异形柱钢结构体系在保障性住房的应用与实践

异形柱钢结构体系在保障性住房建设中的应用与实践报告人：郑培壮大元建业集团股份有限公司2019年6月报告内容：一、项目背景二、重点节点构造及技术指标三、异形柱组合结构在福康家园项目的实践四、异形柱组合结构的优势与体会五、结构体系的升级与改进措施

1、《国务院关于化解产能严重过剩矛盾的指导意见》（国发【2013】41号）：推广钢结构在建设领域的应用，提高公共建筑和政府投资建设领域钢结构使用比例，扩大钢材、水泥、铝型材、平板玻璃灯市场需求。

2、《河北省关于开展绿色建筑行动创建建筑节能省的实施意见》（冀政办【2013】6号）：推广适合工业化生产的预制装配式混凝土结构、钢结构等建筑体系。加快发展建设工程预制和装配技术。

3、《河北省“十二五”绿色建筑和绿色生态城区发展规划》（冀建科【2013】19号）：大力推进住宅产业化，推广适合工业化生产的预制装配式混凝土结构和钢结构建筑体系。

4、地方政府支持，同政府合作承建钢结构公租房住宅小区。2014年4月，住建局局长组织行内主管领导、专家听取了我公司拟建造钢结构住宅的专题汇报，会议认为：钢结构住宅符合国家节能减排环保产业政策，在诸多方面有突出的优势，但在防火、防腐和使用功能方面还有诸多疑问，有待进一步调研。

一、项目背景融合了纯钢结构与混凝土结构的优势：将钢材受拉性能高和混凝土受压性能好的优点巧妙的融合，具有承载力高、塑性和韧性好、抗震性能好、耐火性强。能够适应现代结构工程向大跨、高耸、重载发展和承受恶劣条件的需要。建筑效果好：可隐藏于墙体内部，室内不露柱子凸角。形式、布置灵活：截面形式灵活，可根据实际工程需求，灵活调整单肢柱的间距，既增大了房屋的使用空间，又提高了建筑室内空间美感。综合性能好：方钢管混凝土组合柱，相比钢筋混凝土结构，减小了柱截面尺寸，相同柱截面时，继有钢管混凝土结构的各种优点，诸如塑性和韧性好、抗震性能、耐火性强等，且各单肢通过缀件连接形成的格构式空间桁架结构形式，进一步提高了组合柱的抗侧力能力。5、结构选型（天津大学钢管混凝土组合异形柱体系）建筑工程抗震设防分类标准GB50223-2008建筑结构可靠度设计统一标准GB50068-2001混凝土结构设计规范GB50010-2010建筑结构荷载规范GB50009-2012建筑地基基础设计规范GB50007-2011建筑抗震设计规范GB50011-2010钢结构设计规范GB50017-2003砌体结构设计规范GB50003-2011混凝土结构工程施工质量验收规范GB50204-2002(2011年版)冷弯薄壁型钢结构技术规范GB50018-2002钢结构焊接规范GB50661-2011钢结构工程施工质量验收规范GB50205-2001热轧H型钢和剖分T型钢GB/T11263-2010高层民用建筑钢结构技术规程JGJ99-98高层建筑混凝土结构技术规程程JGJ3-2010轻型钢结构住宅技JGJ209-2010术规程型钢混凝土组合结构技术规程JGJ138-2001钢结构高强度螺栓连接的设计、施工及验收规程JGJ82-2011钢结构住宅设计规范

CECS

261-2009高层建筑钢-混凝土混合结构设计规程CECS230：2008矩形钢管混凝土结构技术规程CECS159：2004《钢结构住宅设计规范》10.1.4条条文说明：天津大学经过试验研究，提出了由小截面方钢管组成的L形、T形截面钢管混凝土组合柱，具有较好的承载能力。设计规范、技术规程已建相关工程汶川映秀镇渔子溪村民居工程，241栋北京顺义民居——十二五国家科技支撑项目示范工程河北易县易水岚庭钢结构住宅二、设计重点节点构造及技术指标1、梁柱节点构造做法：外肋环板和贯通隔板梁、柱采用外肋环板和贯通隔板2、支撑节点参考图集《柱间支撑》（11G336）中圆钢管支撑插板节点做法，参考《高层民用建筑钢结构技术规程》、《建筑抗震设计规范》以及《钢结构设计手册》中支撑节点设计，在圆钢管支撑插板节点基础上进行改进，加强了连接的强度与刚度，设计出方钢管支撑节点。《柱间支撑》中圆钢管支撑插板节点做法本项目支撑节节点做法3、三板选择坚盾板蒸压砂加气混凝土板材AAC蒸压加气混凝土砌块CS墙板玻纤水泥板聚苯保温复合板墙板SPD叠合板PK预应力叠合板钢筋桁架楼承板楼板压型钢板楼承板现浇混凝土楼板4、防火做法：：异形柱和梁梁采用AAC蒸压砂加气混混凝土防火板板（50mm）足尺耐火试验验（国家固定灭火火系统和耐火火构件质检中中心）试验结果：1、超过3小时柱未发生生失稳破坏现现象2、柱子轴向压压缩变形为1.7mm，未发现明显显侧向变形3、外包防火板整整体情况比较较完好，未出现明显显大面积剥落现现象，也未出出现裸露钢结构柱柱的情况。5、设计技术指指标(1)18层结构采用钢钢框架-支撑结构体系系荷载情况（KN/m2）（含板重））：恒载（KN/m2）活载（KN/m2）普通楼面（110mm）5.52卫生间5.62.5楼梯8.353.5屋面7.00.5电梯井机房157公共平台5.22.5走廊5.52墙体线荷载：：外墙体7KN/m，内墙体5.0~6.5KN/m。标准层柱、支支撑布置三维维图：标准层柱撑布布置平面图：：构件规格：L形异形柱T形异形柱十字形异形柱双板连接异形柱钢管混凝土柱截面: 异形柱单肢截面：口150X6；口150X8；口150X10；口150X12；150X14；

口150X250X10（中柱为150X14）；

口150X250X12（中柱为150X14）;单柱截面：

口200X300X14；口200X300X12；口200X300X10异形柱连接板厚度：14mm；12mm；10mm；8mm；6mm异形柱单肢间隔净距：150mm钢框架构件材质:钢管混凝土柱：Q345钢/C40混凝土; 梁：Q345钢； 支撑：Q345钢；Q235钢。

钢梁规格：H400X150X8X12；H300X125X8X10；H250X125X6X8；HN200X100X4.5X6支撑规格：口150X8;口120X8;口口120X6;口100X6（（Q235））;模型的建立：：采用软件:MIDASGEN800，盈建科。单元选取:梁和柱采用梁梁单元，异形形柱连接板用用板单元进行行模拟，楼板板采用板单元元，支撑采用用桁架单元模模拟。约束设置:柱底设置为全全约束，框架架梁和柱为刚刚结，次梁梁梁端铰接。标准层楼面荷荷载：计算结果：荷载MIDASYJK恒载1212612003活载10761152总计1319613155质量:周期:MidasYJK振型号周期X平动因子Y平动因子Z扭转因子振型号周期平动系数(X+Y)扭转系数(Z)12.7992.500.9512.830.99(0.99+0.00)0.0122.35094.6022.431.00(0.00+1.00)031.961.62098.0831.970.01(0.01+0.00)0.9840.9682.500.6240.940.99(0.99+0.00)0.0150.60079.6050.600.99(0.00+0.99)060.501.04095.8860.510.01(0.01+0.00)0.9770.4537.7200.8770.480.97(0.00+0.97)0.0180.31032.19080.310.98(0.98+0.00)0.0190.3026.3900.1190.300.97(0.00+0.97)0周期比:0.70周期比:0.69侧向刚度:MidasYJKRJXRJYRJXRJY10F42160555498610F3702505085009F4379355913009F3859305444108F4606756397538F4093205951307F4928657024977F4406406600706F5434787887736F4908507551505F6030118802095F5486408547504F6862629916234F6320009777303F80809211379123F75621011322002F100067713149432F95994013369001F183199821620471F16682001982000无薄弱层X地震下层剪剪力和倾覆弯弯矩：MidasYJK层层地震力层剪力剪重比倾覆弯矩层层地震力层剪力剪重比倾覆弯矩10F33919320.0293412710F34219512.984%353029F34920260.028391019F36020452.813%402598F35821310.026441978F36621562.694%453307F36522490.025494607F36222812.612%505716F36123790.024549456F36124142.550%560455F35225140.024607055F35925552.505%618084F34026470.023667834F34226982.467%679113F30427710.023732063F29028272.422%743832F21528620.022799712F20129212.353%812211F9729030.021870301F8729622.252%88372Y地震下层剪剪力和倾覆弯弯矩：MidasYJK层层地震力层剪力剪重比倾覆弯矩层层地震力层剪力剪重比倾覆弯矩10F38521990.0403966210F393.92236.033.418%412849F40323020.037453339F413.542341.893.221%473608F42024290.036510898F429.52474.693.092%535687F42825820.035570087F435.822635.613.017%599826F41827560.034631836F427.052817.392.976%666875F39929360.033697055F405.963006.062.947%737734F37431110.033766454F380.323188.132.915%813143F32432640.032840393F333.113348.162.868%893452F22933750.031918802F245.233466.192.792%978541F10034240.0291001011F113.613520.82.676%106770X地震下位移移比、位移角角：MidasYJK楼层位移比位移角楼层位移比位移角18F1.0381/101218F最大1.05（X-规定水平力作用下）1/79817F1.0481/87017F1/71116F1.0491/78616F1/65415F1.0491/72715F1/61214F1.0481/68414F1/58113F1.0471/65313F1/55812F1.0451/63212F1/54311F1.0441/61611F1/53210F1.0431/60710F1/5279F1.0421/6019F1/5248F1.0421/6028F1/5287F1.0401/6117F1/5376F1.0411/6376F1/5665F1.0411/6685F1/5974F1.0411/7224F1/6503F1.0491/8073F1/7392F1.0651/9532F1/9041F1.0391/17631F1/1345Y地震下位移移比、位移角角：MidasYJK楼层位移比位移角楼层位移比位移角18F1.0281/95918F最大1.20（Y-规定水平力作用下）1/88417F1.0301/88217F1/75216F1.0121/82216F1/72215F1.0101/77415F1/69614F1.0101/74214F1/68613F1.0101/72313F1/67412F1.0101/71612F1/65111F1.0101/71711F1/65210F1.0091/72510F1/6759F1.0111/7379F1/6898F1.0141/7538F1/7267F1.0201/7737F1/7476F1.0111/8216F1/7615F1.0141/8575F1/7854F1.0161/9104F1/8173F1.0601/9543F1/9022F1.0371/10902F1/10331F1.1621/15941F1/1509梁变形挠度：：挠度为7.14mm，约为l/998，小于钢结构设计规范3.5.1条要求的l/400。各层挠度变化相差不大，选取首层梁挠度变化为例。风振舒适度要要求：按《高层民用建筑筑钢结构技术术规程》计算：X向顺风向顶点点最大加速度度(m/s2)=0.025X向横风向顶点点最大加速度度(m/s2)=0.042Y向顺风向顶点点最大加速度度(m/s2)=0.074Y向横风向顶点点最大加速度度(m/s2)=0.066满足5.5.1条0.2m/s2的限值(2)24层、25层结构采用钢钢框架-剪力墙结构体体系模型的建立：采用软件:MIDASGEN800计算，盈建科校核。单元选取:梁和柱采用梁单元，异形柱连接板用板单元进行模拟，楼板采用板单元，剪力墙选取墙单元。约束设置:柱底设置为全约束，铰接梁梁端释放端部约束。标准层柱、剪力墙布置三维图：标准层剪力墙布置平面图：柱子截面:钢管混凝土柱截面: 异形柱单肢截面：口150X6；口150X8；口150X10；口150X12；150X14；

口150X300X10（中柱为150X14）；

口150X300X12（中柱为150X14）;单柱截面：

口200X300X14；口200X300X12；口200X300X10构件规格：L形异形柱T形异形柱异形柱连接板厚度：14mm；12mm；10mm；8mm；6mm异形柱单肢间隔净距：150mm十字形异形柱钢框架构件材质:钢管混凝土柱：Q345钢/C40混凝土; 梁：Q345钢；双板连接异形柱梁规格：H400X150X8X12H300X125X8X10H250X125X6X8HN200X100X4.5X6混凝土连梁600*300剪力墙：剪力墙变化剪力墙外墙剪力墙内墙1-6层300厚，C40250厚，C407-15层250厚，C35200厚，C3516-25层250厚，C30200厚，C30标准层楼面荷载：计算结果：质量:MidasYJK活载产生的总质量(t)1730.6891691.495恒载产生的总质量(t)23273.11222557.227结构总质量(t)25003.80124248.721质量基本吻合合计算结果：周期:结构扭转第一一自振周期与与平动第一自自振周期的比比值为0.76左右，小于《高层建筑混凝凝土结构技术术规程》JGJ3-2010中A类建筑0.9的限值。Midas振型号周期X方向平动因子Y方向平动因子Z方向扭转因子12.803283.615.710.6922.796616.7883.010.1832.150.73099.2740.751599.2900.6750.6539099.650.01YJK振型号周期转角平动系数(X+Y)平动系数(Z)扭转系数(Z)12.89861.51.00(1.00+0.00)0022.800591.491.00(0.00+1.00)0032.0972179.150.00(0.00+0.00)00.9940.74170.140.99(0.99+0.00)0.01050.616290.130.99(0.00+0.99)0.010计算结果：框架承担地震震剪力倾覆弯弯矩：X方向规定水平力下框架柱、短肢墙地震倾覆弯矩层号框架柱其它合计框架柱承担比例945554.3102659.8148214.130.7847929.9112635.9160565.829.9750202.8123245.4173448.328.9652381.5134465.8186847.428554394.2146332.9200727.127.1456215.3158797215012.326.1357830.5171749.2229579.725.2259320.2187061.9246382.124.1165075.4203829.5264584.923依据《高层建筑混凝凝土结构技术术规程》JGJ3-2010中8.1.3条框架部分承承担地震倾覆覆弯矩大于10%而不大于50%时，按框架-剪力墙结构进进行计算。计算结果：框架承担地震震剪力倾覆弯弯矩：Y方向规定水平力下框架柱、短肢墙地震倾覆弯矩层号框架柱其它合计框架柱承担比例932693.6118407.415110121.6834307129710.1164017.120.9735834.9141780.217761520.2637296.3154547.1191843.419.4538623167986.5206609.418.7439796.7181984.6221781.217.9340819.5196378.4237197.817.2241767.8213135.7254903.516.4142663.6231444.7274108.315.6依据《高层建筑混凝凝土结构技术术规程》JGJ3-2010中8.1.3条框架部分承承担地震倾覆覆弯矩大于10%而不大于50%时，按框架-剪力墙结构进进行计算。计算结果：地震下位移比、位位移角：MIDASX方向地震作用下塔号楼层位移比位移角126F1.070)1/1098(125F1.070)1/1065(124F1.069)1/1033(123F1.068)1/1002(122F1.067)1/976(121F1.066)1/954(120F1.066)1/936(119F1.065)1/923(118F1.065)1/914(117F1.065)1/909(116F1.065)1/906(115F1.064)1/907(114F1.064)1/911(113F1.064)1/918(112F1.063)1/928(111F1.063)1/942(110F1.063)1/961(19F1.062)1/986(18F1.062)1/1019(17F1.061)1/1062(16F1.060)1/1123(15F1.059)1/1210(14F1.058)1/1341(13F1.057)1/1560(12F1.060)1/2036(11F1.058)1/4544(YJKX向地震楼层位移比位移角26F最大为1.031/101325F1/98524F1/96023F1/93522F1/91421F1/89720F1/88319F1/87218F1/86517F1/86116F1/85915F1/86114F1/86613F1/87312F1/88511F1/90010F1/9209F1/9478F1/9847F1/10336F1/11015F1/11974F1/13413F1/15762F1/20421F1/4222MIDAS结果：X方向地震作用下，，最大位移角出现现在16层，位移角为1/906盈建科结果：X方向地震作用下，，最大位移角出现现在16层，位移角为1/859满足《建筑抗震设计规范范》和《高层建筑钢-混凝土混合结构设设计规程》中框架-剪力墙层间位移角角1/800的限值。计算结果：地震下位移比、位位移角：MIDASY方向地震作用下楼层位移比位移角26F1.300)1/942(25F1.299)1/929(24F1.299)1/917(23F1.299)1/906(22F1.299)1/896(21F1.300)1/890(20F1.302)1/886(19F1.305)1/886(18F1.308)1/889(17F1.312)1/895(16F1.317)1/904(15F1.322)1/916(14F1.328)1/932(13F1.333)1/951(12F1.339)1/974(11F1.344)1/1003(10F1.349)1/1038(9F1.354)1/1082(8F1.358)1/1137(7F1.362)1/1210(6F1.366)1/1309(5F1.368)1/1449(4F1.371)1/1659(3F1.371)1/2010(2F1.369)1/2770(1F1.391)1/6179(YJKY向地震楼层位移比位移角26F最大为1.211/89425F1/88324F1/87423F1/86622F1/86021F1/85620F1/85419F1/85618F1/86117F1/86916F1/88015F1/89514F1/91313F1/93512F1/96311F1/99610F1/10379F1/10878F1/11517F1/12336F1/13435F1/14974F1/17263F1/21012F1/28921F1/6187满足《建筑抗震设计规范范》和《高层建筑钢-混凝土混合结构设设计规程》中框架-剪力墙层间位移角角1/800的限值。MIDAS结果：Y方向地震作用下，，最大位移角出现现在20层，位移角为1/886盈建科结果：Y方向地震作用下，，最大位移角出现现在20层，位移角为1/854首层柱、墙轴压比比，柱轴压比在0.51以下，墙轴压比在在0.3左右。关键构件内力：挠度为3.23mm，约为l/2020，小于钢结构设计计规范3.5.1条要求的l/400。梁变形挠度：各层挠度变化相差差不大，选取首层层梁挠度变化为例例。按《高层民用建筑钢结结构技术规程》计算：X向顺风向顶点最大大加速度(m/s2)=0.018X向横风向顶点最大大加速度(m/s2)=0.048Y向顺风向顶点最大大加速度(m/s2)=0.054Y向横风向顶点最大大加速度(m/s2)=0.053满足5.5.1条0.2m/s2的限值风振舒适度要求：：X方向Y方向顶点位移角规范限值多遇地震层间位移角1/4901/6071/250《建筑抗震设计规范》1/250《高钢规》1/300《钢结构住宅设计规范》风荷载下位移角1/17051/7931/1018顶点位移角≤1/500《高钢规》层间位移角≤1/400《高钢规》风振加速度（m/s2）0.0860.0980.20m/s2《高钢规》多遇地震及风荷载载作用下的位移均均符合规范要求，，且小于规范限值值，有助于解决墙体开开裂问题。风荷载作用下的风风振加速度符合规规范要求，可以保保证建筑在风荷载载下的舒适度。三、异形柱组合结结构在福康家园项项目的实践沧州市福康家园公公租房是大元集团团与沧州市住建局局合作承建的沧州州市保障性住房项项目，是沧州市重重点民生工程。该项目位于河北省沧沧州市区，共8栋楼，其中5栋18层，2栋25层，1栋24层，地下室层高4.7米，一层3.6米，二层3.3米，标准层层高为为2.9米，总建筑面积13.6万平方米，总投资4.7亿元。18层25层18层18层18层18层24层25层项目由天津大学建筑设计研究院设设计，采用钢结构住宅异形柱结构，5栋18层采用矩形钢管混混凝土柱框架-支撑结构体系，2栋25层和1栋24层采用矩形钢管混混凝土柱框架-剪力墙结构体系。该项目是河河北省第一个钢结结构保障性住房项项目。18层方案25层方案各单体建筑尺寸构件规格：钢框架构件材质：：钢管混凝土柱：：Q345钢/C40混凝土土;梁：Q345钢；；支撑：Q345钢钢；Q235钢。。钢管混凝土柱截面面:异形柱单肢截面：：口150X6；口150X8；口150X10；口150X12；150X14；口150X250X10（中柱为150X14）；口150X250X12（中柱为150X14）;单柱截面：口200X300X14；口200X300X12；口200X300X10异形柱连接板厚度度：14mm；12mm；10mm；8mm；6mm钢梁规格：H400X150X8X12；H300X125X8X10；H250X125X6X8；H200X100X4.5X6支撑规格：口150X8;口口120X8;口120X6;口100X6（Q235））;梁采用H型钢，支撑采用方方钢管，构件材质质为Q345。异形柱采用的构件件形式：十字形异形柱L型异形柱T型异形柱不同的构件形式使使用单连接板和双双连接板L型异形柱T型异形柱十字型异形柱节点形式：异形柱采用了外肋肋环板节点，单柱柱采用横隔板贯通通节点。外肋环板节点隔板贯通节点斜撑采用人字型和和十字交叉的形式式楼板部分采用钢筋筋桁架楼层板，部部分采用了混凝土土现浇板钢筋桁架楼层板工工厂制作，产业化化水平高，施工速速度快，但是底部部铁皮对住宅建筑筑处理困难。现浇混凝土楼板，，相比钢筋混凝土土结构施工简单，，可以利用H型梁下缘作为支撑撑，楼板配筋也比比较简单，板底平平整度高。梁与柱的连接梁与异形柱的连接接采用外肋环板节点，与单柱连接接采用隔板贯通节点。墙体部分采用蒸压压加气混凝土板（（AAC板）蒸压加气混凝土板板表面平整程度高高，无需抹灰可直直接粉刷墙体涂料料，该材料具有一一定的承载能力，，其立方体抗压强强度大于3.5Mpa，抗震性能良好，，具有较大变形能能力，允许层间位位移角达1/150，是一种性能优越越的新型建材。施工现场情况施工现场情况施工现场情况施工现场情况施工现场情况施工现场情况同传统建筑指标对对比为了更准确地掌握握钢结构住宅的各各项经济指标，在在施工过程中，对对人工、用电量及及其他消耗进行了了统计，与同期施施工的钢筋混凝土土结构建筑进行了了比较。工程名称结构类型层数建筑高度（米）建筑面积（平方米）基础形