钢-混凝土组合结构在装配式建筑中的应用

刘殿忠 陈海静

（吉林建筑大学土木工程学院， 吉林 长春 130118）

0 引言

钢-混凝土组合结构是由型钢与混凝土组合而成，充分发挥了钢与混凝土两种材料各自的性能优势，在建筑工程已经得到了广泛的应用。与传统的建筑方法相比，装配式建筑具有明显的优越性，可保证产品的质量，能够满足各种建筑形式的需求，应用前景广阔。装配式钢-混凝土组合结构体系兼具钢结构和混凝土结构体系的优点，构件工厂制作，现场组装成整体，构件间连接可以采用高强螺栓连接，可提升整体结构的防火及防腐蚀等性能。

目前市场上可用于装配式建筑的组合结构体系有多种，比较典型的组合结构体系有：型钢混凝土结构体系、装配式钢管束组合结构体系、PEC预制装配的组合结构体系以及捷约预制装配框架系统等，型钢混凝土结构体系比较成熟，且应用较为广泛，限于篇幅不做介绍。本文主要介绍后面三种组合结构体系。

1 钢管束组合结构体系

1.1 体系构成

（1）钢管混凝土束组合结构剪力墙[1]：钢管束内部结构美观，排列有序，施工方便，标准化、模块化钢管连接在一起，形成钢管束，内部浇筑混凝土，如图1所示。

图1 钢管束剪力墙结构体系

（2）H型钢梁：高频焊接H型钢，普通焊接H型钢或热轧H型钢。

（3）装配式钢筋桁架楼承板：现场不需要支模，运输方便，易安装及拆卸。

（4）轻质隔墙：轻质条板、加气混凝土块，以及其它轻质墙体。

（5）建筑外装饰面：轻质防火保温板、轻质防火板、防腐层、防火保温隔热层、CCA板外墙装饰面、外墙涂料[2]等功能性绿色环保装饰。

1.2 主要功能

（1）优良的抗震性能：钢结构在地震烈度的作用下可以吸收更多的地震能量，具有良好的延性。目前抗震6级是标准，抗震8级已经在很多工程中应用。

（2）缩短建设周期：有些钢构件如汽车制造一样，在工厂里是标准化和流线型加工的；在施工现场，可以同时建三层。建高楼层时，不会影响低楼层的施工，可以开始结构维修和装修，可以像积木一样直接组装。流水作业没有冲突，可以大大缩短工期。

（3）优化工程质量：钢构件采用现代设备生产，毫米计算误差，质量稳定；施工时，钢构件外露，使施工构件有形可见，隐蔽工程少。

（4）节能：人工砌筑方式在施工现场消失，混凝土搅拌机和飞沙走石也在施工现场消失，减少了建筑垃圾和二氧化碳的排放；隔热性能优异（夏季凉爽）；结构体系与保温材料的完美结合（冬季保暖）。

（5）绿色环保：钢构件可以实现从建造-拆除-回收-再加工-再建造的100%回收，低损耗循环利用；其中CCA板及整体灌浆墙的外墙体可作为变废为宝的代表之一，通过将工业废料尾矿砂等进行处理，使其作为原料进行浇灌，将原本该填埋的建筑垃圾变成建筑原材料，不含石棉，做到了真正的无毒无害；施工过程噪音小，不扰民；粉尘少，保护环境。

（6）布局灵活：轻质隔墙，让非承重墙体可随意改变结构，“钢管束”让建筑结构告别“肥梁环柱”，DIY空间格局，随心所欲。

1.3 综合优势

钢管束剪力墙结构体系相比于传统钢筋混凝土结构具有以下优势：延性好、抗震性能好；建筑垃圾少、粉尘少、噪音小；施工周期短，速度快，建设投资省；材料可回收利用，绿色环保，碳排放量小，施工安全、节水节电；工厂化制造、预制装配标准化施工；承重结构少，空间大，布局灵活，房间利用率高；基坑工程量小，自重轻；很少或没有模板。

1.4 工程应用实例

（1）万郡·大都城（内蒙首席钢结构住宅典范）总用地面积415.13亩，26栋高层建筑，建筑面积近100万m2。该项目采用钢管束剪力墙组合结构体系，发挥了钢结构制作工业化程度高、施工速度快的特点，可以实现住宅产品的设计标准化、生产工厂化、建筑装配化、室内一体化和管理信息化。能够满足住宅建筑的各种使用性能要求，具有抗震性能好，得房率高，节能环保，空间布置灵活等优势。

（2）中天杭萧钢结构预制建筑基地一期科研楼工程具有办公、研发、住宿等配套功能。整栋楼11层，总建筑面积1.4万m2。工程主体采用钢框架和钢管束组合结构体系，水平结构体系和内外墙均采用拼装技术施工。项目拥有66%的装配率，相当于装配式建筑A级标准。项目建设可按3天一层的速度推进，较传统建筑方式工期缩短60%，基础部分造价节省10%。

2 PEC预制装配式组合结构体系

2.1 PEC结构概述

PEC结构是由部分外包钢-混凝土组合结构的截面构成。混凝土填充在开口截面钢构件的轮廓中，并且混凝土可按工程要求进行加固，如纵筋、箍筋、系杆、栓钉等结构构件，如图2所示。

图2 PEC预制框架柱

欧洲规范中的部分填充组合构件为部分包裹组合（PEC）结构，主要由工字钢翼缘之间填充混凝土形成（包括热轧工字钢和焊接工字钢截面），同时工字钢腹板配有抗剪件（Eurocode4，Table5.2）；也有外包组合构件作为梁，与钢筋混凝土楼板、压型钢板混凝土组合楼板等形成复合型组合梁（Eurocode4，Figure6.1）。构件中配以箍筋和纵筋（Eurocode4，6.3.3）。这类构件可称为“欧标截面”[3]。20世纪90年代以后，出现了一种结构形式：免除了抗剪件、采用直线型系杆连接翼缘，可以称其为“非标截面”（“加标截面”）。

2.2 PEC结构特点与优势

（1）组合作用（约束作用）：PEC结构提高了钢筋的局部稳定性和抗压强度，在一定程度上限制了混凝土的早期沉降。

（2）可预制性、可装配性。

（3）表面保护作用（防火防腐作用）。

（4）一定程度的轻量化：分别相对纯钢或纯混凝土。

此外，建筑内部装修对钢梁腹部的填充，为部分填充组合梁的利用提供了可能性。

2.3 工程应用实例

（1）绍兴市行政中心配套住宅（国内首栋PEC框架结构），项目总建筑面积34.1万m2。其中8个是由BIM、智能和现场组装集成系统和组件组成的优质住宅建筑组件。该项目符合AA级装配式建筑标准，装配率为76%。钢结构装配式住宅集成技术体系以PEC钢-混凝土组合结构体系为核心，通过在H型钢的空腔内浇筑混凝土形成高强度H型钢复合材料，具有良好的抗震性能；因此，避免了装配式混凝土结构所面临的节点连接可靠性问题，解决了钢结构的防火防腐问题，大大提高了钢结构的质量。

（2）罗马尼亚布加勒斯特中央国际大厦是一幢高层办公楼，全楼共29层。此建筑采用PEC柱+钢梁+支撑[4]并于2007年竣工。对楼体进行了抗风、抗震和抗连续性倒塌设计。此楼结构的全部构件或主要受力构件采用部分填充组合构件，结构中的某类构件采用部分填充组合构件。这类结构已在欧洲得到一定程度的应用，所建高层建筑可达30层左右。

3 捷约预制装配框架系统

3.1 体系构成

（1）甲壳柱——钢管和波纹板的组合构造巧妙，填充混凝土。这种组合式钢筋混凝土内构件取代了传统的无模板、无钢支撑的钢柱，可节约50%以上的成本，满足国内大规模组装的需要，如图3所示。

图3 捷约预制装配框架系统

（2）甲壳梁——传统H型钢的腹板，被“劈”成两半，内部空间可以放置预应力钢筋，浇筑混凝土。免高支模，减少防火涂料。

（3）优弦梁——下翼缘局部使用钢管预应力的简支梁，节省用钢。

（4）优肋板——底板和加劲肋，可以使用不同材质、不同厚度进行组合，经济状况良好，底部没有缺口，这是优肋板的优点。

（5）优节点——优节点把螺栓和连接板都省掉了，是最好的转换件。

3.2 特点及优势

捷约预制装配框架系统，拥有甲壳柱、甲壳梁、优弦梁、优肋板、优节点[5]等核心技术，可根据需要灵活组合，大大减少了传统施工中的高支模作业，降低用钢量，极大减少了人工和工期，是建筑装配化的创新方向。免模板、免支撑、免配筋，就可以把一个房子盖好。

3.3 工程应用实例

同华冷库——世界上第一个采用捷约预制装配框架体系组装壳柱壳梁的工程，是中国最大的单体冷库。该项目位于上海市浦东新区洋山保税区内，总建筑面积8m2，1号、2号冷库镜像对称，每栋长70.4m、宽64.7m；3号冷库长度为89.1m、宽64.7m。每个冷库由冷藏库和大厅两部分组成，由抗震缝隔开。冷藏库为地下1层地上3层，楼面层高12.5m，总高37m，柱网尺寸9.2m×8.8m。大厅有6层，每层高度从4.3m～7.5m不等，整个建筑设有地下室，埋深不超过5m。整个装配框架系统的柱梁板均为工厂预制，现场组装，混凝土为现浇。捷约预制装配框架系统最大限度提升建筑空间利用率。

4 结束语

随着我国钢铁工业的迅速发展，钢结构在我国的应用越来越广泛，钢结构与混凝土结构的结合可以达到高效、高技术、可持续发展的要求。随着我国建筑业的迅速发展，国家对建筑的装配率制定了相关的法规和标准，使得装配式建筑在我国得到了快速的发展。将钢-混凝土组合结构应用于装配式建筑中会使我国建筑业发展更加迅速。目前钢-混凝土组合结构在装配式建筑中的应用还有很大的发展空间且前景广阔。