基于預(yù)制輕骨料型鋼混凝土柱的裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系研究

趙巍平，張曉彬，沈 鋒，溫 欣

（1.唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063299；2.河北銘嘉工程設(shè)計(jì)有限公司，河北 唐山 063000）

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)進(jìn)入快速發(fā)展階段，引起電力需求量的迅速增長。傳統(tǒng)變電站結(jié)構(gòu)幾乎全部采用現(xiàn)澆混凝土，然而隨著我國經(jīng)濟(jì)由粗放型向精細(xì)型的轉(zhuǎn)換，節(jié)約型土地、高質(zhì)量型工程、安全文明施工的意識(shí)日益加強(qiáng)，傳統(tǒng)模式不能滿足資源節(jié)約型與環(huán)境友好型的社會(huì)發(fā)展要求[1-2]。

國家電網(wǎng)近年來大力發(fā)展智能變電站，智能變電站土建核心是裝配式。變電站結(jié)構(gòu)型式較為固定，對(duì)結(jié)構(gòu)型式要求較低、工期較短、居民敏感度較高，與裝配式建筑標(biāo)準(zhǔn)化、工期短、對(duì)周邊影響較小等優(yōu)點(diǎn)相匹配。隨著政府對(duì)裝配式建筑的大力推廣，裝配式變電站的發(fā)展也勢必進(jìn)入一個(gè)全新階段[3]。

1 預(yù)制輕骨料型鋼混凝土的應(yīng)用研究

1.1 輕骨料混凝土應(yīng)用

美國首次以頁巖陶粒為骨料制作輕骨料混凝土，其強(qiáng)度滿足工程要求，并大量在橋梁和船舶制造等工程上應(yīng)用。

挪威在輕骨料混凝土方面的應(yīng)用處于歐洲領(lǐng)先地位，其主要應(yīng)用在橋梁方向，其中跨度最長的橋是Stolma橋和Raftsundet橋。德國威士巴登·斯切斯坦港口的懸臂式輕骨料混凝土結(jié)構(gòu)是世界上第一座人行橋。日本雖然在輕骨料方面的研究起步較晚，但在工業(yè)建筑、民用建筑、道路和海洋工程等方面應(yīng)用廣泛。

我國建國初期缺少輕骨料生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)，其抗壓強(qiáng)度低，不能滿足建筑的要求，只能在非承重結(jié)構(gòu)上應(yīng)用。20世紀(jì)90年代后，我國輕骨料混凝土研究迅速發(fā)展，高強(qiáng)度輕骨料混凝土廣泛應(yīng)用于橋梁等工程[4-5]。

1.2 型鋼混凝土的應(yīng)用

日本是最早開始應(yīng)用型鋼混凝土的國家，其設(shè)計(jì)建造了世界第一座主體為型鋼混凝土的建筑結(jié)構(gòu)（東京海上大樓）。歐美國家起初使用目的主要是為了保護(hù)型鋼，防止型鋼暴露在空氣中發(fā)生損壞。隨后美國建造了第一棟主體為型鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的國際大廈。我國型鋼混凝土在高層或超高層建筑上的應(yīng)用雖起步較晚，但發(fā)展迅速。

1.3 預(yù)制輕骨料型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

國內(nèi)在輕骨料型鋼混凝土方面的研究比較成熟，雖然形成了一些輕骨料型鋼混凝土相關(guān)的規(guī)范，但還未形成完整體系的規(guī)范，給工程技術(shù)人員帶來了極大的困難。

輕骨料型鋼混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合了型鋼混凝土與輕骨料混凝土的優(yōu)點(diǎn)，為其發(fā)展應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，它是一種新型結(jié)構(gòu)型式。由于抗震性好、承載力高、自重小、保溫隔熱性好、經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢，使其具有廣闊的發(fā)展前景[6]。

1.4 輕骨料型鋼混凝土柱理論研究

1.4.1 軸心受壓性能

輕骨料型鋼混凝土柱上施加軸心壓力，隨著軸心壓力施加，混凝土端部開始出現(xiàn)微小縱向裂縫，同時(shí)型鋼與鋼筋也達(dá)到屈服，隨著軸心壓力進(jìn)一步施加，軸向變形開始進(jìn)一步加大，縱向裂縫迅速發(fā)展，混凝土達(dá)到極限承載力，此時(shí)混凝土喪失承載能力?；炷脸霈F(xiàn)鼓脹和剝離現(xiàn)象時(shí)，型鋼還未出現(xiàn)局部屈曲，由此得出混凝土與型鋼的本構(gòu)模型大體上保持協(xié)調(diào)一致。

1.4.2 偏心受壓性能

經(jīng)過大量試驗(yàn)證明，型鋼混凝土柱的偏心受壓破壞與普通鋼筋混凝土柱基本相同，主要表現(xiàn)為大偏心和小偏心受壓。

與普通鋼筋混凝土柱不同，型鋼混凝土柱的破壞形態(tài)是保護(hù)層的劈裂更為明顯，這就使混凝土在喪失承載力時(shí)荷載下降很快，但由于核心區(qū)域的混凝土受到型鋼與箍筋的約束，此時(shí)型鋼混凝土仍具有一定的承載力。

1.4.3 抗震性能

型鋼混凝土柱的抗震性能大大優(yōu)于普通鋼筋混凝土柱。

1.4.4 受剪性能

型鋼混凝土柱斜截面主要有粘結(jié)破壞、彎剪破壞與斜壓破壞三種破壞形態(tài)[7]。

1.5 預(yù)制輕骨料型鋼混凝土性能優(yōu)勢分析

預(yù)制輕骨料型鋼混凝土柱同時(shí)具備型鋼抗拉強(qiáng)度高和混凝土抗壓強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，能夠共同發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢，使整體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較好的強(qiáng)度與延展性，并且在剛度與抗壓能力方面具有較好的表現(xiàn)，如圖1所示。

圖1 工廠完成的輕骨料型鋼混凝土的十字鋼骨柱

與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比較，其具有以下優(yōu)勢：整體工作、截面尺寸小、構(gòu)件延性好、施工工期短。與鋼結(jié)構(gòu)相比較，其具有以下優(yōu)勢：節(jié)約材料、耐火性好、綜合性能較好、兼作模板支架。

2 鋼筋桁架樓承板的應(yīng)用研究

鋼筋桁架樓承板在裝配式建筑領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其不僅剛度高、整體性好、防火性好、施工速度快、受力合理，還可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化、模塊化的快速建設(shè)模式，從而有效地提升樓板質(zhì)量、施工速度、降低成本，符合國家的發(fā)展要求，對(duì)推動(dòng)我國建筑行業(yè)建造模式改革起到積極影響[8]。

2.1 鋼筋桁架樓承板結(jié)構(gòu)構(gòu)成

鋼筋桁架樓承板作為裝配式結(jié)構(gòu)的重要組成部分，由支座橫筋和豎筋將上弦鋼筋、下弦鋼筋和腹桿鋼筋連接形成空間桁架，鍍鋅壓型鋼板與其焊接連接，在其上澆筑混凝土，形成鋼筋桁架樓承板，如圖2所示。

圖2 鋼筋桁架樓承板結(jié)構(gòu)示意圖

鋼筋桁架在施工階段保證了樓板剛度，在使用階段代替了樓板受力鋼筋，連接方式由綁扎連接轉(zhuǎn)變?yōu)楹附舆B接，可靠性大大提升，鋼筋桁架形成共同作用的空間結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整鋼筋直徑與桁架高度，從而滿足不同跨度和荷載需求，標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化、模塊化的建設(shè)模式可大大提升建筑精度和質(zhì)量。

鍍鋅鋼板在施工階段可作為樓板的模板，在使用階段不受力形成組合型樓板。

2.2 鋼筋桁架樓承板性能優(yōu)勢

鋼筋桁架樓承板具有以下優(yōu)勢：1）經(jīng)濟(jì)性。受力合理，充分利用材料性能，節(jié)約建筑材料。2）便捷性。有效地減少60%～70%的工作量，大大提升施工效率。3）安全性。良好的力學(xué)性能和抗裂性。4）可靠性。工廠機(jī)械化加工，精度高。

3 預(yù)制輕骨料型鋼混凝土柱的裝配式鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)研究

節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)桿件交匯與連接區(qū)域，是傳力的核心區(qū)域，是結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域。梁與柱通過節(jié)點(diǎn)傳遞荷載，處在彎、壓、剪復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)，受力復(fù)雜。因此研究節(jié)點(diǎn)的受力與破壞機(jī)理，明確節(jié)點(diǎn)的傳力顯得十分重要的，是保證結(jié)構(gòu)安全的前提[9]。

3.1 型鋼混凝土柱與鋼梁的連接

輕骨料型鋼混凝土梁柱連接采用預(yù)留短梁的拼接方式，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的完全干作業(yè)，盡量減少施焊，短梁采用完全螺栓連接，梁柱連接在工廠直接焊接連接，如圖3所示的裝配式鋼梁與輕骨料型鋼混凝土柱連接節(jié)點(diǎn)，然后梁與梁采用螺栓連接，該節(jié)點(diǎn)連接方式的優(yōu)點(diǎn)是便于實(shí)現(xiàn)工廠化預(yù)制，現(xiàn)場裝配化的特點(diǎn)，可大大加快施工進(jìn)度[10]，如圖4所示。

圖3 輕骨料型鋼混凝土柱與鋼梁節(jié)點(diǎn)

圖4 鋼梁與短梁的全螺栓連接節(jié)點(diǎn)

3.2 柱與基礎(chǔ)的連接

通過預(yù)埋鋼筋與直螺紋套筒將基礎(chǔ)與型鋼混凝土柱連接，使構(gòu)件具有較大的側(cè)向剛度與穩(wěn)定性。通過機(jī)械連接將型鋼混凝土柱與基礎(chǔ)制成狗骨式柱腳，有機(jī)地組成一個(gè)整體，如圖5所示[11]。

圖5 十字型輕骨料型鋼混凝土柱與樁承臺(tái)的連接

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的連接

3.3.1 鋼梁與墻板連接節(jié)點(diǎn)

鋼梁與水泥基擠塑空心板通過點(diǎn)焊連接固定U型卡件，卡件間距≤600 mm，并且每塊板的固定U型卡件數(shù)量≥2個(gè)。鋼梁與板之間全長放置PE棒，并用彈性嵌縫材料填充，如圖6所示。

圖6 鋼梁與墻板連接節(jié)點(diǎn)

3.3.2 型鋼混凝土柱與墻板連接節(jié)點(diǎn)

型鋼混凝土柱與水泥基擠塑空心板通過點(diǎn)焊連接固定U型卡件，最下面卡件距離地面≤600 mm，U型卡件間距≤1000 mm。型鋼混凝土柱與板之間全高放置PE棒，并用彈性嵌縫材料填充，如圖7所示。

圖7 型鋼混凝土柱與墻板連接節(jié)點(diǎn)

3.3.3 鋼筋桁架樓承板與墻板連接節(jié)點(diǎn)

鋼筋桁架樓承板與水泥基擠塑空心板通過螺栓連接方式固定U型卡件，每塊墻板固定U型卡件數(shù)量≥2個(gè)，如圖8所示。

圖8 鋼筋桁架樓承板與墻板連接節(jié)點(diǎn)

3.4 鋼筋桁架樓承板與主體結(jié)構(gòu)的連接

鋼筋桁架樓承板與鋼梁端部通過熔透點(diǎn)焊連接，中間通過栓釘連接與鋼梁穿透熔焊，通過專用夾緊鉗將樓承板咬合壓孔連接，端部通過電焊連接將邊模板與鋼筋桁架樓承板或鋼梁固定，如圖9所示。

圖9 支座連接圖

鋼筋桁架樓承板通過膨脹螺栓將角鋼固定在剪力墻上，如圖10所示。

圖10 樓板與剪力墻連接

4 基于預(yù)制輕骨料型鋼混凝土柱的裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系的市場應(yīng)用分析

從目前來看，我國裝配式建筑的市場仍處于萌芽階段，伴隨著國家與行業(yè)的發(fā)展目標(biāo)與政策方針相繼出臺(tái)，以及建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型升級(jí)的迫切需求，我國多個(gè)省市相繼出臺(tái)了相關(guān)建筑產(chǎn)業(yè)的扶持發(fā)展政策，加快了試點(diǎn)示范工程和產(chǎn)業(yè)化基地建設(shè)進(jìn)程。隨著技術(shù)和管理水平的提升，裝配式建筑必將擁有廣闊的市場與發(fā)展空間。

裝配式變電站在建設(shè)過程中，既能有效地降低資源消耗，減少占地與建筑面積，進(jìn)而降低成本，還能有效地提升工程收益，同時(shí)減少臨時(shí)用場與現(xiàn)場濕作業(yè)，從而保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

綜合研究分析，得出以下結(jié)論。

1）“預(yù)制輕骨料型鋼混凝土柱的裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系”新技術(shù)適用于變電站快速發(fā)展和建設(shè)要求；2）預(yù)制輕骨料型鋼混凝土柱的裝配式鋼結(jié)構(gòu)體系總體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的三性（功能性、安全性、經(jīng)濟(jì)性）和四化（標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化、裝配化、產(chǎn)業(yè)化），符合國家對(duì)發(fā)展裝配式建筑出臺(tái)的一系列政策與方針的規(guī)定；3）符合2021年《政府工作報(bào)告》明確強(qiáng)調(diào)“要積極推廣綠色建筑和建材，大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)和裝配式建筑”的規(guī)定；4）該技術(shù)具備在典型變電站進(jìn)行試點(diǎn)建設(shè)，進(jìn)而全國范圍內(nèi)進(jìn)行推廣；5）預(yù)制輕骨料型鋼混凝土柱的裝配式鋼結(jié)構(gòu)變電站能夠減少環(huán)境影響、縮短工期、節(jié)省造價(jià)、安全可靠，響應(yīng)國家對(duì)建筑產(chǎn)業(yè)化的總體要求。

5.2 建議

為建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)，保證地區(qū)的及時(shí)、可靠穩(wěn)定供電，電力建設(shè)、運(yùn)行管理企業(yè)面臨著極大的挑戰(zhàn)。裝配式結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用在我國方興未艾，尚有許多技術(shù)問題有待解決，當(dāng)前，應(yīng)該著重做好以下工作。

1）樓面與框架梁、柱的節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)問題、樓面承擔(dān)重荷載及振動(dòng)荷載能力的問題以及結(jié)構(gòu)抗震性能等問題，目前針對(duì)裝配式變電站的研究甚少，有待進(jìn)一步深入研究。2）加強(qiáng)技術(shù)管理人員的培養(yǎng)，注重對(duì)新技術(shù)、新材料的探索，貫徹好“兩型一化”的變電站建設(shè)思路。3）開展裝配式變電站施工技術(shù)的總結(jié)工作。按照各類規(guī)范要求落實(shí)此項(xiàng)工作。4）探索性工作第一，結(jié)合工程實(shí)際，根據(jù)國家政策和國家電網(wǎng)的相關(guān)政策思路，加大科技投入，逐步建立裝配式配送式變電站典型建設(shè)資料庫，開展裝配式變電站信息收集和統(tǒng)計(jì)分析，這將是一個(gè)長期的過程第二，裝配式設(shè)備、模塊化技術(shù)研究。