基于预制轻骨料型钢混凝土柱的装配式钢结构体系研究

赵巍平，张晓彬，沈 锋，温 欣

（1.唐山工业职业技术学院，河北 唐山 063299；2.河北铭嘉工程设计有限公司，河北 唐山 063000）

伴随着我国经济进入快速发展阶段，引起电力需求量的迅速增长。传统变电站结构几乎全部采用现浇混凝土，然而随着我国经济由粗放型向精细型的转换，节约型土地、高质量型工程、安全文明施工的意识日益加强，传统模式不能满足资源节约型与环境友好型的社会发展要求[1-2]。

国家电网近年来大力发展智能变电站，智能变电站土建核心是装配式。变电站结构型式较为固定，对结构型式要求较低、工期较短、居民敏感度较高，与装配式建筑标准化、工期短、对周边影响较小等优点相匹配。随着政府对装配式建筑的大力推广，装配式变电站的发展也势必进入一个全新阶段[3]。

1 预制轻骨料型钢混凝土的应用研究

1.1 轻骨料混凝土应用

美国首次以页岩陶粒为骨料制作轻骨料混凝土，其强度满足工程要求，并大量在桥梁和船舶制造等工程上应用。

挪威在轻骨料混凝土方面的应用处于欧洲领先地位，其主要应用在桥梁方向，其中跨度最长的桥是Stolma桥和Raftsundet桥。德国威士巴登·斯切斯坦港口的悬臂式轻骨料混凝土结构是世界上第一座人行桥。日本虽然在轻骨料方面的研究起步较晚，但在工业建筑、民用建筑、道路和海洋工程等方面应用广泛。

我国建国初期缺少轻骨料生产经验与技术，其抗压强度低，不能满足建筑的要求，只能在非承重结构上应用。20世纪90年代后，我国轻骨料混凝土研究迅速发展，高强度轻骨料混凝土广泛应用于桥梁等工程[4-5]。

1.2 型钢混凝土的应用

日本是最早开始应用型钢混凝土的国家，其设计建造了世界第一座主体为型钢混凝土的建筑结构（东京海上大楼）。欧美国家起初使用目的主要是为了保护型钢，防止型钢暴露在空气中发生损坏。随后美国建造了第一栋主体为型钢与混凝土组合结构的国际大厦。我国型钢混凝土在高层或超高层建筑上的应用虽起步较晚，但发展迅速。

1.3 预制轻骨料型钢混凝土结构的应用

国内在轻骨料型钢混凝土方面的研究比较成熟，虽然形成了一些轻骨料型钢混凝土相关的规范，但还未形成完整体系的规范，给工程技术人员带来了极大的困难。

轻骨料型钢混凝土结构结合了型钢混凝土与轻骨料混凝土的优点，为其发展应用奠定了基础，它是一种新型结构型式。由于抗震性好、承载力高、自重小、保温隔热性好、经济性等优势，使其具有广阔的发展前景[6]。

1.4 轻骨料型钢混凝土柱理论研究

1.4.1 轴心受压性能

轻骨料型钢混凝土柱上施加轴心压力，随着轴心压力施加，混凝土端部开始出现微小纵向裂缝，同时型钢与钢筋也达到屈服，随着轴心压力进一步施加，轴向变形开始进一步加大，纵向裂缝迅速发展，混凝土达到极限承载力，此时混凝土丧失承载能力。混凝土出现鼓胀和剥离现象时，型钢还未出现局部屈曲，由此得出混凝土与型钢的本构模型大体上保持协调一致。

1.4.2 偏心受压性能

经过大量试验证明，型钢混凝土柱的偏心受压破坏与普通钢筋混凝土柱基本相同，主要表现为大偏心和小偏心受压。

与普通钢筋混凝土柱不同，型钢混凝土柱的破坏形态是保护层的劈裂更为明显，这就使混凝土在丧失承载力时荷载下降很快，但由于核心区域的混凝土受到型钢与箍筋的约束，此时型钢混凝土仍具有一定的承载力。

1.4.3 抗震性能

型钢混凝土柱的抗震性能大大优于普通钢筋混凝土柱。

1.4.4 受剪性能

型钢混凝土柱斜截面主要有粘结破坏、弯剪破坏与斜压破坏三种破坏形态[7]。

1.5 预制轻骨料型钢混凝土性能优势分析

预制轻骨料型钢混凝土柱同时具备型钢抗拉强度高和混凝土抗压强度高的优点，能够共同发挥两种材料的优势，使整体结构表现出较好的强度与延展性，并且在刚度与抗压能力方面具有较好的表现，如图1所示。

图1 工厂完成的轻骨料型钢混凝土的十字钢骨柱

与普通钢筋混凝土结构相比较，其具有以下优势：整体工作、截面尺寸小、构件延性好、施工工期短。与钢结构相比较，其具有以下优势：节约材料、耐火性好、综合性能较好、兼作模板支架。

2 钢筋桁架楼承板的应用研究

钢筋桁架楼承板在装配式建筑领域广泛应用，其不仅刚度高、整体性好、防火性好、施工速度快、受力合理，还可实现标准化、工业化、模块化的快速建设模式，从而有效地提升楼板质量、施工速度、降低成本，符合国家的发展要求，对推动我国建筑行业建造模式改革起到积极影响[8]。

2.1 钢筋桁架楼承板结构构成

钢筋桁架楼承板作为装配式结构的重要组成部分，由支座横筋和竖筋将上弦钢筋、下弦钢筋和腹杆钢筋连接形成空间桁架，镀锌压型钢板与其焊接连接，在其上浇筑混凝土，形成钢筋桁架楼承板，如图2所示。

图2 钢筋桁架楼承板结构示意图

钢筋桁架在施工阶段保证了楼板刚度，在使用阶段代替了楼板受力钢筋，连接方式由绑扎连接转变为焊接连接，可靠性大大提升，钢筋桁架形成共同作用的空间结构，通过调整钢筋直径与桁架高度，从而满足不同跨度和荷载需求，标准化、工业化、模块化的建设模式可大大提升建筑精度和质量。

镀锌钢板在施工阶段可作为楼板的模板，在使用阶段不受力形成组合型楼板。

2.2 钢筋桁架楼承板性能优势

钢筋桁架楼承板具有以下优势：1）经济性。受力合理，充分利用材料性能，节约建筑材料。2）便捷性。有效地减少60%～70%的工作量，大大提升施工效率。3）安全性。良好的力学性能和抗裂性。4）可靠性。工厂机械化加工，精度高。

3 预制轻骨料型钢混凝土柱的装配式钢结构的节点研究

节点是结构杆件交汇与连接区域，是传力的核心区域，是结构的薄弱区域。梁与柱通过节点传递荷载，处在弯、压、剪复合应力状态，受力复杂。因此研究节点的受力与破坏机理，明确节点的传力显得十分重要的，是保证结构安全的前提[9]。

3.1 型钢混凝土柱与钢梁的连接

轻骨料型钢混凝土梁柱连接采用预留短梁的拼接方式，实现现场的完全干作业，尽量减少施焊，短梁采用完全螺栓连接，梁柱连接在工厂直接焊接连接，如图3所示的装配式钢梁与轻骨料型钢混凝土柱连接节点，然后梁与梁采用螺栓连接，该节点连接方式的优点是便于实现工厂化预制，现场装配化的特点，可大大加快施工进度[10]，如图4所示。

图3 轻骨料型钢混凝土柱与钢梁节点

图4 钢梁与短梁的全螺栓连接节点

3.2 柱与基础的连接

通过预埋钢筋与直螺纹套筒将基础与型钢混凝土柱连接，使构件具有较大的侧向刚度与稳定性。通过机械连接将型钢混凝土柱与基础制成狗骨式柱脚，有机地组成一个整体，如图5所示[11]。

图5 十字型轻骨料型钢混凝土柱与桩承台的连接

3.3 围护结构与主体结构的连接

3.3.1 钢梁与墙板连接节点

钢梁与水泥基挤塑空心板通过点焊连接固定U型卡件，卡件间距≤600 mm，并且每块板的固定U型卡件数量≥2个。钢梁与板之间全长放置PE棒，并用弹性嵌缝材料填充，如图6所示。

图6 钢梁与墙板连接节点

3.3.2 型钢混凝土柱与墙板连接节点

型钢混凝土柱与水泥基挤塑空心板通过点焊连接固定U型卡件，最下面卡件距离地面≤600 mm，U型卡件间距≤1000 mm。型钢混凝土柱与板之间全高放置PE棒，并用弹性嵌缝材料填充，如图7所示。

图7 型钢混凝土柱与墙板连接节点

3.3.3 钢筋桁架楼承板与墙板连接节点

钢筋桁架楼承板与水泥基挤塑空心板通过螺栓连接方式固定U型卡件，每块墙板固定U型卡件数量≥2个，如图8所示。

图8 钢筋桁架楼承板与墙板连接节点

3.4 钢筋桁架楼承板与主体结构的连接

钢筋桁架楼承板与钢梁端部通过熔透点焊连接，中间通过栓钉连接与钢梁穿透熔焊，通过专用夹紧钳将楼承板咬合压孔连接，端部通过电焊连接将边模板与钢筋桁架楼承板或钢梁固定，如图9所示。

图9 支座连接图

钢筋桁架楼承板通过膨胀螺栓将角钢固定在剪力墙上，如图10所示。

图10 楼板与剪力墙连接

4 基于预制轻骨料型钢混凝土柱的装配式钢结构体系的市场应用分析

从目前来看，我国装配式建筑的市场仍处于萌芽阶段，伴随着国家与行业的发展目标与政策方针相继出台，以及建筑产业现代化转型升级的迫切需求，我国多个省市相继出台了相关建筑产业的扶持发展政策，加快了试点示范工程和产业化基地建设进程。随着技术和管理水平的提升，装配式建筑必将拥有广阔的市场与发展空间。

装配式变电站在建设过程中，既能有效地降低资源消耗，减少占地与建筑面积，进而降低成本，还能有效地提升工程收益，同时减少临时用场与现场湿作业，从而保护了生态环境。

5 结论与建议

5.1 结论

综合研究分析，得出以下结论。

1）“预制轻骨料型钢混凝土柱的装配式钢结构体系”新技术适用于变电站快速发展和建设要求；2）预制轻骨料型钢混凝土柱的装配式钢结构体系总体实现结构的三性（功能性、安全性、经济性）和四化（标准化、工厂化、装配化、产业化），符合国家对发展装配式建筑出台的一系列政策与方针的规定；3）符合2021年《政府工作报告》明确强调“要积极推广绿色建筑和建材，大力发展钢结构和装配式建筑”的规定；4）该技术具备在典型变电站进行试点建设，进而全国范围内进行推广；5）预制轻骨料型钢混凝土柱的装配式钢结构变电站能够减少环境影响、缩短工期、节省造价、安全可靠，响应国家对建筑产业化的总体要求。

5.2 建议

为建设坚强电网，保证地区的及时、可靠稳定供电，电力建设、运行管理企业面临着极大的挑战。装配式结构的研究和应用在我国方兴未艾，尚有许多技术问题有待解决，当前，应该着重做好以下工作。

1）楼面与框架梁、柱的节点连接设计问题、楼面承担重荷载及振动荷载能力的问题以及结构抗震性能等问题，目前针对装配式变电站的研究甚少，有待进一步深入研究。2）加强技术管理人员的培养，注重对新技术、新材料的探索，贯彻好“两型一化”的变电站建设思路。3）开展装配式变电站施工技术的总结工作。按照各类规范要求落实此项工作。4）探索性工作第一，结合工程实际，根据国家政策和国家电网的相关政策思路，加大科技投入，逐步建立装配式配送式变电站典型建设资料库，开展装配式变电站信息收集和统计分析，这将是一个长期的过程第二，装配式设备、模块化技术研究。