钢-混凝土组合结构在装配式建筑中的应用

鲁春晓

华东建筑设计研究院有限公司安徽分公司 安徽 合肥 230088

1 型钢混凝土施工的技术

1.1 在材料上选择最为合适的型钢材料

建筑的施工质量主要取决于施工的技术以及施工的材料，因此在型钢混凝土施工的过程中，对原材料的选择时，需要选择强度和基本材料差不多的材料进行施工，首先需要确定施工材料的拉伸性，对拉伸性的要求需要保证在480MPa，其中的型钢含量需要控制在0.46%～1.96%之间，在长度和宽度之间也有所限制，既不能过长也不能太短，需要根据施工场地的实际要求进行型钢材料的选择，另外，在型钢材料进行搅拌之前，先确定好需要的质量长度，保证能够很好地进行材料上的选择，选择质量性能最好的材料纤维，以此来保证型钢的分散性特点。

1.2 严格对材料进行分配和分散装置

型钢混凝土的分配比例需要经过严格的设计，其混合的比例应当严格遵循原先的设计方案进行混合，但也需要根据施工现场的具体状况进行分配试验，选择最为合适的分配比例。混凝土与型钢的均匀混合分配，在实际的施工之中有着重要的作用，也是需要严格遵循的施工环节。为了能够有效地保障型钢与混凝土在搅拌混合之前的均匀分散，在型钢进入分散器之前需要分类堆放。此外机械设备需要保持功率在0.75～1.0kW，分散率最好的时速为20～60kg/min。

1.3 在搅拌的过程中需要对时间进行严格控制

混凝土与型钢的搅拌时间要进行严格控制，在机械设备搅拌的过程中对混合的材料进行干燥的搅拌需要保持在1min以内，如果加入适当的固定剂或者减水剂的湿搅拌需要达到2min以上，以此来改善混合的材料，提升搅拌的质量，搅拌质量的提升对施工质量也有着明显的影响，因此在搅拌的过程之中需要严格的控制搅拌的时间，在搅拌的过程之中要逐渐减少水泥的使用剂量，从而使施工质量得到全面提升。

1.4 根据施工场地进行施工设备的选择

型钢混凝土的搅拌设备主要分为两种，一种是双锥反转出料搅拌机，另外一种是强制性搅拌机。在通常的施工情况中，低搅拌功能有利于增加搅拌机的使用时长，当纤维含量过高或者坍塌幅度较小的时候，可以适当选择低能耗的搅拌功率进行混合搅拌，以避免搅拌机在混合过程中运载过量造成的机械消耗，以此来延长机械的使用寿命。

1.5 需要对运输进行严格的把控

在型钢混凝土的运输过程中，需要考虑坍塌幅度、材料中含气量以及混合物的饱和程度，以此来进行运输上的选择。在不同的环境因素、材料因素的影响下进行运输方式上的选择，在保证使用的条件下尽可能减少运输的距离，以此来增加材料的出口量，以此防止运输过程中出现重力的下沉，导致型钢混凝土在搅拌中出现分布不均的情况，造成材料的特性和质量大幅度下降。选择最为合适的运输方式，一定程度上还能够减少成本资金的投入[1]。

2 钢管束组合结构体系

2.1 体系构成

①钢管混凝土束组合结构剪力墙：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。②H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，以及其他轻质墙体。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、外墙涂料等功能性绿色环保装饰。

图1 钢管束剪力墙结构体系

2.2 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3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。

2.3 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。

2.4 工程应用实例

2.4.1 万郡·大都城（内蒙古首席钢结构住宅典范）总用地面积415.13亩（1亩=666.67平方米），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。

2.4.2 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]。

3 PEC预制装配式组合结构体系

3.1 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。

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”。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”）。

3.2 PEC结构特点与优势

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。可预制性、可装配性。表面保护作用（防火防腐作用）。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。

3.3 工程应用实例

3.3.1 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。

3.3.2 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]。

4 捷约预制装配框架系统

4.1 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。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。

4.2 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。

4.3 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50222.6m2，1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4.3～7.5m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。

5 结束语

近年来，钢-混凝土组合结构在装配式建筑中的应用与发展受到了建筑行业的高度认可，多种组合结构体系在实际工程中得到应用，本文介绍了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式框架体系三种可用于装配式建筑的组合结构体系，重点介绍了三种组合结构体系的构成、优势以及典型案例，可供有关工程技术人员参考。