和“水立方”为代表的城市体育项目,以国家大剧院和北京凤凰传媒中心为代表的剧院文化项目,以上海金茂大厦和北京中央电视台总部大楼为代表的超高层建筑等。但从客观角度看,我国钢结构的发展依然十分滞后,“十二五”期间钢结构用钢量占钢产量的比例不到6%,且钢结构建筑面积在总建筑面积中的比例不到5%,远远低于发达国家水平;从全球范围看,绿色化、信息化和工业化是建筑产业发展的必然趋势,钢结构建筑具有绿色环保、可循环利用、抗震性能良好的独特优势,在其全寿命周期内具有绿色建筑和工业化建筑的显著特征,应该说在我国发展钢结构空间巨大。

钢结构建筑从定义上来看是指建筑的结构系统由钢部(构)件构成的建筑;就结构体系而言钢结构天生具有装配式的特点,组成结构系统的梁、柱、支撑等构件均是在工厂加工制作,现场安装而成的;但仅仅因为结构体系的装配化就认为钢结构建筑是装配化建筑,这个观点是不充分的。因为建筑的装配化绝非单一结构构件装配的简单要求,而是对整体的构配件生产的配套体系和现场装配化程度的综合要求。与传统钢结构建筑相比,装配化钢结构建筑更加强调设计的模数化和工厂的预制化,不论是结构系统还是外围护系统、设备和管线系统和内装系统,整个建筑过程中的主要部分都应采取预制部品构件集成;更加强调部品件安装的整体化和集成化,如整体式厨房和整体式卫生间,以及设备管道的科学集成和模块化安装,以实现建筑过程的一体化;更加强调管理系统的信息化和建筑工人的技术化,通过信息化的科学管理和专业化技术操作,来保证装配式建筑的施工质量,从传统建筑粗犷化的生产模式转变为装配式建筑精细化的生产模式,促进建筑产业的优化和升级。

钢结构的受力钢构件均是在钢构厂加工,现场进行通过螺栓连接或焊接连接成整体。钢构件在工厂的加工拆分原则主要考虑受力合理、运输条件、起重能力、加工制作简单、安装方便等因素;钢结构的楼板、外墙板及楼梯等构件的拆分则应根据构件的种类,遵循受力合理、连接简单、标准化生产、施工高效的原则,在方便加工和节省成本的基础上,确保工程质量。

装配式钢框架结构的钢框架柱、钢梁、楼板、外墙板、楼梯等构件的拆分如下详述。

Ø 钢框架柱的拆分

钢框架柱一般按2~3层进行分段做为一个安装单元,在运输和吊装能力许可的情况下,对层高不高的住宅建筑,也可按4层进行分段,分段位置通常设置在楼层梁顶标高以上1.2m~1.3m,以方便现场工人进行柱的拼接,见图5-4(a)。设计时为避免梁柱在工地现场的节点连接,可在柱边设置悬臂梁段,悬臂梁段与柱之间采用工厂全焊接连接,则柱拆分时是带有短梁头的,见图5-4(b)。这种拆分可将梁柱的节点连接转变为梁与梁的拼接,有效避免了强节点的验算,梁端内力传递性能较好且现场操作方便,设计和施工均相对简单,短悬臂梁段的长度一般为柱边外2倍梁高及梁跨度1/10的较小值。但由于带短梁头的柱运输、堆放、吊装和定位都比较困难,同时梁端的焊接性能也直接影响节点的抗震性能,1995年阪神地震表明悬臂梁段式连接的梁端节点破坏率是梁腹板螺栓连接时的3倍,因此目前钢框架工程中以不带悬臂梁的柱拆分较为常见。

(a)框架柱拆分现场照片

(b)框架柱带短梁头拆分示意

Ø 钢梁的拆分

钢框架主梁一般按柱网拆分为单跨梁,钢次梁以主梁间距为单元划分为单跨梁,见图5-5。

Ø 楼板的拆分

为满足工业化建造的要求,钢结构中楼板所用的类型主要有钢筋桁架楼承板组合楼板和桁架钢筋混凝土叠合板等。

钢筋桁架楼承板是将楼板中的钢筋在工厂加工成钢筋桁架,并将钢筋桁架与镀锌钢板在工厂焊接成一体的组合模板,见图5-6。施工中,可将钢筋桁架楼承板直接铺设在钢梁上,底部镀锌钢板可做模板使用,无需另外支模及架手架,同时也减少了现场钢筋绑扎工程量,既加快了施工进度,又保证了施工质量。但当钢筋桁架楼承板的底板采用镀锌钢板时,楼板板底的装修(抹灰粉刷)存在一定的困难,所以带镀锌底板的钢筋桁架楼承板一般多用在有吊顶的公建中较多;当用在住宅中时,可结合节能计算先在楼承板的板底铺敷一层保温板,再进行粉刷。

钢筋桁架楼承板的宽度一般为576mm或600mm,长度可达12m,在设计时一般沿楼板短边受力方向连续铺设,将钢筋桁架楼承板支撑在长边方向的钢梁上,然后绑扎桁架连接钢筋,支座附加钢筋和板底分布钢筋,浇筑混凝土形成钢筋桁架楼承板组合楼板,组合楼板的剖面图见图5-7。

桁架钢筋混凝土叠合板是利用混凝土楼板的上下层纵向钢筋与弯折成型的钢筋焊接,组成能够承受荷载的桁架,结合预制混凝土底板,形成在施工阶段无需模板、板底不加支撑能够承受施工阶段荷载的楼板。桁架钢筋混凝土叠合板的预制底板厚度一般为60mm,后浇的混凝土叠合层一般不小于70mm,考虑到铺设管线的方便,一般不小于80mm。在进行楼板拆分设计时,预制混凝土底板应等宽拆分,尽量拆分为标准板型。单向叠合板拆分设计时,预制底板之间采用分离式接缝,拼缝位置可任意设置;双向叠合板拆分设计时,预制底板之间采用整体式接缝,接缝位置宜设置在叠合板受力较小处。桁架钢筋混凝土叠合板平面布置见图5-8,其中DBS板为双向板,DBD板为单向板。板的接缝构造见图5-9。 

Ø 外墙板的拆分

目前民用钢结构外墙板应用较多的主要为蒸压加气混凝土外条板和预制混凝土夹心保温外墙板。蒸压加气混凝土条板应用在居住建筑中通常的布置形式为竖板安装,采取分层承托方式,因此应分层进行排板,条板的宽度一般为600mm,为避免材料浪费,建筑设计时,开间尺寸应尽量符合300mm模数要求,窗户与墙体的分割也宜考虑条板的布板模数,见图5-10。

预制混凝土夹心保温外墙板拆分时高度通常不超过一个层高,在每层范围内墙板尺寸的确定应综合考虑建筑立面、结构布置、制作工艺、运输能力以及施工吊装等多方面的因素,同时为节省工厂制作的钢模费用,墙板拆分时应尽量符合标准化要求,以少规格、多组合的方式实现建筑外围护体系,见图5-11。相对来说,目前预制混凝土夹心保温外墙板应用在钢结构上,存在自重偏大、与主体钢结构构件的构造连接不够成熟等问题,研发轻质的预制混凝土夹心保温外墙板以及合理的连接构造措施是大力推广预制混凝土夹心保温外墙板在钢结构工程中应用的前提和基础。

Ø 楼梯的拆分

装配式钢结构的楼梯可采用预制钢楼梯或预制混凝土楼梯。预制钢楼梯一般为梁式楼梯,楼梯踏步上宜铺设预制混凝土面层;预制混凝土楼梯一般为板式楼梯。楼梯设计时通常以一跑楼梯作为一个单元进行拆分,拆分示意图见5-12,钢楼梯自重轻,一般带平台板拆分;混凝土楼梯自重较大,拆分时是否带有平台板应根据吊装能力确定。为减少混凝土楼梯刚度对主体结构受力的影响,装配式混凝土楼梯与主体钢结构通常采用柔性连接,楼梯和主体结构之间不传递水平力,见图5-13(a),而钢楼梯由于其刚度较小与与主体结构的连接通常采用固定式连接,见图5-13(b)。

 

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