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预制混凝土构件在钢结构项目中的应用,新西兰、日本及国内装配式建筑项目考察总结

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来源:预制建筑网;作者:李伟兴。 资料来源:天华建筑工业化技术中心  01 钢结构体系及发展状况 

来源:预制建筑网;作者:李伟兴。

资料来源:天华建筑工业化技术中心



 01 钢结构体系及发展状况 


  国内目前的政策背景


2018年12月24日,住建部工作会议。2019年1月发布《关于印发住房和城乡建设部建筑市场监管司2019年工作要点的通知》: “大力发展钢结构等装配式建筑,积极化解建筑材料、用工供需不平衡的矛盾,加快完善装配式建筑技术和标准体系。”


住建部先后在山东、湖南、河南、四川、江西、浙江、青海等地 开展钢结构装配式住宅建设试点 ,为期3年(2019年——2022年)。


2019年10月29日,《国家发展改革委关于印发〈绿色生活创建行动总体方案〉的通知》(发改环资〔2019〕1696号):“(五) 推广装配化建造方式。大力发展钢结构等装配式建筑,新建公共建筑原则上采用钢结构。 ” 


2020年8月28日,住建部等9部门联合印发《住房和城乡建设部等部门关于加快新型建筑工业化发展的若干意见》(建标规〔2020〕8号):“(十) 大力发展钢结构建筑。鼓励医院、学校等公共建筑优先采用钢结构,积极推进钢结构住宅和农房建设。完善钢结构建筑防火、防腐等性能与技术措施,加大热轧H型钢、耐候钢和耐火钢应用,推动钢结构建筑关键技术和相关产业全面发展。


  国外建筑结构体系的发展趋势——以新西兰为例


  • 由于新西兰的结构抗震设防措施较为有力,所以在2011年基督城大地震中倒塌的房屋很少


  • 大量建筑虽然没有倒塌,但严重破坏没有修复价值,导致整个基督城中央商务区(CBD)有70%的建筑必须拆除重建。基督城最高的51栋建筑,虽然无一倒塌,但是37栋在震后被迫拆除


  • 基督城地震充分体现出结构抗震“韧性”(Resilience) 的重要价值,震后可恢复性成为工程界研究焦点



  新西兰地震带来建筑结构体系的巨大变化


  • 地震之前,基督城CBD和阿丁顿(Addington)地区几乎所有建筑都采用钢筋混凝土(RC)框架或剪力墙作为它们的结构体系。但从2011年开始的基督城重建过程中,水平抗侧力体系采用钢结构、RC结构和木结构的建筑数量的 大致比例为10:10:1


  • 地震前随处可见的作为水平抗侧力体系的 RC抗弯框架 ,在重建的CBD中 基本上不再采用 ,重建的混凝土结构几乎全都是采用剪力墙结构体系


  • 虽然没有任何强制性规定要求在重建中使用更具韧性(Resilience)的结构体系,很多工程师仍会在设计建筑时使其在设计水准地震下的层间位移远小于规范中的最大限值,目的是为了 限制结构和非结构构件的震后损伤


  • 越来越多的人开始接受一个观念,即将防止生命损失作为 抗震性能目标 对于一个优秀的现代结构来说的确是不够的


资料来源:《重建克赖斯特彻奇:建筑结构体系抗震设计的转变》 Michel Bruneau,Greg MacRae 著,王伟、方成 译


  新西兰地震带来建筑结构体系的巨大变化


新西兰新建钢结构建筑按 使用频次最多的体系 依次为:防屈曲支撑(BRB)框架、传统抗弯框架(MRF)、带有梁端截面削弱(RBS犬骨式)的抗弯框架、带有可更换耗能梁段的偏心支撑框架(EBFs)、中心支撑框架(CBFS)、常规偏心支撑框架、摇摆钢框架体系等。


可更换耗能梁段的偏心支撑框架  犬骨式梁端截面抗弯钢框架 


防屈曲中心支撑(BRB)钢框架   常规偏心支撑框架


  新西兰结构体系的几个应用特点


  • 新西兰的装配式结构体系选型,往往是结构工程师基于 抗震性能优良+现场施工高效 的技术路线选择


  • 结构体系并不拘泥于单一的结构类型, 钢结构和钢-砼混合结构 是目前主流的结构形式,预制混凝土PC构件在钢结构项目中的应用很普遍


  • 抗震设计要求高, 消能减震技术的应用很普遍, 建筑设计师对支撑的接受度很高,建筑中支撑的存在能给用户带来安全感


  • 装饰围护一体化的 PC外挂墙板 广泛应用于各种类型的建筑中,且基本都采用点连接做法


  • 公共建筑的 楼面构件类型有较多选择 (组合楼板、叠合楼板、双T板、预应力空心板、免模现浇板等),楼板与竖向构件的连接是抗震设计的重要内容


  PC构件在钢结构中的应用范围


外围护墙板

砌块墙板、ALC(或AAC)条板、预制混凝土集成挂板、ECP装饰挂板、幕墙+龙骨系统、岩棉夹心彩钢板、钢丝网水泥夹芯板等


楼板

压型钢板现浇板、钢筋桁架楼承板、钢筋桁架铝模(可拆卸)现浇板、钢筋桁架竹胶板(可拆卸)现浇板、ALC配筋条板、钢筋桁架叠合板、预应力钢管桁架叠合板(PK3)、预应力空心板、预制双T板、预制带肋底板叠合板等 


内隔墙板

砌块墙板、ALC(或AAC)条板、陶粒混凝土条板、 轻钢龙骨+防火石膏板、轻质纤维水泥板灌浆墙板、铝(纸)蜂窝轻质复合墙板等



 02 钢砼混合结构应用案例 


  2.1 高层办公建筑项目案例



项目地点: 日本,东京

项目概况: 建筑地上14层,采用 预制柱钢梁框架-现浇核心筒混合结构 ,首层预制柱底采用隔震装置


隔震装置的平立面布置情况


隔震支座设计参数及构造


预制面砖反打框架柱


钢结构梁板+现浇核心筒


外围弧形预制框架梁(莲藕梁)


现浇核心筒内部钢楼梯


预制柱的钢筋套筒灌浆连接


预制梁的钢筋套筒灌浆连接


外围弧形预制莲藕梁


变截面钢梁与外框梁的连接


钢筋桁架楼承板安装现场


  2.2 多层酒店建筑项目案例


项目地点: 新西兰皇后镇( Queenstown )

项目概况: 建筑地上8层,采用钢框架-预制混凝土墙板混合结构,局部核心筒采用现浇



  • 项目楼板采用预制叠合板(无桁架钢筋),预制墙板竖向纵筋采用浆锚搭接连接

  • 钢框架梁贯通、柱分层,钢柱设端板与钢梁上下翼缘采用螺栓连接,钢框架部分仅承担竖向荷载



预制墙底留15mm接缝,采用满铺坐浆+逐孔灌浆法: 先在墙底满铺35MPa砂浆,墙板安装就位后再逐孔开始灌浆,下部为注浆孔,上部为出浆孔



预制墙顶预留外伸钢筋分为三类:

第一类为墙端抗弯纵筋;

第二类为墙身抗剪纵筋;

第三类为板墙连接钢筋。待叠合板安装就位后,板墙连接钢筋(第三类纵筋)弯折90度锚入叠合现浇层



钢梁底和叠合板底采用盘扣式临时支架+方木支托,楼板密拼布置,拼缝两侧板边缘设下倒圆角。



  2.3 小高层办公建筑项目案例


项目地点: 立陶宛,维尔纽斯

项目概况: 建筑地上8层,采用 预制柱钢梁框架-预制混凝土核心筒结构 ,楼板为预应力空心板。框架部分采用芬兰佩克的?钢砼组合梁-PC柱形成的混合框架体系


墙板竖向纵筋浆锚搭接


墙板转角焊接钢板连接  浆锚搭接连接节点


  2.4 PEC组合钢结构住宅项目




项目地点: 浙江嘉兴,海盐

项目概况: 建筑地上16层,标准层层高3m,建筑高度48m,采用预制PEC框架-PEC钢板剪力墙结构

(PEC)组合结构: 开口截面主钢件外周轮廓间包覆混凝土,且混凝土与主钢件共同受力的预制组合结构构件



  2.5 PC柱-钢梁框架办公楼项目?


项目地点: 浙江,湖州

项目概况: 建筑地上8层,层高3.6m,总建筑高度28.8m。采用 预制混凝土柱-钢梁混合框架结构




 03 预制砼外围护应用案例 


  3.1 低层别墅建筑项目


项目地点: 江苏,太仓

结构形式: 日本积水自有的 “β系统结构体系” ,即梁贯通、柱分层、全螺栓连接,PC外围护墙板采用用工厂预制生产的、兼顾强度和美观的新一代复合墙板,即运用 “高压真空挤压方式”将混凝土挤压成型的ECP外挂墙板



项目建成后效果——立面



  3.2 多层工业园区厂房项目


项目地点: 广西,柳州

建筑用途: 钢结构工业厂房, 单栋建筑面积约9000m2,地上三层。柱网为8.0m×12.6m,各层高度分别为9.0m、6.2m和6.2m。外围护墙采用面砖反打的夹心保温外挂墙板



预制夹心保温外挂墙板



连接节点设计

  • 连接节点采用下承重式:平移+转动

  • 外挂板与主体结构采用干法点连接

  • 外挂板内侧设置承重埋件、平面限位埋件,与主体结构预留钢牛腿相连



  3.3 多层钢结构停车楼项目


项目地点: 基督城( Christchurch )

结构形式:钢框架-中心支撑结构 ,压型钢板现浇楼盖+PC外挂墙板+PC楼梯


PC外挂墙板下支点


PC外挂墙板上支点   PC外挂墙板底部承重支点


  3.4 高层办公楼项目案例


项目地点: 日本,东京,新日铁大楼

结构形式: 钢结构框架-现浇核心筒结构,外围护墙采用PC石材反打墙板和玻璃幕墙组合,背立面采用ECP外挂墙板



项目地点: 日本,东京



  3.5 高层住宅项目案例


项目地点: 上海,浦东新区

结构形式: 钢框架-支撑结构 ,外围护墙板采用预制夹心保温外挂墙板。地上14层,建筑高度43.6m




 04 预制混凝土板应用案 


  4.1 多层酒店建筑项目案例


项目地点: 新西兰,皇后镇

  • 单向叠合楼板跨度大约7.2m左右(可能施加了预应力),没有配置抗剪桁架钢筋,板面拉毛处理

  • 板两端搁置于H形梁侧角钢支托或预制墙顶,钢梁腹板穿孔放置支座负筋,现浇完成面与钢梁面齐平



  4.2 高层办公楼项目案例


项目地点: 新西兰,基督城( Christchurch )

结构形式: 钢框架-混凝土核心筒结构 ,楼面采用预制双T板和密拼叠合板,顶层采用压型钢板现浇楼面



  4.3 多层物流仓储项目案例


项目地点: 北京,昌平区

项目概况: 建筑地上3层,采用 钢框架+预应力空心板结构



  4.4 小高层办公楼项目案例


项目地点: 浙江,湖州

项目概况: 建筑地上8层,采用 预制混凝土柱-钢梁混合框架结构 ,楼板采用预应力钢管桁架叠合板(PK3)



  4.5 多层幼儿园建筑项目


项目地点: 广东,深圳

项目概况: 建筑地上3层,采用 钢框架结构 ,外围护为PC外挂墙板,楼板采用预应力倒双T叠合板



现场密拼安装和防裂处理



  4.6 低层别墅建筑项目案例


项目地点: 江苏,太仓

项目概况: 建筑地上3层,采用日本积水 “β系统钢结构体系”  ,楼板采用配筋ALC条板+板底交叉支撑


  • 楼板采用150mm厚预制ALC板简支于钢梁上,并于板间密缝拼接,端部通过M10螺杆与钢梁做限位构造连接

  • 在卫生间降板处,ALC楼板搭接于梁下翼缘上的构造角钢上

  • 每跨梁间板底都设置对角拉杆支撑,以保证楼盖平面内的整体性,防止地震时楼板脱落



  • 楼板采用150mm厚预制ALC板简支于钢梁上,并于板间密缝拼接,端部通过M10螺杆与钢梁做限位构造连接

  • 在卫生间降板处,ALC楼板搭接于梁下翼缘上的构造角钢上

  • 每跨梁间板底都设置对角拉杆支撑,以保证楼盖平面内的整体性,防止地震时楼板脱落




  4.7 高层住宅建筑项目案例


项目地点: 上海,浦东新区

结构形式:钢框架-支撑结构, 地上14层,建筑高度43.6m。楼板采用钢筋桁架叠合板,设后浇连接段



  4.8 多层钢结构停车楼项目案例


项目地点: 辽宁,沈阳

结构形式: 丰田4S店立体停车楼, 多层钢框架结构 ,楼板采用18m跨的预制双T板



  4.9 钢结构中预制楼梯应用案例




 结论与展望 


  • 钢-砼混合结构或组合结构(或构件),将逐渐发展为未来装配式结构的主要结构类型

  • 钢结构与预制混凝土结构不是互相排斥的关系,而是优势互补的关系。如何将二者的优势充分发挥,结构工程师未来大有用武之地

  • 装饰保温围护一体化的预制墙板、预制楼板、预制楼梯,未来在钢结构(或混合结构)项目中的市场应用前景可期

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