地震多发地区装配式建筑研究

(成都大学 四川 成都 610000)

2008年5月12日，四川汶川发生8.0级地震，该地区大部分房屋为砖混或混凝土结构，自重大、整体性能差，受地震破坏非常大。为了迅速安置失去家园的幸存者，政府在震后搭建了大量临时活动板房。活动板房是一种以轻钢为骨架。这种标准化钢结构预制构件给了我们启示：我们是否可以将预制钢结构以产业化的模式推广到地震多发地区的永久性建筑，乃至更广阔的小城镇和农村地区呢？

适合低层住宅的体系有轻钢结构体系和冷弯薄壁型钢体系。我国绝大部分地区都有抗震设防的要求，特别是近两年来全国很多地区地震频发，因此探讨该结构体系在地震区应用及灾后重建均具有积极意义。本文通过一栋典型的三层联体别墅为例，建立有限元模型，通过轻钢结构与冷弯薄壁结构体系相对比来分析其整体抗震性能，再将钢结构全寿命周期工程造价与传统框架结构的工程造价进行了比较，得到的结果可供相关人员参考。

一、有限元模型

(一)钢框架

传统钢框架结构构件截面形式主要有H型、工字型、L型等，用SAP2000建立有限元模型，模型中的框架梁柱、屋架弦杆用杆单元模拟，楼面板、屋面板用薄壳单元(Shell-thin)模拟。

(二)冷弯薄壁型

冷弯薄壁型钢结构构件的截面形式有C型、U型、L型。用SAP2000建立有限元模型，模型中的墙体龙骨、楼盖梁、屋架弦杆用杆单元模拟，墙体覆面板、楼面板、屋面板用薄壳单元(Shell-thin)模拟，墙体龙骨与墙体覆面板间采用边束缚，不考虑单元之间滑移。

二、抗震性能分析

(一)模态分析

经过有限元模态分析，两种模型均获得了结构前15阶振型和自振周期。钢框架结构模型中对结构影响最大的前三阶周期为1.443s、1.097s、0.982s，振型分别对应y向平动、z向扭转、x向平动。冷弯薄壁型结构模型中对结构影响最大的前三阶周期为0.385s、0.333s、0.309s，振型分别对应y向平动、x向平动、z向扭转。综上述可知冷弯薄壁型结构整体抗震性能明显好于钢框架结构。

(二)楼层位移及层间位移分析

计算结构水平位移采用反应谱法，抗震设防烈度为7度，水平地震影响系数最大值αmax为0.08，场地类别二类，设计地震分组第三组，特征周期Tg为0.45s。冷弯薄壁型结构楼层位移显著小于钢框架结构，前者楼层层间位移也远小于后者且前者层间位移曲线更光滑即楼层层间位移突变幅度小于后者，因此冷弯薄壁型结构抗震性能优于钢框架结构。墙体覆面板的蒙皮效应提高了结构体系的整体抗震性能，由有限元模型分析知如果墙体覆面板采用力学性能比石膏板更好的OSB板效果将更好。

分析中可以看出，在主钢结构用量上，双跨双坡有中柱的方案，柱距为5.9m*5.5m的方案比较节省。参考目前市场价格，主钢结构8000元/吨(包括制作、运输、连接、除锈、刷漆等)，组合楼板200元/m2，围护部分综合单价240元/m2，基础150元/m2。该方案单方估价为895元/m2。

按传统工程造价的算法，冷弯薄壁型钢龙骨组合墙体结构造价比钢砼结构高出32%，但在建筑产品的使用过程中我们发现：由于柱截面减小较多，钢结构住宅同比砼框架大约能提高4%-8%的使用面积，同时钢梁比混凝土梁高小，节省了层高，为购房者带来的经济效益是非常可观的；钢结构另一大特点在于绿色环保可回收利用，普通住宅拆除时，我们往往要花钱进行爆破拆除并为如何处理建筑垃圾而烦恼，钢结构住宅寿终正寝之时，专业机构以2000-3000元/吨的市场价格收购熔炉再铸造。所以，我们要从全寿命周期的角度来考虑钢结构住宅的整体经济效益，即钢结构住宅整体成本=工程总造价-使用面积率提高带来的收益-可回收利用带来的收益。如表1所示：

表1 钢结构住宅的整体经济效益表

注：使用面积率提高收益(万元)=总建筑面积(m2)×钢砼结构的房屋面积率×钢住宅提高的使用面积率×房屋售价(元/m2)(4)

结语

1.从全寿命周期考虑，轻钢结构住宅比传统住宅的造价略高，但不会太多，本项目为11%，随着规模的增大，形成产业化，价差还会进一步缩小。由于安全无法用金钱来衡量，所以轻钢住宅的造价在震区是可以被广泛接受的。2.在我国人口密度不大的地区，轻钢住宅有广阔的前景。轻钢结构和不同档次的小区环境相配套，可以形成高、中、低档的独立住宅，灵活满足不同经济实力的消费群体。近几年轻钢别墅在沿海城市发展较好，而在经济欠发达地区的发展还比较缓慢。作者认为在今后轻钢住宅在农村和小城镇也有较大的发展空间。