劉殿忠 陳海靜

（吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130118）

0 引言

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)是由型鋼與混凝土組合而成，充分發(fā)揮了鋼與混凝土兩種材料各自的性能優(yōu)勢(shì)，在建筑工程已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的建筑方法相比，裝配式建筑具有明顯的優(yōu)越性，可保證產(chǎn)品的質(zhì)量，能夠滿足各種建筑形式的需求，應(yīng)用前景廣闊。裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系兼具鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)件工廠制作，現(xiàn)場(chǎng)組裝成整體，構(gòu)件間連接可以采用高強(qiáng)螺栓連接，可提升整體結(jié)構(gòu)的防火及防腐蝕等性能。

目前市場(chǎng)上可用于裝配式建筑的組合結(jié)構(gòu)體系有多種，比較典型的組合結(jié)構(gòu)體系有：型鋼混凝土結(jié)構(gòu)體系、裝配式鋼管束組合結(jié)構(gòu)體系、PEC預(yù)制裝配的組合結(jié)構(gòu)體系以及捷約預(yù)制裝配框架系統(tǒng)等，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)體系比較成熟，且應(yīng)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(jié)構(gòu)體系。

1 鋼管束組合結(jié)構(gòu)體系

1.1 體系構(gòu)成

（1）鋼管混凝土束組合結(jié)構(gòu)剪力墻[1]：鋼管束內(nèi)部結(jié)構(gòu)美觀，排列有序，施工方便，標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化鋼管連接在一起，形成鋼管束，內(nèi)部澆筑混凝土，如圖1所示。

圖1 鋼管束剪力墻結(jié)構(gòu)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(xiàn)場(chǎng)不需要支模，運(yùn)輸方便，易安裝及拆卸。

（4）輕質(zhì)隔墻：輕質(zhì)條板、加氣混凝土塊，以及其它輕質(zhì)墻體。

（5）建筑外裝飾面：輕質(zhì)防火保溫板、輕質(zhì)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(huán)保裝飾。

1.2 主要功能

（1）優(yōu)良的抗震性能：鋼結(jié)構(gòu)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(jí)是標(biāo)準(zhǔn)，抗震8級(jí)已經(jīng)在很多工程中應(yīng)用。

（2）縮短建設(shè)周期：有些鋼構(gòu)件如汽車制造一樣，在工廠里是標(biāo)準(zhǔn)化和流線型加工的；在施工現(xiàn)場(chǎng)，可以同時(shí)建三層。建高樓層時(shí)，不會(huì)影響低樓層的施工，可以開(kāi)始結(jié)構(gòu)維修和裝修，可以像積木一樣直接組裝。流水作業(yè)沒(méi)有沖突，可以大大縮短工期。

（3）優(yōu)化工程質(zhì)量：鋼構(gòu)件采用現(xiàn)代設(shè)備生產(chǎn)，毫米計(jì)算誤差，質(zhì)量穩(wěn)定；施工時(shí)，鋼構(gòu)件外露，使施工構(gòu)件有形可見(jiàn)，隱蔽工程少。

（4）節(jié)能：人工砌筑方式在施工現(xiàn)場(chǎng)消失，混凝土攪拌機(jī)和飛沙走石也在施工現(xiàn)場(chǎng)消失，減少了建筑垃圾和二氧化碳的排放；隔熱性能優(yōu)異（夏季涼爽）；結(jié)構(gòu)體系與保溫材料的完美結(jié)合（冬季保暖）。

（5）綠色環(huán)保：鋼構(gòu)件可以實(shí)現(xiàn)從建造-拆除-回收-再加工-再建造的100%回收，低損耗循環(huán)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(guò)將工業(yè)廢料尾礦砂等進(jìn)行處理，使其作為原料進(jìn)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(wú)毒無(wú)害；施工過(guò)程噪音小，不擾民；粉塵少，保護(hù)環(huán)境。

（6）布局靈活：輕質(zhì)隔墻，讓非承重墻體可隨意改變結(jié)構(gòu)，“鋼管束”讓建筑結(jié)構(gòu)告別“肥梁環(huán)柱”，DIY空間格局，隨心所欲。

1.3 綜合優(yōu)勢(shì)

鋼管束剪力墻結(jié)構(gòu)體系相比于傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)勢(shì)：延性好、抗震性能好；建筑垃圾少、粉塵少、噪音??；施工周期短，速度快，建設(shè)投資??；材料可回收利用，綠色環(huán)保，碳排放量小，施工安全、節(jié)水節(jié)電；工廠化制造、預(yù)制裝配標(biāo)準(zhǔn)化施工；承重結(jié)構(gòu)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(méi)有模板。

1.4 工程應(yīng)用實(shí)例

（1）萬(wàn)郡·大都城（內(nèi)蒙首席鋼結(jié)構(gòu)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(wàn)m2。該項(xiàng)目采用鋼管束剪力墻組合結(jié)構(gòu)體系，發(fā)揮了鋼結(jié)構(gòu)制作工業(yè)化程度高、施工速度快的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)住宅產(chǎn)品的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、生產(chǎn)工廠化、建筑裝配化、室內(nèi)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(jié)能環(huán)保，空間布置靈活等優(yōu)勢(shì)。

（2）中天杭蕭鋼結(jié)構(gòu)預(yù)制建筑基地一期科研樓工程具有辦公、研發(fā)、住宿等配套功能。整棟樓11層，總建筑面積1.4萬(wàn)m2。工程主體采用鋼框架和鋼管束組合結(jié)構(gòu)體系，水平結(jié)構(gòu)體系和內(nèi)外墻均采用拼裝技術(shù)施工。項(xiàng)目擁有66%的裝配率，相當(dāng)于裝配式建筑A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)目建設(shè)可按3天一層的速度推進(jìn)，較傳統(tǒng)建筑方式工期縮短60%，基礎(chǔ)部分造價(jià)節(jié)省10%。

2 PEC預(yù)制裝配式組合結(jié)構(gòu)體系

2.1 PEC結(jié)構(gòu)概述

PEC結(jié)構(gòu)是由部分外包鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的截面構(gòu)成。混凝土填充在開(kāi)口截面鋼構(gòu)件的輪廓中，并且混凝土可按工程要求進(jìn)行加固，如縱筋、箍筋、系桿、栓釘?shù)冉Y(jié)構(gòu)構(gòu)件，如圖2所示。

圖2 PEC預(yù)制框架柱

歐洲規(guī)范中的部分填充組合構(gòu)件為部分包裹組合（PEC）結(jié)構(gòu)，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(shí)工字鋼腹板配有抗剪件（Eurocode4，Table5.2）；也有外包組合構(gòu)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(fù)合型組合梁（Eurocode4，F(xiàn)igure6.1）。構(gòu)件中配以箍筋和縱筋（Eurocode4，6.3.3）。這類構(gòu)件可稱為“歐標(biāo)截面”[3]。20世紀(jì)90年代以后，出現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu)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(biāo)截面”（“加標(biāo)截面”）。

2.2 PEC結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

（1）組合作用（約束作用）：PEC結(jié)構(gòu)提高了鋼筋的局部穩(wěn)定性和抗壓強(qiáng)度，在一定程度上限制了混凝土的早期沉降。

（2）可預(yù)制性、可裝配性。

（3）表面保護(hù)作用（防火防腐作用）。

（4）一定程度的輕量化：分別相對(duì)純鋼或純混凝土。

此外，建筑內(nèi)部裝修對(duì)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(yīng)用實(shí)例

（1）紹興市行政中心配套住宅（國(guó)內(nèi)首棟PEC框架結(jié)構(gòu)），項(xiàng)目總建筑面積34.1萬(wàn)m2。其中8個(gè)是由BIM、智能和現(xiàn)場(chǎng)組裝集成系統(tǒng)和組件組成的優(yōu)質(zhì)住宅建筑組件。該項(xiàng)目符合AA級(jí)裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)，裝配率為76%。鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅集成技術(shù)體系以PEC鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系為核心，通過(guò)在H型鋼的空腔內(nèi)澆筑混凝土形成高強(qiáng)度H型鋼復(fù)合材料，具有良好的抗震性能；因此，避免了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)所面臨的節(jié)點(diǎn)連接可靠性問(wèn)題，解決了鋼結(jié)構(gòu)的防火防腐問(wèn)題，大大提高了鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

（2）羅馬尼亞布加勒斯特中央國(guó)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(duì)樓體進(jìn)行了抗風(fēng)、抗震和抗連續(xù)性倒塌設(shè)計(jì)。此樓結(jié)構(gòu)的全部構(gòu)件或主要受力構(gòu)件采用部分填充組合構(gòu)件，結(jié)構(gòu)中的某類構(gòu)件采用部分填充組合構(gòu)件。這類結(jié)構(gòu)已在歐洲得到一定程度的應(yīng)用，所建高層建筑可達(dá)30層左右。

3 捷約預(yù)制裝配框架系統(tǒng)

3.1 體系構(gòu)成

（1）甲殼柱——鋼管和波紋板的組合構(gòu)造巧妙，填充混凝土。這種組合式鋼筋混凝土內(nèi)構(gòu)件取代了傳統(tǒng)的無(wú)模板、無(wú)鋼支撐的鋼柱，可節(jié)約50%以上的成本，滿足國(guó)內(nèi)大規(guī)模組裝的需要，如圖3所示。

圖3 捷約預(yù)制裝配框架系統(tǒng)

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

（3）優(yōu)弦梁——下翼緣局部使用鋼管預(yù)應(yīng)力的簡(jiǎn)支梁，節(jié)省用鋼。

（4）優(yōu)肋板——底板和加勁肋，可以使用不同材質(zhì)、不同厚度進(jìn)行組合，經(jīng)濟(jì)狀況良好，底部沒(méi)有缺口，這是優(yōu)肋板的優(yōu)點(diǎn)。

（5）優(yōu)節(jié)點(diǎn)——優(yōu)節(jié)點(diǎn)把螺栓和連接板都省掉了，是最好的轉(zhuǎn)換件。

3.2 特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

捷約預(yù)制裝配框架系統(tǒng)，擁有甲殼柱、甲殼梁、優(yōu)弦梁、優(yōu)肋板、優(yōu)節(jié)點(diǎn)[5]等核心技術(shù)，可根據(jù)需要靈活組合，大大減少了傳統(tǒng)施工中的高支模作業(yè)，降低用鋼量，極大減少了人工和工期，是建筑裝配化的創(chuàng)新方向。免模板、免支撐、免配筋，就可以把一個(gè)房子蓋好。

3.3 工程應(yīng)用實(shí)例

同華冷庫(kù)——世界上第一個(gè)采用捷約預(yù)制裝配框架體系組裝殼柱殼梁的工程，是中國(guó)最大的單體冷庫(kù)。該項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)洋山保稅區(qū)內(nèi)，總建筑面積8m2，1號(hào)、2號(hào)冷庫(kù)鏡像對(duì)稱，每棟長(zhǎng)70.4m、寬64.7m；3號(hào)冷庫(kù)長(zhǎng)度為89.1m、寬64.7m。每個(gè)冷庫(kù)由冷藏庫(kù)和大廳兩部分組成，由抗震縫隔開(kāi)。冷藏庫(kù)為地下1層地上3層，樓面層高12.5m，總高37m，柱網(wǎng)尺寸9.2m×8.8m。大廳有6層，每層高度從4.3m～7.5m不等，整個(gè)建筑設(shè)有地下室，埋深不超過(guò)5m。整個(gè)裝配框架系統(tǒng)的柱梁板均為工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)組裝，混凝土為現(xiàn)澆。捷約預(yù)制裝配框架系統(tǒng)最大限度提升建筑空間利用率。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)合可以達(dá)到高效、高技術(shù)、可持續(xù)發(fā)展的要求。隨著我國(guó)建筑業(yè)的迅速發(fā)展，國(guó)家對(duì)建筑的裝配率制定了相關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，使得裝配式建筑在我國(guó)得到了快速的發(fā)展。將鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于裝配式建筑中會(huì)使我國(guó)建筑業(yè)發(fā)展更加迅速。目前鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在裝配式建筑中的應(yīng)用還有很大的發(fā)展空間且前景廣闊。