黃永超 王越 梁超 鄭霄
摘 要:低層冷彎薄壁型鋼房屋是目前國(guó)內(nèi)大力發(fā)展的裝配式房屋體系之一,沿用國(guó)外成熟的結(jié)構(gòu)理念,逐漸誕生了一些更適合中國(guó)國(guó)情的構(gòu)造措施和建筑做法,這里專門(mén)針對(duì)該類房屋的樓蓋系統(tǒng)進(jìn)行利弊分析,提出新的理論模型,力求找到更優(yōu)的裝配式樓蓋系統(tǒng)解決方案。
關(guān)鍵詞:冷彎薄壁型鋼;裝配式;樓蓋系統(tǒng);夾層樓板
1 前言
隨著JGJ 227—2011《低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術(shù)規(guī)程》的發(fā)布,低層冷彎薄壁型鋼房屋在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,逐漸成為低層裝配式建筑的首選結(jié)構(gòu)形式。
低層冷彎薄壁型鋼房屋(以下簡(jiǎn)稱薄壁型鋼房屋)在國(guó)內(nèi)的定義:以冷彎薄壁型鋼為主要承重構(gòu)件,層數(shù)不大于3層,檐口高度不大于12m的低層房屋建筑。
薄壁型鋼房屋的樓蓋系統(tǒng)由密肋梁及其上鋪設(shè)的結(jié)構(gòu)板組成,常見(jiàn)的樓蓋系統(tǒng)如圖1所示。
國(guó)內(nèi)外薄壁型鋼房屋的樓蓋系統(tǒng),大致有以下幾種形式:
(1)實(shí)腹梁(桁架梁)+結(jié)構(gòu)板材(OSB板、水泥纖維板或其他板材)+裝飾面層。
(2)實(shí)腹梁(桁架梁)+低波紋壓型鋼板樓承板+現(xiàn)澆鋼筋混凝土+裝飾面層。
這些樓板系統(tǒng)有兩個(gè)共同的特點(diǎn)——①密肋梁+結(jié)構(gòu)面板;②梁按簡(jiǎn)支單獨(dú)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算,并能滿足強(qiáng)度和變形要求。
我們將針對(duì)薄壁型鋼房屋的特點(diǎn),根據(jù)結(jié)構(gòu)原理建立新的樓蓋系統(tǒng)理論模型,并進(jìn)行分析研究。
2 樓蓋系統(tǒng)的作用
薄壁型鋼房屋的傳力方式類似于盒子:(1)豎向荷載通過(guò)樓蓋傳給承重墻體,后者再傳給基礎(chǔ);(2)水平風(fēng)荷載、地震作用通過(guò)樓蓋傳給相應(yīng)抗剪墻體后傳給基礎(chǔ)。
樓蓋連接了多面墻體,既要將樓面荷載傳給承重墻,也要將各向水平力傳遞給相應(yīng)抗剪墻,所以他必須同時(shí)具備豎向和水平方向的強(qiáng)度和剛度。
目前常用的幾種樓蓋系統(tǒng)都是利用簡(jiǎn)支梁將豎向力傳給兩端墻體的立柱,其整體受力方式與單向板傳力近似,這就需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中調(diào)整梁的布置方向來(lái)平衡豎向力的傳遞,避免豎向力過(guò)于集中。
3 常見(jiàn)樓蓋系統(tǒng)的缺點(diǎn)
(1)樓蓋系統(tǒng)的截面很高(300mm左右),要達(dá)到現(xiàn)澆混凝土樓板結(jié)構(gòu)相同凈高需要付出更大代價(jià)。
(2)梁?jiǎn)为?dú)驗(yàn)算,忽略了板的組合作用,用鋼量大。
(3)需要較多的構(gòu)造措施來(lái)保障整個(gè)樓蓋系統(tǒng)的整體性,而過(guò)高的截面也導(dǎo)致了上下樓層的墻體需要更多的配件才能連接,經(jīng)濟(jì)性和可靠性較差。
(4)水平兩個(gè)方向的剛度差異較大,房屋整體傳力的可靠度受影響。
4 新型樓蓋系統(tǒng)理論模型
4.1 理論模型借鑒了壓型鋼板組合樓板和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心樓板的結(jié)構(gòu)原理
(1)以壓型鋼板為底模的現(xiàn)澆混凝土樓板,有兩種形式:
①壓型鋼板組合樓面:壓型鋼板參與結(jié)構(gòu)計(jì)算,可減少下部受拉鋼筋用量。
②壓型鋼板非組合樓面:壓型鋼板僅作為免拆模板使用,混凝土單獨(dú)計(jì)算配筋。
薄壁型鋼房屋的梁布置很密,間距在600mm左右,上面鋪設(shè)壓型鋼板再澆筑鋼筋混凝土,無(wú)法充分利用組合樓板的性能,造價(jià)偏高。所以,小跨度的樓蓋可以直接采用壓型鋼板組合樓板而取消密肋鋼梁。
一般跨度的現(xiàn)澆混凝土樓板的配筋率較小,往往達(dá)到最小配筋率的構(gòu)造配筋就能滿足設(shè)計(jì)要求(比如3m跨度的100厚樓板約0.2%最小配筋率),而100厚的組合樓板采用1.0mm厚的壓型鋼板,僅鋼板本身如果折算成鋼筋就可高達(dá)1.2%以上的配筋率,而這些鋼材的強(qiáng)度基本沒(méi)有用上。新型樓蓋系統(tǒng)方案將研究如何充分有效的利用壓型鋼板的抗拉強(qiáng)度。
(2)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心樓板以及更復(fù)雜的大跨度鋼筋混凝土空心夾層樓板的構(gòu)造原理可以直接借用在新型樓蓋系統(tǒng)模型上。
4.2 冷彎薄壁型鋼夾層樓板
(1)結(jié)合上文兩類樓板的優(yōu)點(diǎn),并利用冷彎薄壁型鋼的特點(diǎn),建立一種新型的樓蓋系統(tǒng)模型,我們命名為冷彎薄壁型鋼夾層樓板,分為兩大類:a、冷彎薄壁型鋼空心夾層樓板,b、冷彎薄壁型鋼實(shí)心夾層樓板,如下圖2所示。
這種樓蓋系統(tǒng)最大的特點(diǎn):正彎矩由下部鋼板來(lái)承擔(dān),受壓區(qū)由混凝土、高抗壓強(qiáng)度的板材或是二者的組合來(lái)實(shí)現(xiàn),龍骨僅是為了構(gòu)建樓板有效截面高度以增加豎向剛度(圖3)。
4.3 優(yōu)點(diǎn)
(1)新型樓蓋系統(tǒng)降低了整體高度,與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土樓板高度接近;(2)材料各司其職,受力清晰,節(jié)約成本;(3)作為一個(gè)整體受力體系,若邊梁采取一定的加強(qiáng)措施,可以不考慮與墻立柱一一對(duì)應(yīng),布局更加靈活。(4)樓蓋由近似的單向板系統(tǒng)變成了單雙皆宜。(5)生產(chǎn)、安裝比常用的樓蓋系統(tǒng)更加方便,甚至可以和墻體采用通用龍骨,更適合整體模塊化生產(chǎn)、運(yùn)輸和吊裝。
4.4 需要注意的問(wèn)題
(1)和壓型鋼板組合樓面一樣,需要對(duì)底部鋼板進(jìn)行防火處理,有兩種方式:防火涂料、外包耐火板。
防火涂料可以采用噴涂,既有防火性能,也可直接作為裝飾涂料。外包耐火板材,根據(jù)耐火極限的要求,可以采用耐火石膏板、硅酸鈣板等耐火材料吊頂來(lái)實(shí)現(xiàn),既防火又美觀。
(2)鋼材的耐久度要和建筑使用年限一致,建議采用鍍鋅Zn275或是鍍鋁鋅AZ150及更好的防腐涂層加以保護(hù),普通環(huán)境下鍍鋅量275g/m2的冷彎薄壁型鋼使用年限大于75年。
4.5 計(jì)算
(1)可按四周簡(jiǎn)支的雙向板來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算;若長(zhǎng)寬比大于2則按簡(jiǎn)支單向板來(lái)計(jì)算。下部鋼板承擔(dān)全部拉力,上部混凝土或結(jié)構(gòu)板承擔(dān)全部壓力。
(2)需要完善的試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的可靠性:按照上述理論模型建造試驗(yàn)樓板,逐步加荷并測(cè)量變形數(shù)據(jù),觀察破壞形式,核實(shí)理論計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的偏差。
(3)連接構(gòu)造要求。①樓蓋龍骨的四周設(shè)置剛性K型支撐,加強(qiáng)樓蓋整體穩(wěn)定和剛度。②下部受拉鋼板和上部受壓結(jié)構(gòu)板與龍骨之間采用M5.5自攻螺釘,間距不大于100mm,并要經(jīng)過(guò)抗剪驗(yàn)算。
5 結(jié)束語(yǔ)
新型的樓蓋系統(tǒng)——冷彎薄壁型鋼夾層樓板,它傳力清晰、易于安裝、節(jié)約空間、成本低廉,和低層冷彎薄壁房屋的結(jié)合度非常高,便于模塊化、產(chǎn)業(yè)化,利于裝配式房屋的推廣和應(yīng)用。
參考文獻(xiàn):
[1] JGJ 227—2011.低層冷彎薄壁型鋼房屋建筑技術(shù)規(guī)程[S].
[2] 中國(guó)建筑工業(yè)出版社出版的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第三版).
[3] 趙維, 楊建軍. 淺談三種現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋板[J].山西建筑,2006.
[4] 原雪.薄壁箱體現(xiàn)澆混凝土空腹樓蓋的受力性能和設(shè)計(jì)方法研究[D].中南大學(xué),2013.