装配式钢结构建筑是以钢结构为主体, 与工业化楼板及内外预制墙系统集合而成的建筑体系, 其装配率高、施工快、自重轻、节能环保, 是最值得推广的装配式建筑之一。

本文提出的新型组合箱形钢板剪力墙结构, 巧妙利用了钢材与混凝土材料的各自优势, 降低了钢材用量, 且施工速度快, 与轻质自保温的ALC预制墙板结合使用, 可应用于大量工业建筑, 在高烈度区的高层、超高层住宅中取得更好的经济效益。

新型组合箱形钢板剪力墙结构———全装配隐梁式箱形通腔组合钢板剪力墙结构由亚字形组合钢管混凝土柱、无横向加劲板的通腔式组合箱形钢板剪力墙与可隐藏于墙内的组合型H形窄梁组成, 如图1所示。

亚字形组合钢管混凝土柱主要传递竖向荷载, 通过2个热轧H型钢拼接而成, 内设栓钉, 灌注高强度自密实混凝土。管内混凝土与钢管协同工作受力, 强度高的钢结构外框受混凝土支撑, 受压时不失稳, 钢柱内部的混凝土受外框钢材约束, 可使其抗压强度提高30%左右, 如图2所示。

通腔式组合箱形钢板剪力墙为结构的水平抗侧力构件, 由多个热轧H型钢或钢板焊接形成, 每个腔内均在腹板或翼缘上设置栓钉, 并且灌注高强混凝土, 墙体内不设置横向加劲板, 且各个空腔内竖板制作时形成串行通道, 整片剪力墙内混凝土可一次浇筑完成, 有效减少混凝土浇筑时间, 从而保证混凝土浇筑质量, 避免离析。当组合柱截面过大时可根据建筑空间要求用短肢墙体取代, 灵活布置墙体外形, 使结构使用空间不受限制, 如图3所示。

H形窄梁与钢筋桁架组合楼板通过栓钉共同工作, 传递楼面荷载, 钢梁与墙体同宽, 当梁与宽柱相连时, 通过局部加宽H钢梁翼缘板、局部加长柱侧封板的方式使梁内拉压应力传递给组合钢柱;当梁与窄墙连接时, 通过加高H钢梁腹板高度、局部加长墙侧壁封板的方式使梁内拉压应力传递给组合剪力墙, 如图4所示。

该新型组合箱形钢板剪力墙结构具有以下优点: (1) 采用钢与混凝土结合的组合式墙柱体系, 把2种材料的优势发挥到极致; (2) 施工过程无需支模、多个作业面互相独立无干扰施工、施工工期缩短; (3) 结构构件均在工厂完成、出厂检验完备, 隐蔽工程少, 结构在使用阶段仍可进行无破损质量检测, 结构质量易保证; (4) 空间优势明显, 住宅可实现户内无结构墙柱, 不同户型可方便转换。

轻质自保温ALC预制墙板是以粉煤灰 (或硅砂) 、水泥、石灰等为主要原料, 经过高压蒸汽养护而成的多气孔混凝土成型板材 (内含经过处理的钢筋增强) 。容重为混凝土的1/5, 导热系数可达0.11W/ (m·K) , 100mm厚板材耐火极限可达到4h, 150mm厚板材隔声效果可达45d B, 不但具备轻质高强、隔声隔热的性能, 而且防火耐久性能良好, 材料本身无放射性, 属于可调节“小气候”、改善人居环境、具备呼吸功能的绿色环保建材。配备适量钢筋的ALC板已在1 000多项国内外建筑工程中用作内外墙板、屋面板等使用。

装配式钢结构外墙不但需要满足常规的保温节能、抗风抗震性能, 而且要求外墙板具备高耐久性, 良好的防火、隔声、防渗漏性能, 由于钢结构变形大, 要求外围护墙体具备高变形适应特性的同时, 尽量轻量化。配筋ALC墙板不但具备装配式钢结构外墙独特性能需求, 而且性价比较高, 预制后现场可采用外挂式、内嵌式、半外挂式等集成方式, 与钢结构牢固连接、协同工作。

外挂式ALC墙板外墙表面平整, 且得房率高, 但03SG715-1《蒸压轻质加气混凝土板 (NALC) 构造图集》使用的外挂式节点中, 外墙内侧上顶边拉接节点设置在墙板与钢梁之间, 施工困难, 且楼承板需2次浇筑, 第2次封边浇筑仅靠牛皮纸作为边模板, 成型效果差, 容易导致连接件外露, 影响室内装修, 如图5所示。

对外挂墙板按图6方式进行改进, 不仅施工方便, 且墙板顶部拉接用角钢组合可预先设置在对应楼面钢梁下翼缘处并在工厂提前预制, 不但使ALC自保温墙板与钢结构主体框架实现预制全装配连接, 而且局部不存在热桥部位。图7所示为江苏沪宁装配式建筑工程有限公司研发大楼装配式钢结构工程, 采用了本文提出的箱形钢板剪力墙与ALC预制墙板集成方案, 墙板连接件与钢柱、钢梁全部在工厂一体化制作, 施工快捷且墙板连接节点的可靠性易于保证。

内嵌式ALC板底部与地梁 (或楼板) 连接, 顶部与钢梁连接 (见图8) , 多用于内墙安装, 若用于外墙, 主体结构不被ALC板包裹, 需对钢结构热桥做隔热处理, 适用于建筑外立面另做装饰层的情况。图9为宜兴经济开发区军民融合产业园展示中心装配式钢结构项目, 内外墙均采用内嵌式ALC板作为保温隔热墙体, 外侧采用铝合金幕墙板包裹封闭, 体现出美观大方的现代化造型。

半外挂式墙板施工, 墙板超出楼承板边缘50mm左右 (钢构件外边缘喷完防火涂料后与楼承板平齐) , 按此方案施工完毕后, 上下节点超出ALC板平面可控制在1cm之内, 可用室内抹灰工序将上下节点覆盖, 室外部分在钢梁与楼承板处用50mm厚ALC板封闭, 达到保温的同时, 又保证了外墙的整体效果 (见图10) 。如图11所示为宜兴市文教创业中心 (临溪点) 装配式钢结构项目中的教学楼、行政楼2个单体的外墙, 造型层次多变, 外墙板采用了半外挂式ALC墙板节点。

整体集成式外墙板减少了ALC墙板的拼缝数量, 提高了成品质量, 为提高装配化、推进绿色施工方面具有积极的意义。整体式墙板在墙板内侧预埋连接件, 外侧预先制作干挂材料龙骨, 可做1层3~4m宽 (受运输限制) 的楼高, 采用汽车式起重机进行安装, 直接与柱构件预埋节点进行连接, 完成后外侧干挂装饰面板, 做到全程无湿作业。图12为宜兴市文教创业中心 (临溪点) 装配式钢结构项目中, 风雨操场墙面设计采用的整体集成式ALC大板方案, 施工快捷且经济、美观。

以宜兴市文教创业中心 (临溪点) 项目为参考, 对新型组合箱形钢板剪力墙与ALC预制墙板集成建筑方案和传统现浇混凝土方案施工成本进行对比。2种建造方式的上部主体结构设计截面、主材用量及建造成本对比分别如表1~3所示。其中, 外挂式外墙方案的造价按幼儿园单体的合同价分析;内嵌式与半外挂外墙方案的造价按教学楼、行政楼2个单体的合同价平均值进行分析;整体集成式外墙方案的造价按风雨操场合同价统计。

通过分析可以得出以下结论:装配式钢结构形式墙体 (ALC板) 造价为197.82~283.44元/m², 占总造价的21.18%~26.11%;现浇混凝土框架结构所采用的传统砌体墙体造价为160.58~179.82元/m², 占总造价的23.32%~25.32%。墙体在二者总造价的比重都比较大, 装配式墙体根据选型不同, 占比浮动明显。另外装配式钢结构的防火防腐费用较高, 其造价为43.52~47.37元/m²。在不考虑集成装修情况下, 预制装配式钢结构造价比传统现浇混凝土框架结构高162.85~451.51元/m²。

全装配隐梁式箱形通腔组合钢板剪力墙结构的钢材用量小、施工效率高、抗震性能好, 与轻质自保温的ALC预制墙板结合使用, 在高烈度区的高层、超高层建筑中可取得良好的经济效益。

半外挂式ALC墙板可以在完美解决建筑外保温的前提下, 相对减少附件预埋工作量, 对施工预制精度有较大的包容空间, 容易达到成本质量目标。当外墙造型复杂、凹凸多变时可优先选用半外挂集成方式。整体集成式外墙具备外挂板得房率高的优点, 墙板的拼缝数量少、产品质量高, 当墙面较为常规、无复杂造型变化时, 选用大板方案, 施工快捷且经济美观。

在不考虑集成装修情况下, 与ALC预制板集成的装配式钢结构建筑造价比传统现浇混凝土框架结构高162.85~451.51元/m²。