新型装配式空间钢网格盒式结构研究与应用

栾焕强

（中铁十五局集团有限公司 上海 200072）

1 引言

装配式空间钢网格盒式结构是马克俭、栾焕强等发明的一种新型的适合震区的大跨度结构体系［1－2］。该结构体系具有抗震性能好、施工速度快、节约钢材、增加净高及室内空间可灵活布置等优点［3］。

钢网格盒式结构由钢空腹夹层板和钢网格墙架两种水平和竖向结构体系组成，二者均具有板的力学效应。空腹夹层板上下肋间距与钢柱间距一致，相互连接组成网格状空间受力体系，楼盖网格数不小于5格，墙架每层分格数不小于3格。空腹夹层板楼盖结构体系得到根本改变，使传统的单向传力体系改变为三维空间受力。但楼盖和墙架网格化及空腹化后，带来了施工难度及工时量增大等弊端。因此针对结构体系小巧轻盈、用钢量低的特点，采用预制装配的新工艺，即将正交正放空腹楼盖和墙架单元化，工厂加工标准单元后运至现场进行装配，大幅提高工作效率。

1.1 钢空腹夹层板

常规钢结构楼盖由H型钢及混凝土楼板组成，照明及设备管道吊挂于楼盖下方，压缩了室内空间、增加了建造成本。钢空腹夹层板克服了常规钢结构的这些缺点，其由上下肋、剪力键及混凝土楼板组成，上下肋中间空腹可穿越设备管道，其高度可根据受力和管道需求空间进行调节，在室内净高不变的情况下可压缩层高1／10～1／8，用钢量节约1／5～1／4。上下肋为T型钢，与开槽后的方钢管剪力键在加工车间进行焊接，如图1所示。钢空腹夹层板楼盖具有很强的承载能力，其最大承担荷载可达正常使用荷载的四倍以上［4］。

图1 常规钢楼盖与空腹夹层板楼盖

1.2 钢网格墙架

钢网格墙架是对常规钢框架进一步的优化和拓展，主要特征为：减小柱截面和柱距，每层窗户上下位置设置小横梁以降低柱平面外计算长度，增强墙架的抗震能力，形成小密柱、小横梁的网格式墙架。

栾焕强针对钢网格墙架的抗侧滞回性能和抗震能力进行分析表明：在用钢量接近的情况下，与常规钢框架相比，可大幅度提高耗能能力，降低侧向和层间位移，具有良好的抗震性能［5］。在中震及大震作用下，钢网格盒式结构层间位移能够满足抗震规范要求。正交正放钢网格盒式结构与框剪结构相比，抗侧力能力较好，是更为高效的第二道防线，并且由于盒式结构用钢量少，质量轻，层弯矩和层剪力比常规框架减少很多，在节约造价的同时，对抗震也极为有利。由于楼盖和墙架重量轻、截面尺寸小，为进行装配式连接创造了有利条件。

2 工程概况

湖南金海检测中心位于湖南省湘潭市经济开发区，地处长株潭核心区域，东临湘江，与昭山相望。该检测中心是国内首个装配式空间钢网格盒式结构建筑，是具有大开间灵活划分平面的节能民用建筑。建筑层数为六层，投影平面为方形平面，跨度为8 m，建筑面积约为3 450 m2，高度为23.1 m，平面尺寸为（24×24）m。一层为检测中心，层高4.8 m；二层为实验室，层高3.9 m；三层至六层为公寓，层高3.6 m。内部区域主要为楼电梯和卫生间区域，采用钢筋混凝土框架结构，外围柱除四角采用方钢管柱以增强抗扭刚度外，其余均为小截面H型钢柱。内墙采用轻质砌块分隔房间，外墙采用轻质铝板和玻璃幕墙饰面。检测中心外观及标准层平面如图2所示。

图2 检测中心标准层平面及外观

3 结构方案布置

3.1 空腹夹层板楼盖方案布置

由于一层、二层、三～五层和六层使用功能不同，内部房间分割差别较大，结构布置需要实现灵活划分房间的要求，因此楼盖采用装配式正交正放空腹夹层板结构。空腹夹层板的钢结构部分总厚度为500 mm，跨度为8 m，网格形式为正交正放，网格尺寸为2.0 m×2.0 m，上下肋均为T型截面，剪力键为方管。根据运输及施工要求将空腹夹层板楼盖分为A、B两种单元，其中A单元14个、B单元4个，如图3所示。各单元上下肋与剪力键连接部分采用开槽后等强焊接的方法进行连接，待上下肋与剪力键连接完成后，运至施工现场于各单元连接处进行螺栓拼接，在上肋焊接栓钉，铺设钢筋网，然后浇筑混凝土即可完成空腹夹层板施工过程。由于各单元重量轻，连接方便，地上主体部分实际施工工期仅70 d，实现了现场构件装配，经济效益和社会效益显著。

图3 楼盖单元划分方案（单位：mm）

3.2 墙架结构方案

墙架结构与常规框架结构有所不同，主要是由小规格密柱、多个层间横梁及空腹钢梁组成。正交正放空腹夹层板网格间距与小规格密柱相同，对于需要开门洞处，可根据建筑和使用功能需求加宽或取消部分钢结构立柱，二层相应位置设置两根八字钢柱以承担上部荷载。层间窗洞顶部和底部各设置一根层间横梁，以加强墙架的抗侧刚度。墙架结构依据现行规范进行设计，墙架网格单元划分如图4a所示。墙架采用H型钢竖向网格墙架，在工厂制作为拼装单元。当基础工程完毕后，先安装第一层墙架单元，再采用高强螺栓安装第一层钢空腹网格楼盖，将各单元按设计划分方案进行安装，各单元腹板处采用钢拼接板和摩擦型高强螺栓连接，墙架单元划分及施工图如图4所示。各构件截面参数如表1所示。

图4 墙架单元划分及装配现场

表1 构件截面参数

4 结构分析

4.1 结构模型

结构体系采用Midas gen软件建立有限元模型进行整体结构验算与分析［6］。盒式结构作为一种新型的结构体系，其空腹梁和钢墙架梁柱均可按实际构件进行输入。除混凝土楼板采用板单元模拟外，钢柱、混凝土柱、空腹梁、层间横梁均采用杆单元模拟［7］。

4.2 荷载取值

依据现行国家相关规范、标准［8－10］及建筑平、立、剖面图进行结构设计。结构设防烈度按7度进行设计，钢材采用Q355B，混凝土等级为C30。恒载根据材料自重按照实际计算取值。

（1）活载：上人屋面活载取 2.0 kN／m2，公寓为2.0 kN／m2，实验室为 4.0 kN／m2，走廊楼梯活载取3.5 kN／m2。

（2）风载：按纵横向均为0.35 kN／m2，施加于主体结构上，地面粗糙度为B类。

（3）温度荷载：按极端情况考虑，温度荷载分析考虑升温25℃、降温20℃。

（4）地震荷载：抗震设防类别为丙类，设防烈度取7度，设计基本地震加速度0.15 g，场地类别为Ⅱ类，地震分组第一组。

4.3 振动模态分析

根据抗震规范规定采用振型分解反应谱法进行抗震计算，其自振模态如图5所示。由图5可知，前两阶振动模态均为平动，自振周期基本相等，说明两个方向刚度均匀；第三阶模态为转动，且周期比T3／T1＝0.86＜0.9，满足相关抗震规范要求。

图5 前三阶振动模态

4.4 层间位移角及位移比

层间位移角及位移比如表2所示。

表2 层间位移角及位移比

在风荷载作用下，一层位移角1／1 410，远小于多层框架结构的限值1／400［11］；地震荷载作用下一层层间位移角 1／987，远小于规范限制 1／250［12］，表明盒式结构抗侧刚度大，具有很好的抵抗侧向风荷载和地震作用的能力。

4.5 应力计算

检测中心结构内力计算结果表明：结构降温20℃时的荷载组合为控制性内力，最大应力为290 MPa，小于Q355B强度设计值310 MPa，其余杆件应力比大部分在0.3～0.7之间，整体应力分布较为均匀，能更好地发挥钢材的受力性能，具有较大的安全储备，如图6所示。

图6 应力云图

5 关键节点连接构造

5.1 空腹梁拼接构造

楼盖网格单元运至施工现场后，连接采用“栓焊结合”施工工序，在需要连接T型钢的腹板处采用高强螺栓等强连接后，再在其翼缘处采用对焊工序等强连接。安装时需按节点位置设临时支架，防止结构变形，如图7所示。

图7 空腹梁拼接构造（单位：mm）

5.2 斜柱连接构造

钢网格墙架密柱间距为2 m，由于底层出入口大空间门洞宽度为4 m，因此需将⑦轴处底层两根钢柱去除，二层处竖向钢柱变为两根八字形钢柱以支撑三层以上钢柱受力。连接处设置相应的加劲板，经过处理后的结构受力和抗震性能基本无影响。斜柱连接构造如图8所示。

图8 斜柱连接构造

6 结束语

通过对装配式空间钢网格盒式结构的结构选型、方案布置、结构分析以及关键节点连接构造设计，得出如下结论：

（1）装配式空间钢网格盒式结构楼盖承载力大，抗震性能好、施工速度快，能够实现快速化施工要求。

（2）建立有限元模型对湖南金海检测中心进行抗震及受力分析，侧向位移远小于规范要求，整体结构受力合理，有较高的安全储备。

（3）对空腹梁拼接节点及斜柱连接构造进行设计，在方便施工的同时对结构受力性能基本无影响。