新型装配式钢框架结构建筑体系研究与应用

钢结构具有轻质高强、绿色环保、便于制作和标准化以及抗震性能好等诸多优点，在欧美发达国家住宅建筑中已得到推广与应用。近些年，我国出台许多政策大力推进装配式钢结构住宅产业的发展，国内很多学者和企业已开发出诸多新型装配式钢结构住宅体系，但依然存在一些问题亟待解决，主要是集中在以下两个方面^[1-2]：

1）装配式钢结构住宅结构体系存在的问题

随着我国住宅产业化的大力推进，国内研究人员针对装配式钢结构住宅中的结构体系进行了许多研究和创新，但仍存在现场施工复杂、工厂制作程度低、设计多样化等不足，难以满足现代装配式建筑的工厂生产化、设计标准化以及施工装配化等要求，难以发挥钢结构快速装配的优势。

2）装配式钢结构住宅围护体系发展滞后

从我国当前的装配式钢结构建筑体系的发展和应用来看，较多的研究人员更多地集中在住宅结构体系的发展和研究上，忽略了钢结构住宅体系中围护结构存在的问题。装配式钢结构住宅体系要真正实现产业化，其围护体系也必须满足高度集成化和工业化。但是很多装配式钢结构住宅项目依然采用粗放式、现场湿作业较多的围护体系，与市场上的装配式钢结构住宅体系难以配套，严重制约了装配式钢结构住宅的推广和应用。

针对上述我国装配式钢结构住宅体系存在的两个主要问题，东南大学、浙江东南网架股份有限公司、北京津西赛博思建筑设计有限公司以及天津大学等高校和企业基于已有的钢结构建筑体系进行研究和拓展，提出一系列新型钢框架结构建筑体系，并开展了系统的研究和工程应用。

1 多腔柱钢框架-支撑体系建筑

1.1 多腔柱钢框架-支撑体系的组成

对于多腔柱钢框架-支撑体系体系，其结构部分主要由多腔柱、上环下隔式梁柱节点以及支撑等组成；围护结构主要由预制混凝土墙体大板以及钢筋桁架混凝土叠合楼板等组成^[3]。

多腔柱是基于标准化的理念提出的一种新型截面承重构件，其截面选取冷弯方钢管作为核心腔体与冷成型C形钢连接，形成L形、T形以及十字形等截面形式（图1），截面宽度与墙体厚度保持一致，既能满足承载力要求，又能很好地避免梁柱外露影响建筑空间布置，提高空间使用率。此外，冷弯方钢管以及C形钢为成品构件，因此，多腔柱还具有加工方便、容易标准化生产和设计等一系列特点。

图1 多腔柱截面形式

Fig.1 Cross section forms of multi-box column

结合当前应用比较广泛的外环板和贯穿隔板梁柱节点的优点，提出一种新型上环下隔式梁柱节点。该节点上部采用外环板与梁上翼缘连接，下部通过柱贯穿隔板与梁下翼缘连接，其中隔板上焊有衬管用来保证现场上段柱准确定位以及柱对接焊接时起到熔透焊时垫板的作用；然后，上段柱与贯穿隔板在现场进行焊接完成柱拼接；最后，梁上、下翼缘分别与上环板和贯穿隔板在现场通过对接焊缝连接，腹板通过高强螺栓与柱壁剪切板连接，新型节点拼装完成。该类节点上部采用外环板，既方便加工又可以减少柱构件隔断；下部采用贯穿隔板可以方便柱构件的拼接；后期又不凸出柱截面，保证建筑空间的完整性。除此之外，从此类节点装配过程可以看出，其还具有安全可靠、可工厂制作、施工方便、标准化程度高等优点。该构造形式适用于多腔柱钢框架-支撑体系中所有柱截面形式，其具体构造和装配流程如图2所示（以上环下隔式T形束柱梁柱节点为例）。

图2 上环下隔式梁柱节点构造

Fig.2 Configuration of top-ring bottom-through-diaphragm joint between column and beam

1.2 多腔柱钢框架-支撑体系的研究

针对多腔柱钢框架-支撑体系的抗震性能和设计理论等关键问题，东南大学对该体系中上述问题开展了试验和理论研究^[4]。采用试验（图3）、理论与有限元分析相结合的方式对新型梁柱节点的抗震性能进行研究，结果表明该类节点具有良好的抗震性能，能够满足我国《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ 99—2015）^[5]的要求。

图3 试验装置

Fig.3 Test setup

通过对带混凝土大板的两栋装配式钢结构体系的动力特性现场实测（图4）等研究混凝土大板对结构动力特性的影响。为该体系的设计应用提供更好的理论支撑。

图4 动力特性现场实测

Fig.4 Site measurement of dynamic characteristics

此外，多腔柱钢框架-支撑体系还针对当前预制混凝土墙体大板在装配式钢结构应用中连接复杂问题，分别提出了预制混凝土墙体大板与主体结构的外挂和内嵌连接两种连接节点，具有制作方便、标准化程度高以及便于隐藏等优点，可广泛应用于该类墙体的安装和连接。两类连接节点的具体构造分别如图5和图6所示。

图5 新型外挂墙板连接节点

Fig.5 New type out-hung wall connection

图6 新型内嵌墙板连接节点

Fig.6 New type in-fill wall connection

1.3 多腔柱钢框架-支撑体系工程应用

多腔柱钢框架-支撑体系目前已在江苏新蓝天钢结构有限公司、徐州飞虹网架建设有限公司、徐州丰县幼儿园项目以及公租房等多个项目中开展应用，如图7所示。

图7 多腔柱钢框架-支撑体系工程应用

Fig.7 Application of assembled multi-box column steel frame-braced structures

通过示范工程应用，表明该类体系具有很好的适用性，容易实现标准化生产和设计，大大提高了现场装配程度，具有良好的应用前景。