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。

2 多腔体框架-钢板组合剪力墙体系建筑

2.1 多腔体框架-钢板组合剪力墙体系组成

浙江东南网架股份有限公司研发团队以产业政策为契机，以居住类建筑市场为导向，明确了以新型装配式钢结构建筑（特别是居住类建筑）为研发方向。经系统归纳、深入研究和反复讨论，创新提出了一种更适合的居住类装配式钢结构建筑结构体系——多腔体框架-钢板组合剪力墙体系。该体系是由多腔体钢板组合剪力墙、H形钢梁、钢筋桁架混凝土楼板组装而成的高层装配式钢结构体系。多腔体钢板组合剪力墙作为结构体系的主要抗竖向力和抗侧向力构件，是由外侧双钢板、内部平面钢筋桁架和矩形钢管组装而成的具有多个相互连通腔体的钢结构构件（图8），内部浇筑混凝土，形成一种以一字形、L形、T形、Z字形为主要构造形式的组合构件（图9）。

图8 多腔体钢板组合剪力墙三维模型

Fig.8 3D models of multi-box steel-plate composite shear walls

图9 多腔体钢板组合剪力墙截面形式

Fig.9 Cross section forms of multi-box steel-plate composite shear walls

2.2 多腔体框架-钢板组合剪力墙体系研究

为了深入研究多腔体钢板组合剪力墙结构体系的性能，浙江东南网架股份有限公司联合东南大学研究团队，成立联合课题组，通过大量的1∶1足尺模型试验研究、数值模拟、理论分析以及工程试设计，对多腔体钢板组合剪力墙进行了全面系统的研究，包括对多腔体钢板组合剪力墙的稳定性能、多腔体钢板组合剪力墙的抗震性能、多腔体钢板组合剪力墙梁节点抗震性能以及多腔体钢板组合剪力墙抗火性能等的研究。通过上述一系列研究，得到多腔体钢板组合剪力墙的稳定承载力计算方法、抗震性能、耐火极限等一系列关键成果，为多腔体框架-钢板组合剪力墙体系的应用和推广提供理论依据和支撑^[6-7]。如图10所示。

图10 多腔体钢板组合剪力墙试验

Fig.10 Test of multi-box steel-plate composite shear walls

2.3 多腔体框架-钢板组合剪力墙体系工程应用

多腔体框架-钢板组合剪力墙体系已在浙江省杭州市钱塘区装配式钢结构绿色建筑基地宿舍楼项目中得到应用（图11）。通过该项目的应用，还建立起多腔体钢板组合剪力墙的自动化生产线，在推广和应用该体系的同时，提高了生产和制作技术水平（图12）。

图11 现场构件安装过程

Fig.11 Site component installation process

图12 自动化生产线加工过程

Fig.12 Automatic production line manufacture process

3 新型框架-核心筒体系建筑

北京津西赛博思建筑设计有限公司从钢结构建筑的设计、抗震性能以及围护结构体系出发，提出一种新型框架-核心筒体系建筑（图13）。

图13 新型框架-核心筒体系

Fig.13 New frame-core tube system

新型框架-核心筒体系采用热轧 H 形钢对扣承插拼接新型十字形钢柱构件（图14），该类构件具有两个特点：一是提高了热轧型钢在建筑工程中的应用比例；二是大幅度降低了钢结构构件的制作与安装成本。针对当前梁柱节点存在的连接困难、装配效率低等问题，开发出新型楔形刚性连接节点（图15），具有施工方便、抗震性能优良，可以大幅度加快施工速度。对于围护体系，研发出适用于装配式钢结构建筑的装配式组合空腔楼盖体系（图16），不但解决了传统楼盖二次现浇问题，同时解决了钢结构梁防火长效性问题，实现了楼盖体系的完全装配化。

图14 新型十字形钢柱构件

Fig.14 New cross-shaped steel column members

图15 新型楔形刚性连接节点

Fig.15 New wedge-shaped rigid joints

图16 装配式组合空腔楼盖体系

Fig.16 Assembled composite cavity floor slab system

4 钢管混凝土组合异形柱框架结构体系建筑

4.1 钢管混凝土组合异形柱框架结构体系组成

天津大学将异形柱与钢管混凝土柱的优势相结合，提出钢管混凝土异形柱体系。这种结构体系不仅具有钢管混凝土柱承载力高、抗震性能优异、延性好和抗火性能好的优点，还具有异形柱截面形式多变、结构布置简便和易隐藏于墙体内等特点。将住宅结构中的钢管混凝土（concrete-filled steel tube，CFST）柱构件设计为L形、T形或十字形等异形截面（图17），可以分别作为结构的角柱、边柱和中柱，不仅能将结构柱隐藏于墙内，避免了传统方、矩形钢管混凝土的“凸梁露柱”的问题，而且可以节省室内空间，有利于家具的摆放^[8]。

图17 钢管混凝土组合异形柱截面

Fig.17 Sections of CFST composite special-shaped column

4.2 钢管混凝土组合异形柱框架结构体系研究

天津大学已经对钢管混凝土组合异形柱框架结构开展了一系列深入研究，包括对CFST柱的轴压、压弯与拟静力性能（图18）的研究；对高层钢管混凝土组合异形柱框架-双钢板组合剪力墙抗震性能（图19）的研究；对方钢管混凝土组合异形柱框架-偏心支撑结构力学性能（图20）的研究；对墩头锚固预制楼板及连接件力学性能（图21）以及装配式复合墙板抗风及抗震性能（图22）的研究。通过上述一系列研究，为该体系的工程应用提供了强有力的理论支撑和依据^[9-10]。

图18 CFST柱的稳定性能研究

Fig.18 Study on stability of CFST columns

图19 钢管混凝土组合异形柱框架-双钢板组合剪力墙抗震性能研究

Fig.19 Study on seismic behavior of CFST composite special-shaped column frame-double steel plate composite shear wall

图20 方钢管混凝土组合异形柱框架-偏心支撑结构试验研究

Fig.20 Experimental study on CFST composite special-shaped column frame-eccentric bracing structure

图21 墩头锚固预制楼板及连接件力学性能研究

Fig.21 Study on mechanical properties of prefabricated slab with anchored pier head

图22 装配式复合墙板抗风及抗震性能试验研究

Fig.22 Experimental study on wind resistance and seismic behavior of assembled composite wall panel

4.3 钢管混凝土组合异形柱框架结构体系工程应用

钢管混凝土组合异形柱框架结构体系已在我国多个项目中得到广泛应用，包括汶川映秀渔子溪村重建项目、北京庄子营别墅项目以及沧州市公共租赁住房项目、天津市联合研究院示范楼项目等，这些项目的推广为该体系的进一步应用打下了坚实的基础，如图23所示。

图23 钢管混凝土组合异形柱结构工程应用

Fig.23 Application of CFST composite special-shaped column structure

5 结论与展望

基于“十三五”国家重点研发计划课题“新型框架钢结构体系建筑产业化技术与示范”，针对当前我国装配式钢结构建筑中存在的问题和不足，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研究并提出多腔柱钢框架-支撑、多腔体框架-钢板组合剪力墙、新型框架-核心筒以及钢管混凝土组合异形柱框架结构等体系建筑，并对新体系建筑中的关键技术展开了深入研究，提高了我国装配式钢结构建筑的技术和应用水平，有利地促进了我国建筑工业化的发展。