装配式钢结构在中小学建筑中的结构标准化设计探析

李维松，孟娟，张军，张九营

（中国矿业大学工程咨询研究院（江苏）有限公司，江苏 徐州 221008）

1 引言

装配式钢结构建筑具有模块化、标准化的特点，适应工业化需求，且抗震性能优越、施工周期短、钢材可回收。但目前我国主要的结构形式是钢筋混凝土结构，采用装配式钢结构的比例较小。装配式钢结构作为建筑产业化中重要部分，在主体结构工业化建造中并未完全发挥其优势。

中小学建筑具有使用空间大小标准化、交通空间宽度模数化的特点。中小学建筑采用装配式钢结构进行标准化设计具有以下优势：

①建筑空间可变灵活化，采用标准大开间柱网布置，使建筑平面分割灵活，可根据不同用途改变布局；

②建筑、结构部件、部品系列化和模块化，规范工程建造标准，有利于提高建筑产品的品质；

③施工高效化，装配式钢结构优势在于设计生产一体化，预制构件工厂加工，在缩短现场施工时间的同时，能更好地预测工期，具有较好的综合经济效益。

2 结构设计

2.1 工程概况

本项目位于江苏省宿迁市中小学教学建筑，重点设防类，抗震设防烈度8度（0.30g），地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类场地，特征周期0.45s，结构重要性系数1.1。基本风压0.40kN/m，基本雪压0.35kN/m。主体结构为4层钢框架，标准中小学教室建筑平面图见图1所示。

图1 标准中小学教室平面图

2.2 结构体系选择

装配式钢结构建筑结构体系大致可分为以下几类：轻钢结构体系、钢框架结构体系、钢框架—支撑结构体系、钢框架—混凝土核心筒体系等，除此之外，许多新型钢结构体系不断提出。由于中小学建筑为多层建筑，本工程选用较为常用的钢框架结构，其抗震性能良好，自重轻，能充分利用建筑空间，平面布置灵活，在抗震设防烈度较高地区，可设置柱间支撑，形成钢框架—支撑结构体系，支撑可结合建筑外墙，灵活布置。

2.3 基础设计

基础类型的选择，应根据工程地质、水文地质条件、建筑高度及体型、结构类型、荷载大小、有无地下室、使用功能、相邻建筑物的基础情况、施工条件、经济合理性、抗震设防烈度等因素综合考虑，经多方案比较后确定。本工程基础持力层为3～2层粉质粘土层，地基承载力特征值fak=280kPa，压缩模量10.82MPa，土质良好，无软弱下卧层，采用独立基础可以满足要求，考虑上部结构柱脚做法，采用独立基础加短柱的形式，见图2所示。

图2 基础做法

2.4 柱脚设计

钢结构柱脚形式包括外露式、插入式、外包式及埋入式。《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第 8.3.8 条规定：钢结构的刚接柱脚宜采用埋入式，也可采用外包式；6、7度且高度不超过50m时也可采用外露式。《钢结构设计标准》（GB50017-2017）第12.7.1规定：多高层结构框架柱的柱脚可采用埋入式柱脚、插入式柱脚及外包式柱脚，多层结构框架柱尚可采用外露式柱脚。综合以上各规范对钢结构柱脚设计的规定，考虑到多层建筑及其抗震要求，采用的埋入式柱脚，做法见图3所示。

图3 柱脚做法

2.5 梁柱节点设计

梁柱节点设计首先要满足结构的承载能力及使用功能的要求，其次考虑其经济性。钢柱形式主要有矩形钢管柱、H型钢柱，O形钢管柱，目前工程中主要使用的是矩形钢管柱、H型钢管柱。由于中小学建筑两个方向跨度均比较大，为保证两个方向刚度接近，一般选择矩形钢管柱，必要时腔内可灌注混凝土来减小钢柱截面，能更有效利用建筑空间，且施工方便。钢梁主要有热轧H型钢、焊接H型钢、T型钢、蜂窝钢梁等，根据跨度并考虑经济性，主梁采用焊接H型钢，次梁可选用热轧H型钢。梁柱节点采用箱形柱与工形梁短梁拼接的连接形式，连接做法如图4所示。短梁拼接的节点位于梁跨受力较小处，符合强柱弱梁，强节点弱构件的要求，受力合理，施工速度快，施工操作空间大，方便施工。

图4 梁柱节点

2.6 楼盖体系

装配式钢结构建筑中，常用的楼盖体系类型主要有三类，即压型钢板—混凝土组合楼板、钢筋桁架楼承板组合楼板、桁架钢筋混凝土叠合楼板。压型钢板—混凝土组合楼板是通过剪力连接件将压型钢板与混凝土进行组合，形成一种共同受力、协调变形的组合板。组合楼板中的压型钢板除在施工阶段作为模板使用外，在此阶段还兼做组合板中的受力钢筋或部分受钢筋。压型钢板作为模板，节省了大量的模板和支撑，减少了钢筋用量与安装。压型钢板优点轻便于堆放、运输及安装便捷等，缺点主要是压型钢板造价较高，影响整体经济效益，且压型钢板板肋高，整体楼板厚度相对较厚，降低了建筑净高。钢筋桁架楼承板是将楼板中的受力钢筋在工厂内焊接成钢筋桁架，并将钢筋桁架与镀锌钢板焊接成整体，施工时上部浇筑混凝土，形成钢筋桁架混凝土楼板。该板结构受力合理，楼板整体性能优越，板底平整度、楼层净高有保证，钢筋桁架可以为镀锌钢模板提供刚度，使得底板可以作为永久性模板，也可后期拆除，能得到充分利用，缺点是运输和吊装过程易损坏和变形。桁架钢筋混凝土叠合板在预制板内铺设了叠合楼板的底部受力钢筋和桁架钢筋，在施工现场通过后浇混凝土叠合而成的楼板。预制底板可作为施工阶段的永久性模板，桁架钢筋可增加叠合面的抗剪及整体刚度。预制底板工厂加工，机械化程度高，缺点是自重大、运输易折断，运输易受限。综合以上分析，楼盖体系选用钢筋桁架楼承板组合楼板。

2.7 围护墙板体系

围护墙板体系种类很多，主要包括以下几种：

①预制砌块类（多孔砖，加气块等），该种围护结构制作方便，容易生产，取材方便，但是装配化程度低，现场湿作业多，施工繁杂；

②预制条板类（水泥类、石膏类、陶粒类、加气类），运输安装方便，容易标准化制作，现场后期作业较多，拼缝较多容易开裂，防水效果差；

③预制大板（预制混凝土夹芯板），优越的耐久性、工业化程度高、现场施工快。缺点：墙板偏重，尤其是对于跨度相对较大的教室。综合以上优缺点，本工程外墙采用ALC外挂墙板，竖板布置，方便施工，与主体结构的连接可采用钩头螺栓做法，如图5所示。

图5 竖墙板与楼面钢梁连接做法

3 总结

本文从结构体系选择、基础设计、柱脚设计、梁柱节点设计、楼盖体系、围护墙板体系等方面，以实际工程项目为例，对中小学建筑结构标准化设计要点进行了描述。实际工程表明，装配式钢结构中小学建筑应用在高烈度区，取得了较好的经济效益，尤其是工期大幅缩短，充分发挥了装配式钢结构及其标准化的优势，值得借鉴。