仲躋峰 褚國棟

（南通市建筑設計研究院有限公司，江蘇 南通 226006）

0 引言

傳統(tǒng)低層住宅一般為單層或兩層，采用砌體結構或木結構。這些建造方式需要現(xiàn)場大量的體力勞作，條件差，工期長，業(yè)主投入精力多。而且隨著工匠年齡老化、人數減少，勞動力成本加大，這種方式越來越不適應社會發(fā)展的需要。

前幾年，江蘇的施工企業(yè)創(chuàng)新采用鋼管柱和C 型鋼梁為主要受力骨架，用預制輕質泡沫混凝土配筋墻板為圍護，建造一批低層輕鋼住宅。該方式與北美輕鋼住宅建造方式不同。本文以建成的住宅為案例展開課題研究，挖掘出該建造方式的許多優(yōu)點；發(fā)現(xiàn)設計中有不符合現(xiàn)有規(guī)范的關鍵問題，提出相應解決方法，為其推廣應用打好理論基礎。

1 北美輕鋼住宅建造方式

建造北美輕鋼住宅有兩種結構體系，一種為冷彎薄壁型鋼低層住宅體系，墻體、樓蓋和屋蓋均采用冷彎薄壁型鋼構件與結構板材可靠連接而成的板肋結構。另一種采用熱軋H 型鋼、鋼管或高頻焊接H 型鋼等組成框架結構或框架支撐結構，墻體為不承重的輕鋼龍骨復合墻體，樓板采用鋼絲網水泥刨花板與密肋鋼梁組合的梁板結構體系或與圓孔板。這種方式與我國傳統(tǒng)住宅建造習慣相差太大，特別是外墻的安全問題經常被質疑，還沒有被老百姓普遍接受。

2 江蘇低層輕鋼預制板墻住宅建造方式

江蘇創(chuàng)新采用的輕鋼預制板墻建造低層住宅，選用鋼管柱和C 型鋼梁作為主體受力骨架，預制輕質泡沫混凝土配筋墻板作為圍護構件。主要構件在工廠加工、現(xiàn)場拼裝，現(xiàn)場的濕作業(yè)很少。

農村住戶翻建新房時，先拆除舊房，舊磚夯實找平用作基礎墊層。輕鋼住宅自重很輕，可以在墊層上澆300mm 厚混凝土筏板作為基礎。鋼柱采用邊長160mm 矩形鋼管，在工廠預先開矩形孔，運至現(xiàn)場就位后，焊接在筏板預留的埋件上，如圖1 所示。鋼梁采用雙拼C 型冷彎薄壁鋼，用高強螺栓與柱固定，如圖2 所示。

圖1 焊接柱腳

圖2 安裝C型鋼梁

圍護墻板混凝土強度等級為LC7.5，密度等級1000kg/m3，內部雙層雙向配筋。在車間完成鋼筋綁扎、混凝土澆筑全過程。每開間采用一塊整板，預留門窗洞口。墻板運到現(xiàn)場，吊到指定位置，多人合力將墻板推入兩柱和鋼梁之間，如圖3 所示。墻板四周有鋼板埋件，將埋件與梁柱焊接，如圖4 所示。樓板采用鋼筋桁架樓層板組合樓板，鋼板在鋼梁上的擱置部位開洞口，如圖5 所示。墻板與鋼柱交接部位鋪設鋼絲網，隨后清掃墻面并澆水濕潤、批界面劑、彈分格線、貼繃帶，最后噴真石漆，建成建筑外觀如圖6所示。

圖3 墻板推入柱間

圖4 墻板埋件與柱焊接

圖5 鋼梁頂部的樓承板開洞

圖6 剛剛建成的建筑外觀

澆筑時先澆柱梁后澆樓面，這是該住宅特有的施工工藝。澆柱子時振動棒插入柱底，一邊澆筑一邊慢慢向上撥，每一個鋼柱都需振搗。澆平臺時，振動棒在平臺上向著一個方向拖動，板底部對扣的C 型鋼梁之間均澆灌混凝土。這種建造方式有許多優(yōu)點：

（1）梁板柱均變?yōu)榻M合構件，增加構件承載力和剛度；

（2）由于鋼管柱事先有開孔，一部分砂漿會溢出鋼管柱，塞滿鋼構件與預制墻體之間的空隙，滿足老百姓觀感要求，減少投訴糾紛；

（3）墻板不是固定600mm 寬、現(xiàn)場拼裝的方式，而是每個房間一塊板，提高生產和安裝效率，同時避免拼縫；

（4）按照《江蘇省裝配式建筑綜合評定標準》的規(guī)定，項目地上主體鋼結構、外圍護墻、內隔墻、桁架式樓承板均采用工廠預制成品，主體結構和外圍護結構預制構件的計算指標Z1、裝配式內外圍護構件的計算指標Z2評分均為滿分；考慮到農村實際情況，暫未采用集成衛(wèi)生間和集成廚房，Z3評分為75%。預制裝配率總分Z為93%。這是混凝土結構體系很難到達的分值，充分體現(xiàn)該建造體系的優(yōu)勢。

3 現(xiàn)有建造方式的設計理論問題及改進方法

對照《建筑抗震設計規(guī)范》、《輕型鋼結構住宅技術規(guī)程》、《住宅設計標準》、《建筑鋼結構防火技術規(guī)范》等規(guī)范，從結構設計、節(jié)能設計等角度深入分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有建造方式的幾個理論問題需要改進。

3.1 結構受力體系問題

施工單位根據經驗將預制墻板嵌在鋼梁鋼柱中間。結構設計時，結構受力體系怎么確定？按框架結構計算還是按剪力墻結構都不合適。

根據廠家提供資料，輕質混凝土墻板的強度等級為LC7.5，該類墻只能用于自承重兼保溫的圍護結構，如果定義剪力墻作為主要受力構件，墻體強度不滿足規(guī)范要求。如果按純框架計算，現(xiàn)場的梁柱連接（如圖3所示）只能人為鉸接，鋼梁對柱不能提供抗彎約束，柱的計算長度系數很大，柱截面不滿足穩(wěn)定要求，整體抗側剛度也不夠。因此，純框架體系不成立。

受《輕型鋼結構住宅技術規(guī)程》條文的啟發(fā)，輕鋼住宅框架結構體系宜利用鑲嵌填充墻的側向剛度對整體結構的抗側移作用，可以把該結構體系確定為框架-支撐結構。計算模型按梁柱鉸接的框架，預制輕質墻板等代為支撐參與計算，計算模型如圖7所示。

圖7 斜拉鋼筋作為支撐參與計算模型

工廠澆筑混凝土墻板時，需要設置埋件，便于與周邊梁柱焊接。改進辦法為對角埋件上預先焊接斜拉鋼筋，如圖8所示。

圖8 預制墻體四邊埋件及內部斜筋示意

結構計算時，因為墻板混凝土不滿足受力構件最低強度要求，不考慮輕質混凝土承載力，僅考慮斜拉鋼筋作為純拉桿支撐的作用。結果表明，斜拉鋼筋可以滿足水平力承載要求。按照《鋼結構設計標準》8.3.1條判斷，該結構體系的側移剛度大于軸壓承載力差值，即Sb>4.4[(1+100/fy)∑Nbi-∑N0i]，框架滿足無側移要求，可以按強支撐框架計算。

3.2 結構構件設計問題

現(xiàn)有的建造方式中，擱置在板墻頂部的C 型鋼被作為圈梁看待，未考慮承載要求。根據新的計算模型，板墻不作為承載構件反而變?yōu)楹奢d，C 型鋼梁承載要求提高。改進的辦法是，在組合樓板與C 型鋼梁之間增加抗剪栓釘，樓板作為梁的翼緣，C 型鋼梁按組合梁計算。原截面無需增加，就可以滿足計算要求。

按強支撐框架假定，鋼柱計算長度取層高，長細比容易控制。鋼柱本身承載力較高，計算時無需考慮柱內澆灌的混凝土的承載力貢獻就能滿足要求。在板墻的對角埋件上預先焊接斜拉鋼筋，鋼筋用量按照整體受力要求確定。

3.3 防火問題

已經建造的住宅未考慮防火措施。根據規(guī)范要求，低層住宅耐火等級為四級。鋼柱鋼梁的耐火極限1h，樓板耐火極限0.5h。防火設計時，假定包裹在墻板中間的鋼梁鋼柱全部失效，輕質混凝土墻板還有剩余承載力，結構體系退化為剪力墻結構。按照標準溫升公式計算，受火1h 后輕質混凝土板墻的溫度為950℃。根據混凝土強度火災影響公式（1）計算：

式中：kc——影響系數；

T——溫度。

當溫度為950℃時，kc=1.085-5.73×0.0001×950=0.5，于是，LC7.5的剩余強度為7.5×0.5=3.7。

即使按LC3.7 驗算，墻軸壓比均小于1，滿足臨時承重要求，不至于倒塌。樓板設計時未考慮樓承鋼板的承載力，可以不涂防火涂料。綜上所述，防火設計只要把底部沒有墻體填充、明露的鋼梁周邊包防火板即可。這樣施工最簡單，節(jié)省造價。

3.4 外墻保溫隔熱問題

從圖4 可以看出，外墻嵌在鋼構件之間，沒有解決鋼構件的冷橋問題。墻板盡管采用輕質泡沫混凝土制作，自身的導熱系數0.260W/(m·K)，并不能滿足節(jié)能要求。需要在鋼構件和外墻板增加保溫材料，經過計算，推薦采用40mm擠塑聚苯板(ρ=25~32)。

4 結束語

采用鋼管柱和C型鋼梁為主要受力骨架，用預制輕質泡沫混凝土配筋墻板為圍護，建造低層住宅有獨到之處。研究過程中發(fā)現(xiàn)的結構受力體系、結構構件設計、防火、外墻保溫隔熱等幾個關鍵問題，采取了系列改進辦法，取得很好的效果：可以在輕質混凝土墻板內增加斜向鋼筋，以支撐的作用參與結構計算；鋼構件按組合構件計算，并做好防火措施；外立面增設保溫材料，提高節(jié)能水平。該體系的建造成本與傳統(tǒng)砌體結構相當，工期卻很短，老百姓愿意接受，其應用前景可期。