装配式建筑中钢结构技术的适用性分析张浩

装配式建筑中钢结构技术的适用性分析张浩

张浩

珠海市建筑设计院武汉分院湖北省武汉市430000

摘要：为了更好地发展装配式钢结构建筑，对钢结构技术的适用性进行分析和研究。本文围绕结构体系、构件设计和防火防腐、连接节点三方面的技术展开探讨，指出装配式钢结构建筑存在的问题以及技术发展方向，为其钢结构技术的发展提供一些思路和参考。

关键词：装配式钢结构建筑；结构体系；连接节点；防火防腐

引言

近年来，装配式建筑已经被提到了国家研发层面，作为建筑业转型发展的重点予以推进。国家及全国各地关于装配式建筑发展的工作目标、扶持政策陆续出台，装配式建筑项目如雨后春笋般在各地展开。装配式钢结构建筑以钢结构作为承重结构，是与装配式混凝土建筑、装配式木结构建筑并行的3种装配式建筑体系之一。钢结构是与围护、内装、设备管线等建筑部品部件的系统集成，是其主体结构。面对装配式建筑的发展方向，钢结构技术是否继续适用，如何更好地适应需求和发展，本文从结构体系、构件设计和防火防腐、连接节点三方面进行阐述。

1结构体系

在居住和办公类装配式钢结构建筑中常用的结构体系有冷弯薄壁型钢、纯框架、框架支撑、框架剪力墙、框架核心筒结构等，也有一些异型柱框架和剪力墙结构、纯钢或组合结构，可解决露梁露柱问题。事实上，传统的结构形式，或是结构形式的一些变化，对于钢结构建筑体系的构成和支撑，并无突出矛盾。但是，如果行业的发展始终躺在“钢结构就是装配式”这一观点上，那就有些不思进取了。让装配式钢结构建筑的结构体系勉为其难地向传统现浇剪力墙住宅体系靠拢，简单套用混凝土剪力墙户型的传统钢结构体系，不仅体现不出优势，反而会变成劣势。仅仅是解决露梁露柱问题，而不是针对钢结构的特点，从房型、装修等方面综合考虑用户的接受度，向钢结构标准化、高效制作与安装发展，那很难取得大的技术进步。

1.1分离式结构体系

就钢结构体系而言，竖向承重和抗侧力分离的结构体系，对于实现高效装配目标是一个很好的选择———局部结构形成抗侧力体系（可以是支撑、剪力墙等），其余部分的结构无需抗侧能力，只要具备竖向承重能力即可，因此构造处理更为方便。这实际上也可能是一种单一抗侧力结构体系。除了钢框架-核心筒混合结构体系（事实上效率并不低），目前国内正在从事新体系的探究。以支撑框架为代表的单一抗侧力体系，也是一种不错的选择。典型的例子有日本大和房屋株式会社主推的支撑框架体系：梁贯通，梁柱按铰接处理（半刚性），完全由支撑提供抗侧刚度，实际上是一种分离式结构体系，经同济大学研发，形成了整套技术体系，命名为“分层装配式钢结构体系，用于低多层装配式钢结构建筑，装配效率可大大提升。然而，按照国内现行的GB50011—2010《建筑抗震设计规范》设计，要求结构宜有多道抗震防线。具体到钢框架-支撑结构中，框架部分有相应的抗震措施和构造要求，需保证延性，并承担不低于总水平地震作用的25%（基本给这种结构体系判了“死刑”），导致梁柱节点必须设计有一定抗弯刚度，以形成框架来承担部分水平地震力。这就很尴尬了，明明是因地震频发的国家广泛应用的结构体系，怎么在国内就不行了呢？是国内地震设防特别吗？如果说在日本经过大地震检验是可靠的，那么按照我们的规范，却认为是不安全的，是这个结构体系不合理，还是我们的规范不合理呢？实际上参考美国的结构规范，支撑框架作为单一抗侧力体系是允许的。况且，钢框架-支撑体系中，即便框架部分全是铰接没有抗侧刚度，同一方向上的多道支撑事实上也是抗震的多道防线。

1.2结构体系的其他问题

由于现行的《建筑抗震设计规范》关于“强柱弱梁”的要求，所以直接导致H型截面柱的框架（横向框架+纵向支撑框架，或者部分钢柱旋转90°布置实现双向抗侧的纯框架）无法实现。事实上横向框架+纵向支撑框架的结构形式在工业建筑中一直被普遍应用，在民用建筑中是不是就真的不可行？H型截面柱的双向纯框架也真的不行？可美国的钢框架这么做的还挺多，包括特殊抗弯框架。

2构件设计及防火防腐

2.1构件设计

建筑工业化的目标是为了解决传统建筑劳动效率和劳动力的问题。钢结构厂的构件加工，虽然实现了工厂预制，但也存在加工效率的问题。国外的钢结构普遍使用型钢。由于我国有用钢量控制，另外工程量计算一般是按吨位而不论构件截面形式，所以导致采用焊接截面的情况普遍。尽可能采用轧制型钢以及成品型材，少用焊接截面，是减小构件加工工作量的重要措施。钢结构加工厂的构件如能实现模数化、标准化，就是实现了装配式建筑的发展初衷，而不是停留在“钢结构就是工厂预制的”这一说法上。如型钢在钢厂经简单处理，绕过钢构厂，直接进入现场进行装配，将是高效装配的解决方案。

2.2构件的防火防腐

1）防火涂料。装配式钢结构会采用防火防腐涂料进行防护。但是，涂料的寿命一般仅10余年，业主或用户远远不能接受（尤其是住宅）。除了常规的防火涂料之外，采用防火片材的粘贴包覆，同时结合装修一体化处理，在装配式钢结构建筑中，尤其是精装修住宅中，是一种很好的解决方案。2）钢结构免涂装和一体化防火方案。这是解决防火防腐问题的根本途径。按照日本的工程经验，多高层钢结构构件在加工厂可不进行防腐涂装，仅在现场进行防火喷涂作业，或结合室内装修进行防火包覆，以保证防火性能。日本的技术人员认为，建筑物内封闭环境下钢材的腐蚀速度很慢，完全没必要涂装，预留一点腐蚀裕量即可，方便又环保。

3接节点

钢结构工程中焊接的工作量还是很多。合格的焊接工人已成稀缺资源。由于人工费大涨，越来越多的工程提出了全螺栓连接的要求。事实上，满足这个需求并不难，传统钢结构全螺栓连接基本都可以实现，只是局部的螺栓连接可能影响楼板、墙板等的布置和安装，但不致命，可以处理。新版的JGJ1999—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》认为悬臂梁段式的梁柱刚性连接破坏率为梁腹板直接连接的3倍，不建议应用。这似乎有悖常理，直接否定了悬臂梁段式的现场全螺栓拼接方式。

结语

本文对装配式钢结构建筑中钢结构技术现状进行了梳理。既然是支撑装配式钢结构建筑的技术，还是要围绕装配式建筑发展的目标和需求，即工厂的高效生产、现场的高效装配、与建筑装修的一体化协同和集成等发展目标，从结构体系、构件和节点等方面进行研究和实践，切实提高行业技术水平，推动装配式建筑的发展。

参考文献

[1]王伟，陈以一，余亚超，等.分层装配式支撑钢结构工业化建筑体系[J].建筑结构，2012，42（10）：48-52.

[2]张爱林，张艳霞.工业化装配式高层钢结构新体系关键问题研究和展望[J].北京建筑大学学报，2016，32（3）：21-28.

[3]色漆和清漆防护漆体系对钢结构的腐蚀防护第2部分：ISO12944-2[S].

[4]楼国彪.钢结构高强度螺栓端板连接研究现状（Ⅰ）[J].建筑钢结构进展，2006，8（2）：8-21.

[5]李鸣萧.基于高预紧力单边螺栓的钢管柱梁节点抗震性能与设计方法研究[D].上海：同济大学，2017.

[6]日本钢结构协会.钢结构技术总览（建筑篇）[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.