新型裝配式鋼節(jié)點混合框架結(jié)構(gòu)及配套體系關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用
時間：2024-03-31 來源：CCPA科技工作部 分享：
本項目從框架結(jié)構(gòu)體系、設(shè)計方法、配套預(yù)制樓（屋面）板、配套內(nèi)外墻板四個層面進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究和創(chuàng)新，提出了新型裝配式鋼節(jié)點混合框架結(jié)構(gòu)體系，形成了相應(yīng)的設(shè)計方法，開發(fā)了免支撐、免模板、免吊頂?shù)呐涮最A(yù)制樓（屋面）板體系，研發(fā)出集多功能一體化、綠色節(jié)能的配套內(nèi)外墻板，以促進(jìn)裝配式混凝土建筑的廣泛應(yīng)用。
2024年3月19日，中國混凝土與水泥制品協(xié)會組織召開了由中建研科技股份有限公司、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中心、山東盛工綠筑科技有限公司、濱州市宏基建材有限公司、北京城鄉(xiāng)建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司、蘇州柯利達(dá)裝飾股份有限公司、北京和創(chuàng)云筑科技有限公司完成的“新型裝配式鋼節(jié)點混合框架結(jié)構(gòu)及配套體系關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”科技成果鑒定會。鑒定委員會專家們認(rèn)為，本項目形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的成套關(guān)鍵技術(shù)，成果總體達(dá)到國際先進(jìn)水平，具有廣闊的應(yīng)用前景。
一、立項背景
自2016年以來，我國開始大力推進(jìn)城鄉(xiāng)建設(shè)綠色和低碳循環(huán)發(fā)展，建筑市場生產(chǎn)方式的新轉(zhuǎn)變、資源環(huán)境和生產(chǎn)要素的制約以及用工荒等問題的出現(xiàn)，亟需傳統(tǒng)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級。裝配式建筑具有提升建筑質(zhì)量和建設(shè)效率、節(jié)約資源和減少環(huán)境污染等優(yōu)勢，已成為我國建筑業(yè)發(fā)展與改革的重要舉措。近幾年國家和各級地方政府陸續(xù)發(fā)布了大力發(fā)展裝配式建筑的政策文件和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，裝配式建筑得到了大規(guī)模的示范和應(yīng)用。裝配式混凝土建筑以其成本合理、取材便捷等優(yōu)勢，占據(jù)著主要市場份額。
其中裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)由于傳力路徑明確、裝配效率高、適用場景多，成為現(xiàn)階段應(yīng)用最廣泛的裝配式結(jié)構(gòu)體系之一。雖然該類結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了不斷的技術(shù)發(fā)展與提升，但仍存在一系列問題：梁-柱、柱-柱節(jié)點大多采用連接預(yù)制構(gòu)件受力鋼筋與后澆混凝土相結(jié)合的濕式連接，現(xiàn)場施工仍有不少濕作業(yè)，同時預(yù)制梁、柱構(gòu)件的施工普遍無法做到免支撐，導(dǎo)致施工效率低下，建造工業(yè)化程度不高；為了滿足現(xiàn)有規(guī)范要求往往按照“等同現(xiàn)澆”的原則實現(xiàn)延性設(shè)計，其設(shè)計方法不適用于新型連接節(jié)點以及新型框架結(jié)構(gòu)，并且鋼材與混凝土材料的混合應(yīng)用在裝配式框架結(jié)構(gòu)中較少，相關(guān)設(shè)計方法空白；多數(shù)仍采用普通疊合樓（屋面）板體系，其施工與現(xiàn)澆樓（屋面）板一樣需要設(shè)置大量臨時支撐，另外疊合板拼縫處仍需設(shè)置模板，造成人工和材料的浪費；配套外圍護(hù)墻、內(nèi)隔墻功能過于單一，外墻板不能兼具保溫、防火、裝飾等多功能，內(nèi)墻板無法實現(xiàn)墻體與管線、裝修一體化以及管線分離。即使采用了非砌筑方式，墻板在工廠的整體成型度不高，尚需現(xiàn)場組裝，并且墻板能耗往往也偏高。
二、研究內(nèi)容
為解決上述問題，本項目從框架結(jié)構(gòu)體系、設(shè)計方法、配套預(yù)制樓（屋面）板、配套內(nèi)外墻板四個層面進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究和創(chuàng)新，提出了新型裝配式鋼節(jié)點混合框架結(jié)構(gòu)體系，形成了相應(yīng)的設(shè)計方法，開發(fā)了免支撐、免模板、免吊頂?shù)呐涮最A(yù)制樓（屋面）板體系，研發(fā)出集多功能一體化、綠色節(jié)能的配套內(nèi)外墻板，以促進(jìn)裝配式混凝土建筑的廣泛應(yīng)用。
1.新型裝配式鋼節(jié)點混合框架結(jié)構(gòu)體系的研發(fā)
在傳統(tǒng)混凝土框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將預(yù)制混凝土構(gòu)件與鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點進(jìn)行有機結(jié)合，研發(fā)了一套適用范圍較廣的新型裝配式鋼節(jié)點混合框架結(jié)構(gòu)體系。與傳統(tǒng)裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)體系相比，該體系可避免現(xiàn)場濕作業(yè)，實現(xiàn)梁、柱構(gòu)件干式連接和免支撐施工，經(jīng)測算主體結(jié)構(gòu)施工周期縮短約25%，成本降低約17%。與鋼框架結(jié)構(gòu)體系相比，該體系僅需節(jié)點局部防腐防火，結(jié)構(gòu)耐久性更好，且構(gòu)件成本低、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢明顯，經(jīng)測算主體結(jié)構(gòu)施工速度相當(dāng)，建造成本降低約25%。主要工作成果如下：
①開發(fā)了兩端設(shè)鋼連接件的新型預(yù)制混合梁構(gòu)件和分別設(shè)柱底、柱頂鋼連接件的新型預(yù)制混合柱構(gòu)件。預(yù)制混合梁
預(yù)制混合柱
②研發(fā)了預(yù)制混合梁、柱干式鋼連接節(jié)點技術(shù)，與新型預(yù)制構(gòu)件技術(shù)相結(jié)合，形成了采用“預(yù)制混凝土構(gòu)件+鋼連接節(jié)點”模式的裝配式混合框架結(jié)構(gòu)休系。
混合框架結(jié)構(gòu)連接節(jié)點示意
③基于新型預(yù)制混合梁、柱構(gòu)件和干式鋼連接節(jié)點構(gòu)造，研究總結(jié)了預(yù)制混合梁、柱構(gòu)件的免支撐施工工藝技術(shù)和配套施工驗算方法。預(yù)制混合梁、柱構(gòu)件免支撐施工照片
2.裝配式鋼節(jié)點混合框架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計方法研究
本項目在確定體系構(gòu)造的基礎(chǔ)上，重點對梁-柱節(jié)點、柱-柱節(jié)點的抗震性能進(jìn)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(jié)點混合框架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計方法，包括結(jié)構(gòu)分析方法、構(gòu)件設(shè)計方法和連接節(jié)點設(shè)計方法等。具體工作內(nèi)容及成果如下：
①對混合框架梁-柱節(jié)點、柱-柱節(jié)點開展了數(shù)值模擬，主要根據(jù)模型破壞模式分析了不同形式節(jié)點構(gòu)造的可行性和合理性。在此基礎(chǔ)上，對擬采用的節(jié)點構(gòu)造開展了抗震性能試驗研究，分析了不同構(gòu)造試件的承載能力、變形能力、剛度、延性及耗能能力等指標(biāo)，揭示了新型鋼連接節(jié)點的傳力機制和結(jié)構(gòu)破壞模式，明確了連接節(jié)點以及節(jié)點與梁、柱構(gòu)件之間的細(xì)部構(gòu)造。
柱-柱節(jié)點有限元模擬
柱-柱節(jié)點擬靜力試驗
②基于結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計和混合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)思維，結(jié)合試驗研究和理論分析，推導(dǎo)建立了系統(tǒng)的鋼連接節(jié)點和混合梁、柱構(gòu)件的抗震設(shè)計方法。依托實際工程，針對混合框架結(jié)構(gòu)提出了采用傳統(tǒng)設(shè)計軟件的彈性及彈塑性實用分析方法。
混合框架實用結(jié)構(gòu)分析方法
3.免支撐或少支撐、免模板免吊頂?shù)呐涮最A(yù)制樓（屋面）板體系開發(fā)
為配套具有免支撐優(yōu)勢的混合框架結(jié)構(gòu)，開發(fā)了3類新型預(yù)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(yù)應(yīng)力混凝土鋼筋桁架疊合板。
本項目研發(fā)的免拆底模鋼筋桁架樓承板，是將傳統(tǒng)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(xiàn)場澆筑混凝土形成的一種新型組合樓板。
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模可拆卸的新型樓板，在施工階段由鋼筋桁架承擔(dān)施工荷載，混凝土達(dá)到要求強度后拆除底模完成樓板施工。可拆底模鋼筋桁架樓承板構(gòu)造
③預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筋桁架疊合板的開發(fā)
本項目研發(fā)的預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筋桁架疊合板，除在預(yù)制底板內(nèi)設(shè)置預(yù)應(yīng)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(jìn)一步提高了預(yù)制底板剛度，使得底板厚度僅為40mm，跨度3m以內(nèi)能實現(xiàn)施工免支撐，適用跨度最大可到9m；預(yù)應(yīng)力鋼筋采用板端不出筋技術(shù)，安裝時設(shè)置板端附加連接鋼筋，便于現(xiàn)場安裝；預(yù)制底板內(nèi)除桁架方向的預(yù)應(yīng)力筋以外，還設(shè)有橫向受力鋼筋，由于底板拼縫為密拼接縫，接縫處設(shè)置附加連接鋼筋即可，無需通長配置。
④混合框架結(jié)構(gòu)體系的配套樓板研究
針對上述3類新型預(yù)制樓（屋面）板與混合框架結(jié)構(gòu)的支座進(jìn)行了節(jié)點構(gòu)造優(yōu)化，同時為適應(yīng)不同建筑類別和不同樓板跨度，給出了混合框架結(jié)構(gòu)體系的配套樓板優(yōu)選方案。
表1. 混合框架結(jié)構(gòu)體系的配套樓板優(yōu)選方案預(yù)制樓板類型 | 技術(shù)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 | 底模可拆 免模板免吊頂 | 公共建筑（樓板中小跨度） | ≤6m |
預(yù)應(yīng)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(jié)能的配套內(nèi)外墻板研發(fā)研發(fā)了3種集多功能一體化、綠色節(jié)能的配套內(nèi)外墻板體系，分別為蒸壓加氣混凝土保溫裝飾復(fù)合外墻板、鋼絲網(wǎng)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(fù)合外墻板和鋼絲網(wǎng)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(yù)制成型，無需現(xiàn)場組裝。250mm厚墻板傳熱系數(shù)低于0.35[W/(m2·K)]，供暖空調(diào)能耗比我國建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)降低10%，實現(xiàn)了外圍護(hù)系統(tǒng)低能耗的高性能指標(biāo)；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(dá)50%以上，均為可循環(huán)利用的綠色建材，實現(xiàn)了節(jié)材的高性能指標(biāo)。
裝配式自裝飾分體式隔墻板體系，墻體內(nèi)部空腔可用于布置管線，實現(xiàn)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(quán)隔聲量可達(dá)50dB，滿足高性能住宅分戶墻隔聲指標(biāo)要求；墻體材料以硅砂為主，可實現(xiàn)節(jié)材的高性能指標(biāo)，綜合性能達(dá)到隔墻綠色建材三星級指標(biāo)要求。
裝配式分體式隔墻板性能研究三、關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點
1.發(fā)明了鋼節(jié)點混合框架連接技術(shù)，提出了裝配式鋼節(jié)點混合框架的抗震設(shè)計方法，形成了新型裝配式鋼節(jié)點混合框架結(jié)構(gòu)技術(shù)體系。
2.研發(fā)了適用于裝配式鋼節(jié)點混合框架結(jié)構(gòu)體系的預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筋桁架疊合板，實現(xiàn)了樓蓋體系免支撐或少支撐快速施工。
3.研發(fā)了蒸壓加氣混凝土保溫裝飾復(fù)合外墻板和鋼絲網(wǎng)架夾心泡沫混凝土外墻板，形成了多功能一體化、綠色節(jié)能的配套外圍護(hù)體系。
4.基于新型裝配式鋼節(jié)點混合框架結(jié)構(gòu)及配套體系，建設(shè)了混合框架構(gòu)件、預(yù)應(yīng)力混凝土鋼筋桁架疊合板生產(chǎn)線，實現(xiàn)了構(gòu)件的自動化生產(chǎn)和高效裝配。
四、作用意義
隨著我國雙碳戰(zhàn)略快速推進(jìn)，具有智能建造特征的新型建筑工業(yè)化成為社會發(fā)展的重大需求，其中節(jié)點干式連接、構(gòu)件施工免支撐免模板以及墻板多功能一體化是實現(xiàn)新型建筑工業(yè)化的重要途徑，對于推動建筑行業(yè)綠色低碳發(fā)展、節(jié)約資源、節(jié)能減排具有重要意義。通過該項目的實施，進(jìn)一步推動了裝配程度高、施工速度快、綜合性能優(yōu)異、經(jīng)濟(jì)適用的新型裝配式框架結(jié)構(gòu)及配套體系的應(yīng)用，社會效益顯著。山東淄博周村區(qū)新材料產(chǎn)業(yè)園工程現(xiàn)場
項目完成單位近三年新增合同額65580萬元、新增利潤7870萬元；在山東淄博周村區(qū)新材料產(chǎn)業(yè)園、山東東營國科數(shù)智產(chǎn)業(yè)港、海口市國際免稅城、北京通州區(qū)丁各莊公租房及北京瀛海鎮(zhèn)區(qū)級統(tǒng)籌租賃住房等項目中成功應(yīng)用，總應(yīng)用面積115.1萬平方米。具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。
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