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    新型裝配式鋼節點混合框架結構及配套體系關鍵技術研究與應用

    新型裝配式鋼節點混合框架結構及配套體系關鍵技術研究與應用

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    2024年3月,中國混凝土與水泥制品協會組織召開了“新型裝配式鋼節點混合框架結構及配套體系關鍵技術研究與應用”科技成果鑒定會。鑒定委員會專家們認為,本項目形成了具有自主知識產權的成套關鍵技術,成果總體達到國際先進水平,具有廣闊的應用前景。


    一、立項背景


    自2016年以來,我國開始大力推進城鄉建設綠色和低碳循環發展,建筑市場生產方式的新轉變、資源環境和生產要素的制約以及用工荒等問題的出現,亟需傳統建筑業轉型升級。裝配式建筑具有提升建筑質量和建設效率、節約資源和減少環境污染等優勢,已成為我國建筑業發展與改革的重要舉措。近幾年國家和各級地方政府陸續發布了大力發展裝配式建筑的政策文件和相關技術標準,裝配式建筑得到了大規模的示范和應用。裝配式混凝土建筑以其成本合理、取材便捷等優勢,占據著主要市場份額。


    其中裝配式混凝土框架結構由于傳力路徑明確、裝配效率高、適用場景多,成為現階段應用最廣泛的裝配式結構體系之一。雖然該類結構經歷了不斷的技術發展與提升,但仍存在一些問題。


    二、研究內容


    為解決相關問題,本項目從框架結構體系、設計方法、配套預制樓(屋面)板、配套內外墻板四個層面進行全面系統的研究和創新,提出了新型裝配式鋼節點混合框架結構體系,形成了相應的設計方法,開發了免支撐、免模板、免吊頂的配套預制樓(屋面)板體系,研發出集多功能一體化、綠色節能的配套內外墻板,以促進裝配式混凝土建筑的廣泛應用。


    1.新型裝配式鋼節點混合框架結構體系的研發

    在傳統混凝土框架結構的基礎上,將預制混凝土構件與鋼結構連接節點進行有機結合,研發了一套適用范圍較廣的新型裝配式鋼節點混合框架結構體系。與傳統裝配式混凝土框架結構體系相比,該體系可避免現場濕作業,實現梁、柱構件干式連接和免支撐施工,經測算主體結構施工周期縮短約25%,成本降低約17%。與鋼框架結構體系相比,該體系僅需節點局部防腐防火,結構耐久性更好,且構件成本低、經濟優勢明顯,經測算主體結構施工速度相當,建造成本降低約25%。主要工作成果如下:


    ①開發了兩端設鋼連接件的新型預制混合梁構件和分別設柱底、柱頂鋼連接件的新型預制混合柱構件。


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    預制混合梁


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    預制混合柱



    ②研發了預制混合梁、柱干式鋼連接節點技術,與新型預制構件技術相結合,形成了采用“預制混凝土構件+鋼連接節點”模式的裝配式混合框架結構休系。


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    混合框架結構連接節點示意



    ③基于新型預制混合梁、柱構件和干式鋼連接節點構造,研究總結了預制混合梁、柱構件的免支撐施工工藝技術和配套施工驗算方法。


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    預制混合梁、柱構件免支撐施工照片


    2.裝配式鋼節點混合框架結構體系設計方法研究


    本項目在確定體系構造的基礎上,重點對梁-柱節點、柱-柱節點的抗震性能進行了理論分析和試驗研究,基于研究和工程實踐,提出了裝配式鋼節點混合框架結構體系設計方法,包括結構分析方法、構件設計方法和連接節點設計方法等。具體工作內容及成果如下:


    ①對混合框架梁-柱節點、柱-柱節點開展了數值模擬,主要根據模型破壞模式分析了不同形式節點構造的可行性和合理性。在此基礎上,對擬采用的節點構造開展了抗震性能試驗研究,分析了不同構造試件的承載能力、變形能力、剛度、延性及耗能能力等指標,揭示了新型鋼連接節點的傳力機制和結構破壞模式,明確了連接節點以及節點與梁、柱構件之間的細部構造。



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    柱-柱節點有限元模擬


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    柱-柱節點擬靜力試驗


    ②基于結構抗震概念設計和混合結構系統思維,結合試驗研究和理論分析,推導建立了系統的鋼連接節點和混合梁、柱構件的抗震設計方法。依托實際工程,針對混合框架結構提出了采用傳統設計軟件的彈性及彈塑性實用分析方法。


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    混合框架實用結構分析方法




    3.免支撐或少支撐、免模板免吊頂的配套預制樓(屋面)板體系開發


    為配套具有免支撐優勢的混合框架結構,開發了3類新型預制樓(屋面)板,分別為:免拆底模鋼筋桁架樓承板、可拆底模鋼筋桁架樓承板和預應力混凝土鋼筋桁架疊合板。


    ①免拆底模鋼筋桁架樓承板

    本項目研發的免拆底模鋼筋桁架樓承板,是將傳統水泥纖維板底模改為高性能混凝土底模,通過工廠埋置一次成型將鋼筋桁架與底模連接成整體,現場澆筑混凝土形成的一種新型組合樓板。


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    高性能混凝土免拆底模鋼筋桁架樓承板


    ②可拆底模鋼筋桁架樓承板


    該類樓承板是將鋼筋桁架和可拆底模(竹木膠合板、鋁合金板)通過專用連接件連接形成一種底??刹鹦兜男滦蜆前?,在施工階段由鋼筋桁架承擔施工荷載,混凝土達到要求強度后拆除底模完成樓板施工。


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    可拆底模鋼筋桁架樓承板構造


    ③預應力混凝土鋼筋桁架疊合板的開發

    本項目研發的預應力混凝土鋼筋桁架疊合板,除在預制底板內設置預應力筋以外,還將鋼筋桁架上弦桿采用直徑14mm~16mm的粗鋼筋,不僅進一步提高了預制底板剛度,使得底板厚度僅為40mm,跨度3m以內能實現施工免支撐,適用跨度最大可到9m;預應力鋼筋采用板端不出筋技術,安裝時設置板端附加連接鋼筋,便于現場安裝;預制底板內除桁架方向的預應力筋以外,還設有橫向受力鋼筋,由于底板拼縫為密拼接縫,接縫處設置附加連接鋼筋即可,無需通長配置。



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    預應力混凝土鋼筋桁架疊合板


    ④混合框架結構體系的配套樓板研究

    針對上述3類新型預制樓(屋面)板與混合框架結構的支座進行了節點構造優化,同時為適應不同建筑類別和不同樓板跨度,給出了混合框架結構體系的配套樓板優選方案。


    表1. 混合框架結構體系的配套樓板優選方案

    預制樓板類型


    技術特點

    適用

    建筑類別

    適用

    樓板跨度

    免拆底模鋼筋桁架樓承板

    底模免拆

    免模板免吊頂

    居住建筑

    ≤5m

    可拆底模鋼筋桁架樓承板

    底??刹?/p>

    免模板免吊頂

    公共建筑(樓板中小跨度)

    ≤6m

    預應力混凝土鋼筋桁架疊合板

    剛度大、抗裂好

    少支撐施工跨度大

    公共建筑(樓板較大跨度)

    6~9m


    4.集多功能一體化、綠色節能的配套內外墻板研發


    研發了3種集多功能一體化、綠色節能的配套內外墻板體系,分別為蒸壓加氣混凝土保溫裝飾復合外墻板、鋼絲網架夾心泡沫混凝土外墻板和裝配式自裝飾分體式隔墻板。


    蒸壓加氣混凝土保溫裝飾復合外墻板和鋼絲網架夾心泡沫混凝土外墻板體系,集保溫、隔熱、防火、防水、耐候、裝飾等多功能一體化,并在工廠整體預制成型,無需現場組裝。250mm厚墻板傳熱系數低于0.35[W/(m2·K)],供暖空調能耗比我國建筑節能標準降低10%,實現了外圍護系統低能耗的高性能指標;墻體材料中消納石粉、爐渣、沙子、建筑垃圾等固體廢棄物的綜合配比達50%以上,均為可循環利用的綠色建材,實現了節材的高性能指標。


    裝配式自裝飾分體式隔墻板體系,墻體內部空腔可用于布置管線,實現了墻體與管線、裝修一體化以及管線分離;200mm厚裝配式自裝飾分體式隔墻板的空氣聲計權隔聲量可達50dB,滿足高性能住宅分戶墻隔聲指標要求;墻體材料以硅砂為主,可實現節材的高性能指標,綜合性能達到隔墻綠色建材三星級指標要求。



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    蒸壓加氣混凝土保溫裝飾復合外墻板

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    鋼絲網架夾心泡沫混凝土外墻板

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    裝配式分體式隔墻板性能研究



    三、關鍵技術和創新點


    1.發明了鋼節點混合框架連接技術,提出了裝配式鋼節點混合框架的抗震設計方法,形成了新型裝配式鋼節點混合框架結構技術體系。

    2.研發了適用于裝配式鋼節點混合框架結構體系的預應力混凝土鋼筋桁架疊合板,實現了樓蓋體系免支撐或少支撐快速施工。

    3.研發了蒸壓加氣混凝土保溫裝飾復合外墻板和鋼絲網架夾心泡沫混凝土外墻板,形成了多功能一體化、綠色節能的配套外圍護體系。

    4.基于新型裝配式鋼節點混合框架結構及配套體系,建設了混合框架構件、預應力混凝土鋼筋桁架疊合板生產線,實現了構件的自動化生產和高效裝配。


    四、作用意義


    隨著我國雙碳戰略快速推進,具有智能建造特征的新型建筑工業化成為社會發展的重大需求,其中節點干式連接、構件施工免支撐免模板以及墻板多功能一體化是實現新型建筑工業化的重要途徑,對于推動建筑行業綠色低碳發展、節約資源、節能減排具有重要意義。通過該項目的實施,進一步推動了裝配程度高、施工速度快、綜合性能優異、經濟適用的新型裝配式框架結構及配套體系的應用,社會效益顯著。


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    山東淄博產業園工程現場


    項目完成單位在山東多個項目中成功應用,總應用面積115.1萬平方米。具有良好的經濟效益。



    (責任編輯:何雯麗)



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    [責任編輯:Susan]

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