装配式钢-竹组合结构建筑施工工艺及工程应用

装配式钢-竹组合结构建筑施工工艺及工程应用

窦磊

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摘要：钢结构装配式模块化建筑中的荷载传递、变形协调均由模块单元间的连接节点来实现，模块间节点是影响此类建筑整体性、稳定性的关键因素，也是影响其推广应用的必要支撑。目前，国内外关于模块间节点的研究并不完善，这限制了钢结构装配式模块化建筑的发展应用。因此，本文通过系统梳理钢结构装配式模块化建筑模块间连接节点的构造形式与力学性能研究进展，指出其中存在的不足，并对该领域未来研究工作进行展望，以期为此类建筑的相关设计及工程应用提供一定的参考价值。

关键词：装配式钢-竹组合；建筑施工；工程应用

引言

近年来我国经济飞速发展，人们对生活条件的要求逐渐提高。建筑行业也越发受到重视，但是随着建筑面积不断扩大，建筑能耗也随之增加，水泥、钢筋等建筑材料的耗量越来越多，而这些燃料的总储量有限，并非取之不尽。现代社会对新型材料或新型组合形式的需要越来越迫切。因此，绿色、可再生的新型建筑材料在建材行业层出不穷。传统木结构建筑跨度小、高度低，目前应用也不是很广泛，但是钢—竹组合结构能够打破木结构存在的一些缺陷，满足现代建筑对材料提出的更高需求。同时钢结构建筑的稳定性和承载力得到提高，并且得到了充分的利用，满足了现代社会对建筑业提出的绿色、可持续发展的要求。课题组人员通过运用有限元软件ABAQUS对钢—竹组合柱进行有限元分析，通过分析模型探究螺栓的排列方式对组合柱承载力的影响，为后续的研究工作做参考。

1.钢–竹组合结构体系及工程概况

钢–竹组合构件以冷弯薄壁型钢、竹胶板为基本材料，通过环氧树脂胶粘结而成。冷弯薄壁型钢是在常温状态下，普通薄钢板经过弯曲形成各种断面形状的成品型钢，利用截面形状的改变提高钢材的利用率，具有变形小、质量轻和强度高的特点。竹胶板是以毛竹纤维、树脂胶为原料，在高温、高压下，经过一系列复杂工序压制而成，基本克服了原竹各向异性和材质不均的缺点，具有强度大、韧性高、耐水性好的特点，并具有一定的防腐、防虫能力。钢–竹组合构件将两种材料按各自力学特性组合而成，既充分发挥两种材料各自的优势，又互补。首先薄钢板稳定性差，易发生屈曲现象，而竹板刚好可以对薄壁型钢进行支撑加固，改善其性能，且钢材易于加工，可根据构件截面要求配合竹胶板加工成各种形状。如今，梁、柱、楼板、墙体等多种钢–竹组合构件已经研发出来，并对这一系列构件进行了承载力、变形、滑移等多方面的研究。随着研究的深入，钢–竹组合构件的计算理论也逐步得到发展和完善，特别是最近提出的界面滑移效应，在很大程度上提高了构件挠度变形计算的精度和可靠度。钢–竹组合结构建筑保温节能效果好，其围护结构是特殊的箱形截面形式，本身具有良好的自保温性能。此外，可根据当地建筑节能要求，在组合结构空腔内添加玻璃棉、聚氨酯泡沫等材料，使其表现出更好的保温性能。钢–竹组合建筑抗震性能优越，梁、柱节点采用钢板与螺栓连接属于半刚性连接形式，充分考虑了弯矩与位移之间的非线性转角位移关系，允许节点产生相对变形，吸收地震作用的能量，从而提高结构安全性。

2.钢结构深化设计的措施

在装配式钢结构建筑深化设计的过程中，应重点明确具体的设计措施和方法，提升整体设计工作效果。首先，采用BIM技术中的Tekla软件，在软件内部构建钢结构信息库系统，增加虚拟构件的类型和规格，以BIM模型为基础开展深化设计工作，进行图纸内梁柱节点及梁板节点方面的深化设计，不断优化预制模板结构，通过减少预制构件数量和构件类型，降低相应的成本。其次，在完成模型的搭建之后，可在BIM模型内自动生成钢结构图纸，按照需要显示出各个钢结构部位的剖面图，并直接在图纸文件内创建细节视图和索引图，同时还可按照模型生成可为施工现场提供指导的设计图纸，防止因图纸问题在施工过程中出现工程变更的问题，最大限度提升出图效率和精确度；另外，还需在BIM模型提取的构件信息中生成吊装块的重量信息，结合模型之内的吊装结构位置关系，合理计算作业的高度和半径，选择相应的机械设备型号。最后，在钢结构深化设计的过程中还需注意和机电设计、管线设计之间相互配合，可利用Revit独立构建机电设计的模型后导入Navisworks集合，对设计内容进行综合完善和优化，并利用BIM技术构建管线设计模型，进行碰撞试验分析，预防设计错误，提升设计质量，避免出现钢结构和管线的碰撞问题，

3.钢–竹组合梁、柱

组合梁主要承受弯矩和剪力作用，其抗弯、抗剪性能与腹板、钢板厚度密切相关，设计时C形钢的厚度应不小于1.5mm，腹板竹胶板厚度应不小于15mm。此外腹板高度的提升对钢–竹组合梁抗剪强度也有很大的提高，但腹板高度过大可能导致稳定性降低，使组合梁在受力过程中发生失稳破坏。钢–竹组合柱是重要的受力构件，主要承受来自梁的竖向荷载，其承载力大小与材料强度和长细比有关，材料强度越大、组合柱长细比越小承载力越大，截面尺寸应根据荷载大小进行设计。钢–竹组合工字形梁、柱是由两块C形冷弯薄壁型钢和3块竹胶板通过环氧树脂胶粘结而成。首先对钢板、竹板进行打磨，去除表面污渍以及钢板镀锌层，然后用酒精擦拭，清除打磨后的残留碎屑和油渍，最后用环氧树脂胶进行粘贴。粘贴过程分两步进行，第一步粘贴腹板处的竹胶板和冷弯薄壁型钢，第二步粘贴翼缘处的竹胶板。

4.建立健全装配式钢结构法律法规及标准体系

以国家科技计划为抓手，组织各方开展装配式钢结构住宅标准体系及相关领域的研究，尽快建立健全适合我国国情的装配式钢结构法律法规及标准规范体系，为装配式钢结构住宅项目规划、设计、生产、施工等环节提供参考，提升装配式钢结构住宅技术应用水平及管理水平，使钢结构设计标准逐步与国际接轨;加快推进修订相关标准规范，促进关键技术和成套技术研究成果转化为标准规范。

结束语

本次钢–竹组合样板房的成功建造将先前的研究理论运用到实际工程，在材料选用和构造形式的基础上对构件进行制作加工，按照房屋施工方法进行现场装配。根据钢材、竹材的材料性能以及构件形式的特殊性分别设计出T形、L形、扁钢连接件，采用铺垫薄钢板的方式，解决了节点连接处应力集中现象。钢–竹组合结构的墙体、楼面板、屋面板是箱形截面，可内部添加保温材料，使建筑节能性能优越。构件之间采用半刚性连接件，既能承受弯矩作用，又能产生相对转动，可以吸收地震能量，抗震性能良好。钢–竹组合结构建筑材料选用环保竹胶板和少量薄壁型钢，施工过程采用预制生产，施工方便、速度快，居住时冬暖夏凉、能耗低，废弃后钢材可再次利用，竹材可自然降解，符合绿色建筑要求。

参考文献

[1]李远霞.建筑土木工程与可持续发展的有效整合[J].中国建筑金属结构,2021(7):68–69.

[2]杨秋旺,肖岩,吴越,等.新型钢–胶合竹组合网架的试验研究[J].南京工业大学学报(自然科学版),2016,38(5):7–12,20.

[3]黄东梅.竹/木结构民宅的生命周期评价[D].南京:南京林业大学,2012.

[4]李玉顺,张家亮,童科挺,等.钢–竹组合工字形梁界面滑移及变形分析[J].工程力学,2018,35(7):150–158,166.

[5]李玉顺,何佳伟,张家亮,等.基于梁柱节点性能的钢–竹组合框架结构地震反应分析[J].建筑科学与工程学报,2016,33(5):22–28.

[6]李玉顺,沈煌莹,单炜,等.钢–竹组合工字梁受剪性能试验研究[J].建筑结构学报,2011,32(7):80–86.