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轻型木结构构件的共同作用为荷载的传递提供了多种途径,特别是民用住宅钢结构建筑外墙设计

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 轻型木结构房屋是一种结构框架体系,主要是有木构架墙体、木楼盖和木屋盖构成的结构体系,可以承担并传递作用于结构上的各类荷载。

随着国内钢结构工业建筑和钢结构商业建筑的迅速发展,目前钢结构住宅建筑也在逐步推广。钢结构住宅建筑仍有许多亟待改善与解决的问题,特别是民用住宅钢结构建筑外墙设计,外墙形式多样,但优缺各自突显。本文提出一种新型钢梁与混凝土墙板之梁墙一体围护预制构件单元设计,相对传统做法、减小了墙体厚度,减小室内凸梁,节约空间;且钢梁免喷涂防火涂料、楼层板间免后防火层间封塞作业,减少施工安装工序,是一种较为经济、连接可靠、具耐久性及良好建筑围护性能的围护预制构件。尤其适用于高层钢结构住宅建筑,通过对新型预制钢梁与混凝土墙板之梁墙一体构件单元与钢柱组成的框架进行有限元模拟比较分析,框架单元内力分配趋势分析,确定其结构适用性。

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1钢结构建筑外墙类型介绍

   
木结构房屋的基础通常为混凝土基础,然后将由木材和覆面板制成的楼盖锚固在基础上。这为墙体框架的建造提供了工作平台,墙体框架也是由木材和覆面板组成。每个墙肢相互连接,同时与楼盖也连接在一起,连接后的墙肢在其顶部再用规格材连接固定,这样一层墙体就形成了。

建筑外墙,如同外衣,需要满足防寒隔热、挡风遮雨、隔音防噪、防火的基本建筑功能,
也要满足美观和谐的景观功能,保证可靠的安全结构性能。不同于普通外衣可常更换,建筑体外墙板皮一穿就是几十年,特别是高层建筑,外墙设计希望与建筑体有可靠连接,其耐久性能宜与建筑使用周期相同。

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外墙作为承重构件,支承上部楼层及屋面时,墙体多采用较为密实的砌块墙体或混凝土浇筑墙体。作为围护构件的外墙体可选用的材料更为灵活多样化,但主要倾向选择轻质材料作为外围护墙板材料,如选用轻质砌块填充墙体、金属墙板、石材墙板、玻璃墙板,或多种形式组合墙板。墙面通风采光部分设置玻璃窗除外,其它墙面可采用全玻璃墙板、玻璃板与金属板组合墙板、石材幕墙与玻璃组合墙板等等,金属铝板幕墙、石材墙板多为含内衬墙的组合墙体。

   
轻型木结构功能完备具有多样性。从结构上分析,墙体设计既可以将竖向荷载传递到地基,也可以抵抗严重的风和地震等横向荷载。另外屋盖、墙体和楼盖,以及所有构件之间的连接,都能够承受和传递纵向和横向荷载。

玻璃幕墙 玻璃与铝板幕墙石材幕墙

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玻璃幕墙板在钢结构建筑中被大量使用,其优点是重量轻,玻璃板透光,室内视野开阔,其缺点是材料热阻值小,节能建筑中的玻璃板造价尤其高,大量玻璃立面容易造成光污染,且玻璃易热爆,存在安全隐患。

轻型木结构具有相当高的强度和刚度。主要原因是构件的共同作用和复合作用。当荷载增加时,轻型木结构构件的共同作用为荷载的传递提供了多种途径。构件的复合作用是指当将覆面板和木框架连接在一起时,覆面板和木框架能共同承受和传递作用于结构上的荷载。轻型木结构中木质材料受力时表现出一定的柔性,加之材料自重轻,轻型木结构有很好的抗震性能。

金属幕墙多为饰面板,室内侧还需设背衬墙体,并在金属板背面加保温岩棉,金属热阻值更小,
保温与隔热设计主要依靠保温材料,造价相对高。

   
轻型木结构的多样性在围护结构上也很好的体现。为墙体和屋盖提供刚度的覆面板也可作为建筑物的围护结构,用来围护建筑物结构本身。在覆面板及覆面板后面的框架上可铺设外装修材料。包覆层可帮助形成气密系统,以防止空气泄露并提高节能水平。

石材幕墙通常有现场干挂、湿贴或预嵌于预制混凝土墙板构件的面层,干挂石材幕墙也多为饰面板层,室内侧一般需设置背衬墙体,墙体上加保温板。湿贴的石材幕墙,基墙为混凝土墙或砌块砌体墙,预嵌石材预制混凝土墙板为饰面与混凝土墙一体成形装配式外墙。

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干挂石材幕墙示意 铝板幕墙示意图

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图2 金属与石材幕墙节点示意

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1石材板 2 衬墙3 保温层 4 钢骨架 5 铝板(金属板)6内衬墙 8 保温材
8钢或铝型材骨架

从保温和装修上来说,木结构框架不仅为保温材料的填充提供了空间,以达到节能效果,也为在其表面铺设气密层,防潮层及骨装修材料提供了牢固的平面。保温材料在空腔中具有双重功能,防止空气泄漏和保温节能,由此可大大降低能耗成本,并同时提高舒适度。

砌块砌体墙作为钢结构外墙目前多应用于多层小型钢结构建筑,其连接界面处容易开裂,粘附的饰面层容易剥落,墙体整体性及抗震性能差。砌块砌体墙更多的设计为内衬墙,防水设计在外饰面层,衬墙层与外饰面层之间设保温隔热层。

  轻型木结构除了多样性的功能,轻型木结构与钢筋混凝土相比更具有优势,结构尺寸多样、可预制、适应性和耐久性强,还是低碳建筑,有着十分重要的现实意义。

图3 钢结构砌体块砌体墙

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混凝土材料密实,重度大,但仍是目前最主要的建筑材料,可以浇筑各种建筑造型或各种复杂的外围护墙体形状。特别是借助预制工艺,饰面、窗框、窗玻璃与墙体一次成型,整体性好,且可铸成具复杂艺术图案的预制外墙板,空间异形墙板,使建筑外立面造型丰富。图4是窗框、玻璃、磁块外饰与混凝土一体浇筑成型的外挂墙板,为台北润泰敦仁高层钢结构住宅项目;图4以模具浇铸的成的艺术图案的混凝土外墙,为台北中和地政项目。

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图4 混凝土外挂墙

在我国的台湾地区,有不少预制混凝土外墙板应用于钢结构住宅建筑的实例。图5台北曼哈頓大楼,图5台北润泰敦仁,5台北帝宝住宅工程,均为预制混凝土外挂墙板工程。

曼哈頓大楼 润泰敦仁 帝宝

图5 钢结构PC外墙实例照片

异形墙板安装包柱墙板安装包梁墙板安装

图6 外墙板安装图例

钢结构防火包覆 钢梁防火涂料脱落图

图7 施工中的钢结构图

预制混凝土外墙板的主要特点:在工厂采用模具进行单元制作,在现场借助起重设备,安装于主结构外围框架上,混凝土预制外围护墙板,可待主体框架形成后再安装就位。图6为外墙板安装时图片,墙板形状各异,制作安装均可实施。

混凝土外墙板热阻比金属板、玻璃板大,混凝土本身为不燃材料,防渗、防火、隔音性能好。预制混凝土墙一次成型,不需内衬墙,预制单元整体吊装拼接,不需施工外脚手架,可大缩短工期。

外围护墙通常设计厚度及其主要特点归纳如下表1,可根据建筑设计要求,建筑环境等因素进行选用。

表1 常用外墙比较表

2钢梁与墙板一体化单元设计

预制混凝土外围护墙板一般悬挂于钢梁外侧边,外挂墙板安装就位后,钢梁表面有喷涂防火涂料,钢梁、钢柱表面喷涂厚涂型的防火涂料,
裸露的钢梁、钢柱上的厚涂型防火涂料容易剥落,钢梁位置需用内装饰板进行二次装修。干式预制外挂混凝土墙板安装就位后,还需进行层间防火封塞。钢梁凸于室内,对大宅及办公建筑的空间影响不大,但对普通的住宅建筑,如目前大力兴建的钢结构经适房、公租房,户型小、层高小,对建筑空间特别敏感,墙板外挂使室内梁完全凸起,梁深较大,梁位置净高显大幅减少,观感上稍不足如图8;
若采用包梁作法,梁在立面上外侧凸出,使墙室内侧墙面平齐,虽可解决突梁观感问题,由于钢梁需另做防火包覆,还需另设内饰板层,使墙板总厚度加大,占用室内地面面积,且预制梁构件与预制墙板分别吊装,钢梁与墙板要预留相当的安装调整空间,外墙梁位置墙板凸出面加深,如图8。

外平齐梁墙节点 内平齐梁墙节点

图8 梁构件与墙构件节点示意图

1钢梁 2 墙板内叶 3 墙板外叶 4 保温板材 5 KT板 6 现浇层 7 防火封堵 8
内装饰板 9 钢梁防火涂料

夹芯混凝土外围墙的结构性能、工期效益,节能表现、防火、防水相对优秀,解决了外墙外保温外饰面层脱落,且都有成熟可靠的技术支持。为克服外挂混凝土墙板的凸梁问题,节约空间,钢梁防火涂料包覆的耐久性,一次性解决楼层间防火封塞,简化安装工序等问题。本文提出钢梁与混凝土夹芯墙板一体化预制单元的应用设计,作为高层钢结构预制混凝土外墙设计优化方案。

将梁外推至墙板内,墙板室内侧平齐,使建筑空间加大;一体成型的钢梁混凝土墙板不需设内饰板层减小墙厚度,节约空间同时也减少工序;钢梁与墙板在工厂模台上一体成型,现场安装简便,大大缩短安装时间;一体成型的钢梁混凝土墙板,不需另设防火材料层,另做防火封塞,节约材料与工序;以下将对新型钢梁与混凝土墙板之梁墙一体预制围护构件单元进行详细说明。

2.1梁墙一体化单元设计

预制钢梁与外墙板之梁墙一体单元包括钢梁、包覆钢梁的混凝土内、外叶墙板、保温材和混凝土墙墩,梁墙一体单元与楼板连接节点如图9,梁墙一体内、外叶墙板竖向钢筋锚入楼板现浇层。为增强保温效果,减小冷桥,型钢表面先包覆一层10mm~20mm的柔软保温材料,同时设置挤塑板;型钢上顶面设有栓钉,栓钉用于墙板、楼板与钢梁之间的连接。

图9 梁墙一体单元与楼板节点示意图

1钢梁 2 墙板内叶 3 墙板外叶 4 保温板材 5 KT板 6 现浇层 10 保温材料 11
栓钉12 玻璃钢连接件 13 钢筋连接件 14 墙内墙板接合铁件 15
梁上墙板接合铁件

梁墙一体单元中的主钢梁与次钢梁连接时,主梁上设置肋板,通过连接板及螺栓与次梁腹板连接,主次梁接口位置局部后灌浆(图10)

图10 梁墙一体单元与次钢梁节点示意图

1钢梁 16次梁 17 主次梁连接板

梁墙一体单元板侧设有防水构造,截面如图11;梁墙一体单元的钢梁两端与钢柱构件采用焊接连接或螺栓连接,墙板下缘与下墙墩由接合铁件连接,钢梁与钢柱外饰层留有缝隙,梁墙一体单元组装示意如图12。

板侧构造示意 墙板截面示意

图11 梁墙一体单元示意图

1钢梁 2 墙板内叶 3 墙板外叶 4 保温板材 18 现浇墙墩 19 防水构造

图12 梁墙一体单元组装示意图

2墙板内叶 3 墙板外叶 14 墙内墙板接合铁件 15 梁上墙板接合铁件 20
梁端连接件 21 钢柱

2.2梁墙一体墙板的防水设计

根据外挂墙板设计经验,墙板两侧边及下侧连均设置多道防水构造。在预制钢梁墙一体单元的墙板下缘、及墙墩上缘设有台阶面,用于梁下混凝土外墙板与梁上混凝土墙墩之间上下连接,台阶状的对接缝为常用防水构造。同时,外侧密封胶、弹性挡条、内侧采用嵌入式橡胶条用于进一步的防水密封设计(图13。在混凝土外墙板进行防火措施设计,两侧设置导水减压空腔,保证混凝土外墙板墙面的另一道防水功能(图13,使梁墙一体构件在具有工程适用性。

墙板横缝构造示意图墙板竖缝构造示意图

图13梁墙一体单元墙板防水设计示意图

19防水构造

2.3梁墙一体墙板的墙缝设计

梁墙一体墙板的两侧及下缘均设有一定缝隙。梁下混凝土外墙板与同立面内的柱或墙之间预留竖拼缝,如图图13。拼缝有以下主要功能:一提供安装调整空间;二、减小对主框架侧移变形限制;三、钢梁梁端不受墙板刚度限制,可先于柱达到屈服。混凝土外墙板与混凝土墙墩有缝对接,并设有相互配合的调整铁件与接合铁件,接合铁件连接节点设计时,考虑墙板下缘平面内可滑移,当主体结构侧向变位时,混凝土外墙板与混凝土墙墩仍可相对滑动位移,减小在水平荷载(地震作用及风荷载)作用下,混凝土外墙板对钢框架的侧移限制。

2.4梁墙一体墙板的单元热工参数分析

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