欒煥強(qiáng)

（中鐵十五局集團(tuán)有限公司 上海 200072）

1 引言

裝配式空間鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)是馬克儉、欒煥強(qiáng)等發(fā)明的一種新型的適合震區(qū)的大跨度結(jié)構(gòu)體系［1－2］。該結(jié)構(gòu)體系具有抗震性能好、施工速度快、節(jié)約鋼材、增加凈高及室內(nèi)空間可靈活布置等優(yōu)點(diǎn)［3］。

鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)由鋼空腹夾層板和鋼網(wǎng)格墻架兩種水平和豎向結(jié)構(gòu)體系組成，二者均具有板的力學(xué)效應(yīng)?？崭箠A層板上下肋間距與鋼柱間距一致，相互連接組成網(wǎng)格狀空間受力體系，樓蓋網(wǎng)格數(shù)不小于5格，墻架每層分格數(shù)不小于3格?？崭箠A層板樓蓋結(jié)構(gòu)體系得到根本改變，使傳統(tǒng)的單向傳力體系改變?yōu)槿S空間受力。但樓蓋和墻架網(wǎng)格化及空腹化后，帶來(lái)了施工難度及工時(shí)量增大等弊端。因此針對(duì)結(jié)構(gòu)體系小巧輕盈、用鋼量低的特點(diǎn)，采用預(yù)制裝配的新工藝，即將正交正放空腹樓蓋和墻架單元化，工廠加工標(biāo)準(zhǔn)單元后運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配，大幅提高工作效率。

1.1 鋼空腹夾層板

常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)樓蓋由H型鋼及混凝土樓板組成，照明及設(shè)備管道吊掛于樓蓋下方，壓縮了室內(nèi)空間、增加了建造成本。鋼空腹夾層板克服了常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)的這些缺點(diǎn)，其由上下肋、剪力鍵及混凝土樓板組成，上下肋中間空腹可穿越設(shè)備管道，其高度可根據(jù)受力和管道需求空間進(jìn)行調(diào)節(jié)，在室內(nèi)凈高不變的情況下可壓縮層高1／10～1／8，用鋼量節(jié)約1／5～1／4。上下肋為T型鋼，與開槽后的方鋼管剪力鍵在加工車間進(jìn)行焊接，如圖1所示。鋼空腹夾層板樓蓋具有很強(qiáng)的承載能力，其最大承擔(dān)荷載可達(dá)正常使用荷載的四倍以上［4］。

圖1 常規(guī)鋼樓蓋與空腹夾層板樓蓋

1.2 鋼網(wǎng)格墻架

鋼網(wǎng)格墻架是對(duì)常規(guī)鋼框架進(jìn)一步的優(yōu)化和拓展，主要特征為：減小柱截面和柱距，每層窗戶上下位置設(shè)置小橫梁以降低柱平面外計(jì)算長(zhǎng)度，增強(qiáng)墻架的抗震能力，形成小密柱、小橫梁的網(wǎng)格式墻架。

欒煥強(qiáng)針對(duì)鋼網(wǎng)格墻架的抗側(cè)滯回性能和抗震能力進(jìn)行分析表明：在用鋼量接近的情況下，與常規(guī)鋼框架相比，可大幅度提高耗能能力，降低側(cè)向和層間位移，具有良好的抗震性能［5］。在中震及大震作用下，鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)層間位移能夠滿足抗震規(guī)范要求。正交正放鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)與框剪結(jié)構(gòu)相比，抗側(cè)力能力較好，是更為高效的第二道防線，并且由于盒式結(jié)構(gòu)用鋼量少，質(zhì)量輕，層彎矩和層剪力比常規(guī)框架減少很多，在節(jié)約造價(jià)的同時(shí)，對(duì)抗震也極為有利。由于樓蓋和墻架重量輕、截面尺寸小，為進(jìn)行裝配式連接創(chuàng)造了有利條件。

2 工程概況

湖南金海檢測(cè)中心位于湖南省湘潭市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，地處長(zhǎng)株潭核心區(qū)域，東臨湘江，與昭山相望。該檢測(cè)中心是國(guó)內(nèi)首個(gè)裝配式空間鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)建筑，是具有大開間靈活劃分平面的節(jié)能民用建筑。建筑層數(shù)為六層，投影平面為方形平面，跨度為8 m，建筑面積約為3 450 m2，高度為23.1 m，平面尺寸為（24×24）m。一層為檢測(cè)中心，層高4.8 m；二層為實(shí)驗(yàn)室，層高3.9 m；三層至六層為公寓，層高3.6 m。內(nèi)部區(qū)域主要為樓電梯和衛(wèi)生間區(qū)域，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，外圍柱除四角采用方鋼管柱以增強(qiáng)抗扭剛度外，其余均為小截面H型鋼柱。內(nèi)墻采用輕質(zhì)砌塊分隔房間，外墻采用輕質(zhì)鋁板和玻璃幕墻飾面。檢測(cè)中心外觀及標(biāo)準(zhǔn)層平面如圖2所示。

圖2 檢測(cè)中心標(biāo)準(zhǔn)層平面及外觀

3 結(jié)構(gòu)方案布置

3.1 空腹夾層板樓蓋方案布置

由于一層、二層、三～五層和六層使用功能不同，內(nèi)部房間分割差別較大，結(jié)構(gòu)布置需要實(shí)現(xiàn)靈活劃分房間的要求，因此樓蓋采用裝配式正交正放空腹夾層板結(jié)構(gòu)?？崭箠A層板的鋼結(jié)構(gòu)部分總厚度為500 mm，跨度為8 m，網(wǎng)格形式為正交正放，網(wǎng)格尺寸為2.0 m×2.0 m，上下肋均為T型截面，剪力鍵為方管。根據(jù)運(yùn)輸及施工要求將空腹夾層板樓蓋分為A、B兩種單元，其中A單元14個(gè)、B單元4個(gè)，如圖3所示。各單元上下肋與剪力鍵連接部分采用開槽后等強(qiáng)焊接的方法進(jìn)行連接，待上下肋與剪力鍵連接完成后，運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)于各單元連接處進(jìn)行螺栓拼接，在上肋焊接栓釘，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，然后澆筑混凝土即可完成空腹夾層板施工過程。由于各單元重量輕，連接方便，地上主體部分實(shí)際施工工期僅70 d，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)件裝配，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

圖3 樓蓋單元?jiǎng)澐址桨福▎挝唬簃m）

3.2 墻架結(jié)構(gòu)方案

墻架結(jié)構(gòu)與常規(guī)框架結(jié)構(gòu)有所不同，主要是由小規(guī)格密柱、多個(gè)層間橫梁及空腹鋼梁組成。正交正放空腹夾層板網(wǎng)格間距與小規(guī)格密柱相同，對(duì)于需要開門洞處，可根據(jù)建筑和使用功能需求加寬或取消部分鋼結(jié)構(gòu)立柱，二層相應(yīng)位置設(shè)置兩根八字鋼柱以承擔(dān)上部荷載。層間窗洞頂部和底部各設(shè)置一根層間橫梁，以加強(qiáng)墻架的抗側(cè)剛度。墻架結(jié)構(gòu)依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，墻架網(wǎng)格單元?jiǎng)澐秩鐖D4a所示。墻架采用H型鋼豎向網(wǎng)格墻架，在工廠制作為拼裝單元。當(dāng)基礎(chǔ)工程完畢后，先安裝第一層墻架單元，再采用高強(qiáng)螺栓安裝第一層鋼空腹網(wǎng)格樓蓋，將各單元按設(shè)計(jì)劃分方案進(jìn)行安裝，各單元腹板處采用鋼拼接板和摩擦型高強(qiáng)螺栓連接，墻架單元?jiǎng)澐旨笆┕D如圖4所示。各構(gòu)件截面參數(shù)如表1所示。

圖4 墻架單元?jiǎng)澐旨把b配現(xiàn)場(chǎng)

表1 構(gòu)件截面參數(shù)

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)體系采用Midas gen軟件建立有限元模型進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)驗(yàn)算與分析［6］。盒式結(jié)構(gòu)作為一種新型的結(jié)構(gòu)體系，其空腹梁和鋼墻架梁柱均可按實(shí)際構(gòu)件進(jìn)行輸入。除混凝土樓板采用板單元模擬外，鋼柱、混凝土柱、空腹梁、層間橫梁均采用桿單元模擬［7］。

4.2 荷載取值

依據(jù)現(xiàn)行國(guó)家相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)［8－10］及建筑平、立、剖面圖進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度按7度進(jìn)行設(shè)計(jì)，鋼材采用Q355B，混凝土等級(jí)為C30。恒載根據(jù)材料自重按照實(shí)際計(jì)算取值。

（1）活載：上人屋面活載取 2.0 kN／m2，公寓為2.0 kN／m2，實(shí)驗(yàn)室為 4.0 kN／m2，走廊樓梯活載取3.5 kN／m2。

（2）風(fēng)載：按縱橫向均為0.35 kN／m2，施加于主體結(jié)構(gòu)上，地面粗糙度為B類。

（3）溫度荷載：按極端情況考慮，溫度荷載分析考慮升溫25℃、降溫20℃。

（4）地震荷載：抗震設(shè)防類別為丙類，設(shè)防烈度取7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.15 g，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，地震分組第一組。

4.3 振動(dòng)模態(tài)分析

根據(jù)抗震規(guī)范規(guī)定采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震計(jì)算，其自振模態(tài)如圖5所示。由圖5可知，前兩階振動(dòng)模態(tài)均為平動(dòng)，自振周期基本相等，說明兩個(gè)方向剛度均勻；第三階模態(tài)為轉(zhuǎn)動(dòng)，且周期比T3／T1＝0.86＜0.9，滿足相關(guān)抗震規(guī)范要求。

圖5 前三階振動(dòng)模態(tài)

4.4 層間位移角及位移比

層間位移角及位移比如表2所示。

表2 層間位移角及位移比

在風(fēng)荷載作用下，一層位移角1／1 410，遠(yuǎn)小于多層框架結(jié)構(gòu)的限值1／400［11］；地震荷載作用下一層層間位移角 1／987，遠(yuǎn)小于規(guī)范限制 1／250［12］，表明盒式結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度大，具有很好的抵抗側(cè)向風(fēng)荷載和地震作用的能力。

4.5 應(yīng)力計(jì)算

檢測(cè)中心結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)降溫20℃時(shí)的荷載組合為控制性內(nèi)力，最大應(yīng)力為290 MPa，小于Q355B強(qiáng)度設(shè)計(jì)值310 MPa，其余桿件應(yīng)力比大部分在0.3～0.7之間，整體應(yīng)力分布較為均勻，能更好地發(fā)揮鋼材的受力性能，具有較大的安全儲(chǔ)備，如圖6所示。

圖6 應(yīng)力云圖

5 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造

5.1 空腹梁拼接構(gòu)造

樓蓋網(wǎng)格單元運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)后，連接采用“栓焊結(jié)合”施工工序，在需要連接T型鋼的腹板處采用高強(qiáng)螺栓等強(qiáng)連接后，再在其翼緣處采用對(duì)焊工序等強(qiáng)連接。安裝時(shí)需按節(jié)點(diǎn)位置設(shè)臨時(shí)支架，防止結(jié)構(gòu)變形，如圖7所示。

圖7 空腹梁拼接構(gòu)造（單位：mm）

5.2 斜柱連接構(gòu)造

鋼網(wǎng)格墻架密柱間距為2 m，由于底層出入口大空間門洞寬度為4 m，因此需將⑦軸處底層兩根鋼柱去除，二層處豎向鋼柱變?yōu)閮筛俗中武撝灾稳龑右陨箱撝芰?。連接處設(shè)置相應(yīng)的加勁板，經(jīng)過處理后的結(jié)構(gòu)受力和抗震性能基本無(wú)影響。斜柱連接構(gòu)造如圖8所示。

圖8 斜柱連接構(gòu)造

6 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)裝配式空間鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)選型、方案布置、結(jié)構(gòu)分析以及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造設(shè)計(jì)，得出如下結(jié)論：

（1）裝配式空間鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)樓蓋承載力大，抗震性能好、施工速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)快速化施工要求。

（2）建立有限元模型對(duì)湖南金海檢測(cè)中心進(jìn)行抗震及受力分析，側(cè)向位移遠(yuǎn)小于規(guī)范要求，整體結(jié)構(gòu)受力合理，有較高的安全儲(chǔ)備。

（3）對(duì)空腹梁拼接節(jié)點(diǎn)及斜柱連接構(gòu)造進(jìn)行設(shè)計(jì)，在方便施工的同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能基本無(wú)影響。