裝配式鋼-竹組合結構建筑施工工藝及工程應用

1?鋼–竹組合結構體系及工程概況鋼–竹組合構件以冷彎薄壁型鋼、竹膠板為基本材料，通過環(huán)氧樹脂膠粘結而成。冷彎薄壁型鋼是在常溫狀態(tài)下，普通薄鋼板經(jīng)過彎曲形成各種斷面形狀的成品型鋼，利用截面形狀的改變提高鋼材的利用率，具有變形小、質量輕和強度高的特點。竹膠板是以毛竹纖維、樹脂膠為原料，在高溫、高壓下，經(jīng)過一系列復雜工序壓制而成，基本克服了原竹各向異性和材質不均的缺點，具有強度大、韌性高、耐水性好的特點，并具有一定的防腐、防蟲能力。鋼–竹組合構件將兩種材料按各自力學特性組合而成，既充分發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)勢，又互補。首先薄鋼板穩(wěn)定性差，易發(fā)生屈曲現(xiàn)象，而竹板剛好可以對薄壁型鋼進行支撐加固，改善其性能，且鋼材易于加工，可根據(jù)構件截面要求配合竹膠板加工成各種形狀。如今，梁、柱、樓板、墻體等多種鋼–竹組合構件已經(jīng)研發(fā)出來，并對這一系列構件進行了承載力、變形、滑移等多方面的研究。隨著研究的深入，鋼–竹組合構件的計算理論也逐步得到發(fā)展和完善，特別是最近提出的界面滑移效應，在很大程度上提高了構件撓度變形計算的精度和可靠度。鋼–竹組合結構建筑保溫節(jié)能效果好，其圍護結構是特殊的箱形截面形式，本身具有良好的自保溫性能。此外，可根據(jù)當?shù)亟ㄖ?jié)能要求，在組合結構空腔內(nèi)添加玻璃棉、聚氨酯泡沫等材料，使其表現(xiàn)出更好的保溫性能。鋼–竹組合建筑抗震性能優(yōu)越，梁、柱節(jié)點采用鋼板與螺栓連接屬于半剛性連接形式，充分考慮了彎矩與位移之間的非線性轉角位移關系，允許節(jié)點產(chǎn)生相對變形，吸收地震作用的能量，從而提高結構安全性?；阡摠C竹組合結構體系的研究成果，建造單層框架結構樣板房，建筑面積為24?㎡，進深6.25?m、開間3.9?m，建筑高度為3.0?m，地基采用天然地基，基礎為鋼筋混凝土柱下條形基礎。本次工程的目的是在抗震意識薄弱的農(nóng)村地區(qū)推廣抗震性能優(yōu)越的鋼–竹組合結構建筑，并推動村鎮(zhèn)地區(qū)的綠色建筑發(fā)展。2?構件構造形式及規(guī)格2.1?鋼–竹組合梁、柱組合梁主要承受彎矩和剪力作用，其抗彎、抗剪性能與腹板、鋼板厚度密切相關，設計時C形鋼的厚度應不小于1.5?mm，腹板竹膠板厚度應不小于15?mm。此外腹板高度的提升對鋼–竹組合梁抗剪強度也有很大的提高，但腹板高度過大可能導致穩(wěn)定性降低，使組合梁在受力過程中發(fā)生失穩(wěn)破壞。鋼–竹組合柱是重要的受力構件，主要承受來自梁的豎向荷載，其承載力大小與材料強度和長細比有關，材料強度越大、組合柱長細比越小承載力越大，截面尺寸應根據(jù)荷載大小進行設計。鋼–竹組合工字形梁、柱是由兩塊C形冷彎薄壁型鋼和3塊竹膠板通過環(huán)氧樹脂膠粘結而成。首先對鋼板、竹板進行打磨，去除表面污漬以及鋼板鍍鋅層，然后用酒精擦拭，清除打磨后的殘留碎屑和油漬，最后用環(huán)氧樹脂膠進行粘貼。粘貼過程分兩步進行，第一步粘貼腹板處的竹膠板和冷彎薄壁型鋼，第二步粘貼翼緣處的竹膠板。為保證環(huán)氧樹脂膠粘結牢固，需采用夾具夾緊重物并加壓養(yǎng)護2?d，然后再靜置養(yǎng)護7?d，具體制作流程如圖1所示。圖1?組合梁制作流程示意樣板房工程共7根梁和6根柱，構件截面尺寸為腹板高度×翼緣寬度×腹板厚度，C形鋼按外延尺寸為腹板高度×翼緣寬度×鋼板厚度。梁、柱的規(guī)格參數(shù)見表1。表1?組合梁、柱規(guī)格參數(shù)mm2.2?鋼–竹組合樓面板與屋面板鋼–竹組合樓面板和屋面板是由中間龍骨、上下兩側竹膠板以及周圍竹條封邊組成。龍骨為C形鋼和兩側竹條構成，采用環(huán)氧樹脂膠粘結。龍骨的排布方式要沿組合板搭接方向，使荷載能沿龍骨傳遞到梁上，此組合方式能極大地提高樓板抗豎向荷載的能力。組合樓板會直接承受豎向荷載，是重要的受力構件，設計時構件截面尺寸和材料強度的選擇要充分考慮承載能力和適用性。而組合屋面板僅起到圍護作用，設計時要充分考慮保溫、防潮和防水，尤其在板與板拼接處的縫隙處理。此外，在建筑設計時屋面板要有一定坡度，以利于排水。本項目的樓面板和屋面板各由6塊相同規(guī)格的組合板拼裝完成。每塊組合板中覆面竹膠板厚度為10?mm，龍骨竹膠板厚度為20?mm，構件尺寸為寬度×長度×厚度，樓面板和屋面板規(guī)格見表2。表2?樓面板和屋面板規(guī)格mm2.3?鋼–竹組合墻體鋼–竹組合墻體的構造形式和制作方法與樓板基本一致，區(qū)別在于龍骨的形式，在風荷載、地震作用較小的地區(qū)，可不考慮墻體水平荷載，此時墻體只起到填充作用，龍骨可直接用C形鋼代替。如果考慮水平荷載作用則要按組合樓板的龍骨制作。鋼–竹組合墻體的內(nèi)部為空腔，本身具有良好的保溫性能，還可以在內(nèi)部添加保溫材料。研究表明，在厚120?mm的樓面板內(nèi)填充玻璃棉，其傳熱系數(shù)可以低于0.4?W/（㎡·k）。同時也可根據(jù)建筑使用要求在內(nèi)部添加防火、隔聲及防潮材料。墻體為矩形，長和寬根據(jù)門窗洞口尺寸確定，截面厚度為120?mm。龍骨C形鋼厚度為1?mm，其主要為分割作用，不承受荷載，故兩側無竹膠板增強，覆面竹膠板厚度為10?mm，截面兩側用竹條封口。3?構件連接與施工鋼–竹組合結構為輕型結構，構件截面尺寸相對較小，其中冷彎薄壁型鋼厚度僅為2?mm，不宜采用焊接，竹膠板厚度為10~20?mm，不宜采用木結構連接方法。且不同構件之間連接不同，方式難以統(tǒng)一，因此連接問題成為工程的難點與重點。3.1?鋼–竹組合梁、柱鋼–竹組合梁、柱之間有兩種連接方式（圖2）。（a）

（b）圖2?梁、柱連接方式示意（a）組合梁翼緣連接；（b）組合梁腹板連接連接件為2個短T形鋼，其翼緣與組合柱連接，腹板與組合梁上下翼緣連接。上、下T形鋼的腹板分別抗拉、抗壓抵抗彎矩作用，此連接方式抗彎承載力較大，但抗剪承載力不足，此外由于上部連接件的存在會降低梁的高度，適用于一層框架以及頂層樓層。連接件為一個T形鋼，其腹板與組合梁腹板連接，翼緣與組合柱連接。此形式T形鋼腹板負責抵抗剪力作用，抗剪承載力較高。T形鋼板上均設置有連接孔，用螺栓將不同構件連接固定，連接件的厚度和螺栓個數(shù)由承載力及構造要求確定。為防止螺栓對構件中薄壁型鋼產(chǎn)生擠壓破壞，同時也為增大連接部位剛度，可在連接處型鋼位置放置鋼板，增強梁、柱的整體性以及節(jié)點承載力。安裝過程：在梁、柱上分別安裝T形鋼板連接件，同時在梁上安裝與墻相連接的角鋼；將梁、柱連接，形成1榀框架結構，依此方法，完成3榀框架結構組裝；將3榀梁、柱框架結構用門式起重機安裝到位；采用臨時支撐使柱子保持垂直并固定后，安裝剩余4根梁。3.2?鋼–竹組合樓面板與屋面板本次項目為單層框架結構，為測試鋼–竹組合樓板性能，將樓板設置在一層與鋼筋混凝土基礎相連接。鋼–竹組合樓板制作時，根據(jù)構造要求，為方便連接在端部設置一定數(shù)量的連接件，連接件內(nèi)有連接孔。根據(jù)組合樓板連接孔的位置及尺寸，在鋼筋混凝土基礎中預埋多根連接桿，通過此桿將組合樓板與鋼筋混凝土基礎連接，如圖3（a）所示。鋼–竹組合屋面板與組合梁通過普通螺栓連接，在連接處標定好打孔位置，用電鉆打孔，將螺栓穿過孔洞并擰緊，如圖3（b）所示。

（a）

（b）圖3?組合板連接方式示意（a）板與基礎安裝；（b）板與梁安裝連接位置表面應鋪設薄鋼板，增加受力面積，防止螺栓擠壓造成應力集中破壞腹面竹板。此外，為增強樓板之間的整體性和加強密封性，組合樓板設計時，上覆面板應比下覆面板小0.5~1?cm，從而在對接時形成縫隙，在其中填充水泥砂漿或細石混凝土。安裝時先將組合樓板調整到指定位置，然后將鋼筋混凝土基礎上的預埋連接桿插入樓板上的連接件，由此完成6塊樓板定位安裝，最后在樓板縫隙間灌入混凝土完成組合樓板拼裝。樓面板則需要門式桁架起重機一次吊裝到位，標定好安裝位置后，用鉆機打穿屋面板和梁翼緣，用螺栓固定。3.3?鋼–竹組合墻體鋼–竹組合墻體連接包括墻體與樓板連接以及墻體之間的連接，所用連接件分別為角鋼和扁鋼，兩者厚度均應不小于10?mm。螺栓孔位置依據(jù)組合構件確定，孔洞直徑不宜小于16?mm，且間距應不大于300?mm，宜不小于100?mm。墻體與樓板連接分3步：（1）采用臨時支撐固定組合墻體，確保其四角垂直；（2）將不等邊角鋼的短邊沿內(nèi)墻面放置，長邊沿樓板上、下表面放置；（3）用螺栓將樓板和墻板連接，形成鋼–竹組合墻板體系。為防止螺栓擠壓形成應力集中，造成局部受壓破壞，螺栓應設置在組合板的龍骨部位。墻體之間連接時，在兩塊需要拼接的組合墻體邊緣龍骨處分別打螺栓孔，打孔位置沿同一高度對稱分布。在墻體兩側放置尺寸規(guī)格相同的扁鋼，寬度一般大于高度。每塊扁鋼上應設置兩個螺栓孔，螺桿穿過扁鋼和墻體，擰緊螺栓完成連接。沿一個墻體高度，扁鋼數(shù)量為1~3塊。工程實踐表明，墻體應設置同一規(guī)格尺寸的扁鋼，以保證受力均勻，施工方便，外形美觀。安裝過程中螺栓作為工程中唯一的連接方式，需重視其在鋼–竹組合結構施工技術中的重要性。螺栓間距和邊緣距離應符合規(guī)范規(guī)定，且不存在欠擰和超擰現(xiàn)象。4?結束語本次鋼–竹組合樣板房的成功建造將先前的研究理論運用到實際工程，在材料選用和構造形式的基礎上對構件進行制作加工，按照房屋施工方法進行現(xiàn)場裝配。根據(jù)鋼材、竹材的材料性能以及構件形式的特殊性分別設計出T形、L形、扁鋼連接件，采用鋪墊薄