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岩土研究院

新型装配式钢节点混合框架结构及配套体系关键技术研究与应用

21 2024-04-18 08:41:34

2024年3月19日,中国混凝土与水泥制品协会组织召开了由中建研科技股份有限公司、住房和城乡建设部科技与产业化发展中心、山东盛工绿筑科技有限公司、滨州市宏基建材有限公司、北京城乡建设集团有限责任公司、苏州柯利达装饰股份有限公司、北京和创云筑科技有限公司完成的“新型装配式钢节点混合框架结构及配套体系关键技术研究与应用”科技成果鉴定会。鉴定委员会专家们认为,本项目形成了具有自主知识产权的成套关键技术,成果总体达到国际先进水平,具有广阔的应用前景。

0、立项背景

2016年以来,我国开始大力推进城乡建设绿色和低碳循环发展,建筑市场生产方式的新转变、资源环境和生产要素的制约以及用工荒等问题的出现,亟需传统建筑业转型升级。装配式建筑具有提升建筑质量和建设效率、节约资源和减少环境污染等优势,已成为我国建筑业发展与改革的重要举措。近几年国家和各级地方政府陆续发布了大力发展装配式建筑的政策文件和相关技术标准,装配式建筑得到了大规模的示范和应用。装配式混凝土建筑以其成本合理、取材便捷等优势,占据着主要市场份额。

其中装配式混凝土框架结构由于传力路径明确、装配效率高、适用场景多,成为现阶段应用最广泛的装配式结构体系之一。虽然该类结构经历了不断的技术发展与提升,但仍存在一系列问题:梁-柱、柱-柱节点大多采用连接预制构件受力钢筋与后浇混凝土相结合的湿式连接,现场施工仍有不少湿作业,同时预制梁、柱构件的施工普遍无法做到免支撑,导致施工效率低下,建造工业化程度不高;为了满足现有规范要求往往按照“等同现浇”的原则实现延性设计,其设计方法不适用于新型连接节点以及新型框架结构,并且钢材与混凝土材料的混合应用在装配式框架结构中较少,相关设计方法空白;多数仍采用普通叠合楼(屋面)板体系,其施工与现浇楼(屋面)板一样需要设置大量临时支撑,另外叠合板拼缝处仍需设置模板,造成人工和材料的浪费;配套外围护墙、内隔墙功能过于单一,外墙板不能兼具保温、防火、装饰等多功能,内墙板无法实现墙体与管线、装修一体化以及管线分离。即使采用了非砌筑方式,墙板在工厂的整体成型度不高,尚需现场组装,并且墙板能耗往往也偏高。

1、研究内容

为解决上述问题,本项目从框架结构体系、设计方法、配套预制楼(屋面)板、配套内外墙板四个层面进行全面系统的研究和创新,提出了新型装配式钢节点混合框架结构体系,形成了相应的设计方法,开发了免支撑、免模板、免吊顶的配套预制楼(屋面)板体系,研发出集多功能一体化、绿色节能的配套内外墙板,以促进装配式混凝土建筑的广泛应用。

1.新型装配式钢节点混合框架结构体系的研发

在传统混凝土框架结构的基础上,将预制混凝土构件与钢结构连接节点进行有机结合,研发了一套适用范围较广的新型装配式钢节点混合框架结构体系。与传统装配式混凝土框架结构体系相比,该体系可避免现场湿作业,实现梁、柱构件干式连接和免支撑施工,经测算主体结构施工周期缩短约25%,成本降低约17%。与钢框架结构体系相比,该体系仅需节点局部防腐防火,结构耐久性更好,且构件成本低、经济优势明显,经测算主体结构施工速度相当,建造成本降低约25%。主要工作成果如下:

①开发了两端设钢连接件的新型预制混合梁构件和分别设柱底、柱顶钢连接件的新型预制混合柱构件。

 

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预制混合梁

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预制混合柱

②研发了预制混合梁、柱干式钢连接节点技术,与新型预制构件技术相结合,形成了采用“预制混凝土构件+钢连接节点”模式的装配式混合框架结构休系。

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混合框架结构连接节点示意

③基于新型预制混合梁、柱构件和干式钢连接节点构造,研究总结了预制混合梁、柱构件的免支撑施工工艺技术和配套施工验算方法。

  

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预制混合梁、柱构件免支撑施工照片

2.装配式钢节点混合框架结构体系设计方法研究

本项目在确定体系构造的基础上,重点对梁-柱节点、柱-柱节点的抗震性能进行了理论分析和试验研究,基于研究和工程实践,提出了装配式钢节点混合框架结构体系设计方法,包括结构分析方法、构件设计方法和连接节点设计方法等。具体工作内容及成果如下:

①对混合框架梁-柱节点、柱-柱节点开展了数值模拟,主要根据模型破坏模式分析了不同形式节点构造的可行性和合理性。在此基础上,对拟采用的节点构造开展了抗震性能试验研究,分析了不同构造试件的承载能力、变形能力、刚度、延性及耗能能力等指标,揭示了新型钢连接节点的传力机制和结构破坏模式,明确了连接节点以及节点与梁、柱构件之间的细部构造。

 

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-柱节点有限元模拟

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-柱节点拟静力试验

 

②基于结构抗震概念设计和混合结构系统思维,结合试验研究和理论分析,推导建立了系统的钢连接节点和混合梁、柱构件的抗震设计方法。依托实际工程,针对混合框架结构提出了采用传统设计软件的弹性及弹塑性实用分析方法。

 

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混合框架实用结构分析方法

 

3.免支撑或少支撑、免模板免吊顶的配套预制楼(屋面)板体系开发

为配套具有免支撑优势的混合框架结构,开发了3类新型预制楼(屋面)板,分别为:免拆底模钢筋桁架楼承板、可拆底模钢筋桁架楼承板和预应力混凝土钢筋桁架叠合板。

①免拆底模钢筋桁架楼承板

本项目研发的免拆底模钢筋桁架楼承板,是将传统水泥纤维板底模改为高性能混凝土底模,通过工厂埋置一次成型将钢筋桁架与底模连接成整体,现场浇筑混凝土形成的一种新型组合楼板。

 

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高性能混凝土免拆底模钢筋桁架楼承板

②可拆底模钢筋桁架楼承板

该类楼承板是将钢筋桁架和可拆底模(竹木胶合板、铝合金板)通过专用连接件连接形成一种底模可拆卸的新型楼板,在施工阶段由钢筋桁架承担施工荷载,混凝土达到要求强度后拆除底模完成楼板施工。

 

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可拆底模钢筋桁架楼承板构造

③预应力混凝土钢筋桁架叠合板的开发

本项目研发的预应力混凝土钢筋桁架叠合板,除在预制底板内设置预应力筋以外,还将钢筋桁架上弦杆采用直径14mm~16mm的粗钢筋,不仅进一步提高了预制底板刚度,使得底板厚度仅为40mm,跨度3m以内能实现施工免支撑,适用跨度最大可到9m;预应力钢筋采用板端不出筋技术,安装时设置板端附加连接钢筋,便于现场安装;预制底板内除桁架方向的预应力筋以外,还设有横向受力钢筋,由于底板拼缝为密拼接缝,接缝处设置附加连接钢筋即可,无需通长配置。

 

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预应力混凝土钢筋桁架叠合板

 

④混合框架结构体系的配套楼板研究

针对上述3类新型预制楼(屋面)板与混合框架结构的支座进行了节点构造优化,同时为适应不同建筑类别和不同楼板跨度,给出了混合框架结构体系的配套楼板优选方案。

1. 混合框架结构体系的配套楼板优选方案

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4.集多功能一体化、绿色节能的配套内外墙板研发

研发了3种集多功能一体化、绿色节能的配套内外墙板体系,分别为蒸压加气混凝土保温装饰复合外墙板、钢丝网架夹心泡沫混凝土外墙板和装配式自装饰分体式隔墙板。

 

蒸压加气混凝土保温装饰复合外墙板和钢丝网架夹心泡沫混凝土外墙板体系,集保温、隔热、防火、防水、耐候、装饰等多功能一体化,并在工厂整体预制成型,无需现场组装。250mm厚墙板传热系数低于0.35[W/(m2·K)],供暖空调能耗比我国建筑节能标准降低10%,实现了外围护系统低能耗的高性能指标;墙体材料中消纳石粉、炉渣、沙子、建筑垃圾等固体废弃物的综合配比达50%以上,均为可循环利用的绿色建材,实现了节材的高性能指标。

装配式自装饰分体式隔墙板体系,墙体内部空腔可用于布置管线,实现了墙体与管线、装修一体化以及管线分离;200mm厚装配式自装饰分体式隔墙板的空气声计权隔声量可达50dB,满足高性能住宅分户墙隔声指标要求;墙体材料以硅砂为主,可实现节材的高性能指标,综合性能达到隔墙绿色建材三星级指标要求。

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蒸压加气混凝土保温装饰复合外墙板

 

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钢丝网架夹心泡沫混凝土外墙板

 

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装配式分体式隔墙板性能研究

 

3、关键技术和创新点

(1) 发明了钢节点混合框架连接技术,提出了装配式钢节点混合框架的抗震设计方法,形成了新型装配式钢节点混合框架结构技术体系。

(2) 研发了适用于装配式钢节点混合框架结构体系的预应力混凝土钢筋桁架叠合板,实现了楼盖体系免支撑或少支撑快速施工。

(3) 研发了蒸压加气混凝土保温装饰复合外墙板和钢丝网架夹心泡沫混凝土外墙板,形成了多功能一体化、绿色节能的配套外围护体系。

(4) 基于新型装配式钢节点混合框架结构及配套体系,建设了混合框架构件、预应力混凝土钢筋桁架叠合板生产线,实现了构件的自动化生产和高效装配。

 

4、作用意义

随着我国双碳战略快速推进,具有智能建造特征的新型建筑工业化成为社会发展的重大需求,其中节点干式连接、构件施工免支撑免模板以及墙板多功能一体化是实现新型建筑工业化的重要途径,对于推动建筑行业绿色低碳发展、节约资源、节能减排具有重要意义。通过该项目的实施,进一步推动了装配程度高、施工速度快、综合性能优异、经济适用的新型装配式框架结构及配套体系的应用,社会效益显著。

 

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山东淄博周村区新材料产业园工程现场


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