装配式钢结构居住建筑技术研发和市场培育

装配式钢结构居住建筑技术研发和市场培育第一页，共28页。

装配式钢结构居住建筑的

技术研发和市场培育

2012.12陈以一、王伟、童乐为、赵宪忠同济大学土木工程学院建筑工程系第二页，共28页。引言

陈以一同济大学2012,12结构钢材迄今仍是各种广泛应用的结构材料中最符合可持续发展要求、具备节能、环保、绿色优势的结构体系。简介近年来同济大学和有关单位合作研究的全装配式钢结构框架体系、设置开竖缝钢板剪力墙的多层钢结构体系、分层装配式钢结构体系、钢-混凝土半组合结构体系。对住宅产业中如何推广装配式钢结构体系的路径提出有关市场拓展、技术研发和协同创新的建议。

主要内容第三页，共28页。引言

陈以一同济大学2012,12以门式刚架体系为典型的工业建筑和仓储建筑采用各种网架、网壳和张弦、张拉结构体系作为屋盖结构的交通设施（铁路站屋、航站楼、公路交通枢纽）、体育设施、文化设施（剧场、影院、音乐厅）和会展设施高层、超高层建筑采用的外围钢框架与混凝土核心筒（或钢板剪力墙）混合结构体系

1990s后建筑钢结构在中国成功发展的三大代表第四页，共28页。引言

陈以一同济大学2012,122012.09

AISC

Structural

Steel:

An

Industry

Overview2011年全美非居住和居住房屋中58%为钢结构，超过钢筋混凝土(占比21%)；按2009年统计，非居住房屋每1%耗钢

40,000吨，居住房屋每1%耗钢

500吨。按09年同比估算，2011年全美非居住和居住房屋钢结构用钢为

210万吨。2004.09

JSSC上海中日技术交流会介绍日本年竣工房屋建筑约1/3为钢结构，

1975-2003年每年建筑钢结构制造加工量在1000-1200万吨间。2012中国钢协发布前年度227家钢结构制造企业调查年制造量

1552

万吨，其中建筑钢结构947万吨。我国建筑钢结构年建造量已逼平工业化国家第五页，共28页。引言

陈以一同济大学2012,12住宅建筑仍是我国钢结构应用的短板！我国住宅建筑钢结构应有符合国情的特色！■美国钢结构协会1998年资料：1993年到1997年建成的钢结构住宅分别占全国住宅总套数的1.7%、2.9%、4.1%、5.7%、7.0%，其中多数为单栋单户或双户的低层建筑。■日本钢结构住宅占钢结构建筑面积的20%左右，其中大多数为低层单户住宅，4层以上的钢结构住宅不足1%～2%。■澳洲轻钢结构住宅市场占有率15%，每年均有明显增长。■比利时、荷兰、卢森堡、英国、德国和法国的一些地区，许多城市居住区采用了钢结构联排式住宅。意大利采用BSAIS工业化建筑体系建造1-8层钢结构住宅。第六页，共28页。引言

陈以一同济大学2012,12钢结构强重比大、韧性高的性能正以其他建筑材料尚不可比拟的速度在提升，其推广更有利于制造、运输、安装全过程中的节能减排以及减少结构体系重量、减轻基础投入带来的效益。钢结构在合适的维护条件下，可以长期安全使用。钢结构体系便于拆装（DesignforDeconstruction，DfD）及无废弃物化。钢材具有可反复、持续使用的特性。其重新冶炼过程，比之其首次经过的采矿、炼铁、炼钢过程相比，能耗、碳排等指标都将大幅度下降。从可持续发展战略认识推进居住建筑钢结构发展的意义第七页，共28页。适用住宅建筑的钢结构体系研发1

陈以一同济大学2012,12全装配式钢结构框架体系第八页，共28页。适用住宅建筑的钢结构体系研发

1

陈以一同济大学2012,12全装配式钢结构框架体系采用端板式全螺栓连接的柱梁节点。实验表明这类柱梁节点可以确保刚接性能；施工实践表明全螺栓连接在调整安装偏差方面完全可行。利用节点域剪切耗能充分、稳定的特点。弹性阶段可利用填充墙体材料在结构体系中的刚度和承载力贡献。第九页，共28页。适用住宅建筑的钢结构体系研发1

陈以一同济大学2012,12采用薄柔构件。这类构件属于“低延性”构件而非“无延性”构件，在其保证屈服承载力以及罕遇地震作用下的变形限值范围内保持一定水平承载力的前提下加以应用。提出了替代长期沿用的单一板件宽厚比限值。全装配式钢结构框架体系两项基本要求：（1）考虑局部屈曲后强度按有效截面计算的极限承载力大于按毛截面计算的边缘屈服承载力（2）水平往复荷载作用下构件相对位移达到1/50时，其承载力水平不低于极限承载力的75%满足基本要求的宽厚比限值第十页，共28页。适用住宅建筑的钢结构体系研发2

陈以一同济大学2012,12设置开竖缝钢板剪力墙的多层钢结构体系墙板提供水平刚度、强度、耗能能力，优先屈服墙板损坏后可方便更换墙板刚度、强度可分别满足第十一页，共28页。适用住宅建筑的钢结构体系研发2

陈以一同济大学2012,12设置开竖缝钢板剪力墙的多层钢结构体系已解决问题弹性刚度屈服承载力和极限承载力基本构造新研究问题螺栓连接滑移加劲构造刚度要求；上下梁约束刚度要求竖向荷载影响框架-剪力墙协同工作的设计原则第十二页，共28页。适用住宅建筑的钢结构体系研发2

陈以一同济大学2012,12设置开竖缝钢板剪力墙的多层钢结构体系确定了剪力墙边加劲构件、上下梁构件的刚度要求和参数规定提出了连接螺栓内力计算的方法、螺栓配置方法。经过试验验证，表明在结构相对变形角超过2%前可以有效避免高强度螺栓摩擦型连接中产生的滑移和噪声。提出了“竖杆+斜杆”的剪力墙简化模型。研究了活荷载等重力荷载作用产生的墙体面内压力对带竖缝钢板剪力墙滞回性能的影响，确定了可承受的面内压力上限，以及可适用的最大结构层数。提出了框架-带竖缝钢板剪力墙体系中剪力墙先行屈服的设计原则。第十三页，共28页。适用住宅建筑的钢结构体系研发2

陈以一同济大学2012,12设置开竖缝钢板剪力墙的多层钢结构体系上下梁约束刚度要求非线性分析墙体顶面无转动约束Pcr＝1264.5kNPu＝920kNPcr＝1561.1kN墙体顶面完全转动约束Pu＝1110kNηbr＝0.16转动约束刚度比最小值ηbrP屈曲分析第十四页，共28页。适用住宅建筑的钢结构体系研发2

陈以一同济大学2012,12设置开竖缝钢板剪力墙的多层钢结构体系

单剪力墙系统F=0框-剪系统整体行为剪力墙行为F=0.25Fcr试验评估FEM评估水平力-侧移关系结论剪力墙相对轴压不超过0.5屈曲荷载，水平承载力下降不超过10%带竖缝剪力墙可用于30层建筑1/1001/50第十五页，共28页。适用住宅建筑的钢结构体系研发3

陈以一同济大学2012,12分层装配式钢结构体系特点：（1）梁贯通、柱分层，易于实现工业化建造；（2）采用柔性抗拉支撑，不过分追求结构耗能；（3）现场安装采用全螺栓连接；（4）采用模数化设计与定型开发的标准化构件。第十六页，共28页。适用住宅建筑的钢结构体系研发3

陈以一同济大学2012,12分层装配式钢结构体系改进了柱梁连接构造，将单重抗侧系统转变为双重抗侧系统。梁翼缘屈服线模型第十七页，共28页。适用住宅建筑的钢结构体系研发3

陈以一同济大学2012,12分层装配式钢结构体系国内现有一般支撑花篮优点:国标产品，国内加工容易缺点:无法满足抗震结构要求圆钢连接板螺纹(切削工艺）(螺纹平均直径＜圆钢直径）螺栓孔支撑构造与特性一览六棱柱套筒优点:国内加工容易，满足抗震结构要求缺点:非国标构件，需要进行性能测试扁钢螺纹(切削工艺）连接板螺栓孔新研发支撑螺杆θθθ改进了轻型扁钢支撑构造，研制了便于安装的高强连接件，可以保证结构侧向变形达到1/25时仍能有效保持水平承载力和作用其上的重力荷载。第十八页，共28页。适用住宅建筑的钢结构体系研发3

陈以一同济大学2012,12分层装配式钢结构体系验证了结构整体的抗震能力。第十九页，共28页。适用住宅建筑的钢结构体系研发3

陈以一同济大学2012,12分层装配式钢结构体系确定了弹性和塑性两阶段的设计计算方法。第二十页，共28页。适用住宅建筑的钢结构体系研发4

陈以一同济大学2012,12钢-混凝土半组合结构体系可预制、装配程度高节约钢材提高局部稳定性提高钢构件抗火性能节省涂料第二十一页，共28页。适用住宅建筑的钢结构体系研发4

陈以一同济大学2012,12钢-混凝土半组合结构体系将薄柔钢构件应用到半组合结构中。对便于预制化的构造细节进行了比较研究，逐一剔除多余细节，改进构造连接。正在进行柱梁节点全装配连接和半装配连接的构造研究。第二十二页，共28页。若干思考

钢结构住宅发展的关键不在“钢结构”陈以一同济大学2012,12建筑

vs

结构围护结构

vs

主体结构

楼板预制化、装配化

墙板预制化、装配化、功能化功能要求vs结构性能

管线集约化、配件标准化装配式工业化居住建筑：

以全钢结构为主，

包容钢-预制化混凝土结构、

钢-预制化组合与半组合结构第二十三页，共28页。若干思考

钢结构住宅发展的市场因素重于技术因素

陈以一同济大学2012,12市场到底关注什么？——钢结构抗震性能优越？对缺少震灾体验的广大用户，就直接可感度而言，良好居住性的要求远高于灾难事件下的安全性良好居住性：包含所有舒适性、易维护性——钢结构有利于可持续发展？对业主，70年产权期内的性能更为重要，

与其说减排、循环

……

不如是隔热、保温、隔声、防渗、减振、室内环境

……第二十四页，共28页。若干思考

钢结构住宅发展的市场因素重于技术因素

陈以一同济大学2012,12市场到底关注什么？——节能？

业主会接受，更关注使用期的能源费用降低——缩短工期？投资方、建造方、乃至政府都乐见其成

但远未普遍、成规模实现即使相比纯混凝土结构，也还未显现绝对优势

近期探索：远大可建公司（仍存争议、待发展）印度SynergyThrislingtong

基建公司48小时10层楼

(2012.12.04解放日报

2012-12-0415:22)第二十五页，共28页。若干思考

钢结构住宅发展的市场因素重于技术因素

陈以一同济大学2012,12市场到底关注什么？——造价？

永远的主题，全球的难题

是我们当务之急吗？是近期可达成目标吗？

优先提升性价比，提升质量水平*三板性能*体系设计的便捷性与预制/装配化率*与工业化生产相适应的制作、安装标准*规范化培训，精细化管理，全过程控制防止新产品做滥的死胡同（全装修房）第二十六页，共28页。若干思考

钢结