［摘要］以一幢3层预制全装配式结构房屋为切入点，对其主体结构、围护体系和连接节点等关键点进行了设计分析。该项目主体采用钢框架-支撑体系，墙板采用内嵌钢柱外墙板，工程中除楼板叠合层外，梁、柱、外墙、楼梯等部件全部在工厂预制完成，预制率高达95%以上，现场无需搭设脚手架，施工工期短，为装配式结构住宅体系的工程应用提供了有效的参考范例。
［关键词］钢框架-支撑体系;内嵌钢柱外墙板;预制全装配式结构;住宅产业化
引言
住宅产业化通过工业化的生产方式，提高了住宅产业的劳动生产率，降低了工程成本［1-2］。目前常见的预制装配式主体结构多为钢框架-现浇混凝土剪力墙结构、钢框架结构，围护体系常采用加气混凝土砖、太空板、轻钢龙骨加强板等［1，3］。以上结构体系的施工周期虽较传统混凝土结构有所缩短，但现场所需脚手架及人工较多，机械化程度低。本文提出的分层装配式钢框架-支撑房屋，除楼板叠合层外，预制率高达95%以上，无需现场搭接脚手架。采用吊车装配作业，减少了所需人工，外挂墙板拆分预制，模板统一，实现了工厂设计的标准化、模块化和机械化，减少了现场施工造成的环境污染，缩短了施工工期。
1工程概况
该工程是一座3层装配式钢框架-支撑民居。房屋东西向长度为13.2m，南北向长度为10.5m，建筑面积为385.4m2，建筑总高度为10.56m，层高为2.85m。建筑设计年限为50年，耐火等级为二级，抗震设防烈度为7度，地面粗糙度为B类。工程建筑平面及立面如图1，2所示。
2主体结构设计
主体结构为分层装配式钢框架-支撑体系，主要由框架结构承担竖向力，柱间交叉柔性支撑抵抗水平力，梁、柱结构平、立面布置如图3，4所示。基础采用预制钢筋混凝土独立基础，框架柱采用方钢管柱，钢梁采用焊接H型钢，材料均为Q235B。框架结构梁贯通，柱分层，即在梁柱节点处保持梁通长、柱分层，通过端板螺栓实现梁与柱、梁与梁以及柱与基础的全螺栓连接［4］。外墙采用内嵌钢柱及支撑的预制陶粒混凝土复合墙板，墙板厚度为210mm;楼板与屋面板采用波纹钢腹板预应力混凝土叠合板;楼梯采用预制楼梯。采用ETABS软件对主体框架结构进行分析，节点连接形式按最不利情况假定，采用铰接形式，以此确定柔性支撑最大受力，实际工程仍采用半刚性连接。基本风压取0.45kN/m2;楼面恒载取4.5kN/m2;活荷载:卫生间取2.5kN/m2，厨房取2.0kN/m2，阳台取2.5kN/m2;地震加速度为0.10g。经验算，在风荷载与设防地震作用下，结构的最大层间位移角为1/862，满足规范限值1/500的要求;在多遇地震作用下，结构的最大层间位移角为1/564，满足规范限值1/250的要求;各荷载工况组合下，方钢管柱的轴力最大值为292.4kN，小于其轴心受压承载力343kN，应力比为0.852，梁最大压弯比为0.594，梁柱强度及稳定性均符合要求。在荷载组合下，最大层间剪力X向为150.72kN，Y向为179.75kN，小于水平支撑提供的X向承载力230.02kN及Y向承载力400.36kN，X向应力比为0.655，Y向应力比为0.574，均满足设计要求。
3墙板设计
3.1墙板结构
工程采用210mm厚三明治陶粒混凝土复合墙板，内外两侧为50mm厚LC30陶粒混凝土面板，中间为110mm厚聚苯乙烯泡沫板(EPS板)层。两侧混凝土层配有钢筋网片，由斜钢筋贯穿泡沫板层焊接形成空间桁架，使内外叶墙板协同受力，为完全组合墙板，如图5所示。陶粒混凝土密度小，重量轻，相较传统混凝土墙板，该墙板自重减轻了30%，其强度与重度的比值约为普通混凝土墙板的1.14倍;陶粒混凝土导热系数一般为0.2～0.7W/(m•K)，仅为普通混凝土的0.5倍，增强了墙板的保温性能，减少了热损，耐火时间为普通混凝土墙板的1.5倍，节能效果达65%以上。部分墙板保温层内嵌有钢柱，钢柱与混凝土层间填充有5mm厚柔性材料，保证了钢柱在受力后不会将力传递给墙板，并允许钢柱与墙板之间发生一定的面内及面外位移。此外，部分柱间由柔性抗拉支撑连接，承载水平荷载。如图6所示，支撑内嵌于墙板保温层内，墙板内侧支撑张紧装置所在部位预留椭圆形孔洞。如图7所示，支撑一端设有套筒螺栓作为张紧装置，可以通过调节套筒螺栓确保支撑的承载力和延性，两端均通过承压型高强螺栓与柱上的耳板连接。在安装前，支撑保持松弛状态;待钢柱安装就位后，通过调节套筒螺栓使支撑张紧，并在相应位置填充保温防水材料后用水泥砂浆抹面。钢柱及支撑内嵌的形式避免了钢柱及支撑外露，能有效地防火隔热，降低冷热桥。该内嵌结构减少了支撑占用的空间，提高了钢框架-支撑体系的空间利用率，美观程度高，装修方便。该复合墙板整体性好，安装方便，形式美观，具有良好的抗拉压、抗剪、抗冲击性能，是一种具有良好保温隔热效果的墙体［5-6.
3.2外墙板与钢梁连接节点设计
复合墙板与钢梁的连接如图8所示，该节点采用倒L形连接件连接，倒L形连接件的一边与钢梁的翼缘采用焊接连接，另一边与预制装配式复合墙板通过预埋的内丝套筒螺栓连接。倒L形连接件与墙板连接处预留椭圆形螺栓孔，在容许一定安装误差的同时，可使墙板发生一定的平面内位移，减轻了框架层间位移对墙板的震害。此外，预制装配式复合墙板在连接部位预留凹槽，倒L形连接件与凹槽相贴合，外表面与墙板齐平，连接区外形更加平整，提高了外形美观度。该倒L形连接节点安装简单、精度高，施工方便，能承受较大的作用应力，同时提高了安装效率，减少了建筑耗材。
4楼板设计
该工程楼板采用波纹钢腹板预应力混凝土叠合板，如图9所示。波纹钢具有平面外刚度大、抗屈曲承载能力高及抗剪能力强等优点，以波纹钢为腹板，替代传统PK板中带孔T形肋，有效提高了该叠合板承载能力。该预应力混凝土叠合板开裂荷载大于6kN/m2，极限承载力为8～18kN/m2，跨中挠度为7.75mm，与相同板跨的钢丝桁架楼板相比，其承载力提高了3.3倍。制备该叠合板所需模具简单，材耗小，相较钢筋桁架楼承板，其支撑跨度提高至4.2m，是钢筋桁架楼承板的2.3倍，减少了材耗;相较传统PK板，其模具损耗减少约90%，人工成本降低约80%，共节约成本约10%。此外，波纹钢腹板预应力混凝土叠合板可根据线缆布置情况，现场在钢腹板开孔或工厂预制开孔，而底板与钢腹板一次浇筑成型，没有施工缝，预制板重量也更轻，解决了PK板T形肋与底板易剥离的问题。该波纹钢腹板预应力混凝土叠合板成品质量高，生产成本低，是普通预制混凝土叠合板的良好替代品之一［7］。
5经济分析
如表1，2所示，该工程结构总用钢量为13.455t，单位用钢量为37.75kg/m2，其中钢梁用钢量为7.655t，占总用钢量的57%，钢柱用钢量为5.274t，支撑用钢量为0.526t。相较于纯钢结构框架(柱截面250×250，梁截面H450×220×8×10)单位用钢量为55.8kg/m2，降低约32%;总混凝土用量为30.16m3。
6结论
(1)工程采用预制陶粒混凝土墙板、预制楼板、预制楼梯、钢梁钢柱，装配率高达95%以上。(2)采用钢框架-支撑体系，整体结构的延性好，连续梁抗弯刚度大，跨中挠曲变形小，梁贯通式全螺栓端板节点，构造简单，柱自重轻，便于安装。(3)相较于普通混凝土墙板，带内嵌钢柱的预制陶粒混凝土复合墙板自重减轻了30%，强度与重度的比值约为普通混凝土墙板的1.14倍，节能效果达65%以上。(4)在相同板跨时，相较于钢丝桁架楼板，波纹钢腹板预应力混凝土叠合板承载力提高了3.3倍。叠合板底板与钢腹板一次浇筑成型，没有施工缝，预制板重量更轻。
参考文献
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［7］侯和涛，马天翔，叶海登，等．波纹钢腹板预应力混凝土叠合板的抗弯性能试验研究［J］．建筑钢结构进展，2013.12，15(6):42-45.
作者：贾元蓉 程佑东 侯和涛 王伟 郭金城 彭礼 单位：山东大学土建与水利学院 同济大学建筑工程系 河南万道捷建股份有限公司 上海泰大建筑科技有限公司
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