装配式钢-竹组合结构建筑施工工艺及工程应用

1 钢–竹组合结构体系及工程概况钢–竹组合构件以冷弯薄壁型钢、竹胶板为基本材料，通过环氧树脂胶粘结而成。冷弯薄壁型钢是在常温状态下，普通薄钢板经过弯曲形成各种断面形状的成品型钢，利用截面形状的改变提高钢材的利用率，具有变形小、质量轻和强度高的特点。竹胶板是以毛竹纤维、树脂胶为原料，在高温、高压下，经过一系列复杂工序压制而成，基本克服了原竹各向异性和材质不均的缺点，具有强度大、韧性高、耐水性好的特点，并具有一定的防腐、防虫能力。钢–竹组合构件将两种材料按各自力学特性组合而成，既充分发挥两种材料各自的优势，又互补。首先薄钢板稳定性差，易发生屈曲现象，而竹板刚好可以对薄壁型钢进行支撑加固，改善其性能，且钢材易于加工，可根据构件截面要求配合竹胶板加工成各种形状。如今，梁、柱、楼板、墙体等多种钢–竹组合构件已经研发出来，并对这一系列构件进行了承载力、变形、滑移等多方面的研究。随着研究的深入，钢–竹组合构件的计算理论也逐步得到发展和完善，特别是最近提出的界面滑移效应，在很大程度上提高了构件挠度变形计算的精度和可靠度。钢–竹组合结构建筑保温节能效果好，其围护结构是特殊的箱形截面形式，本身具有良好的自保温性能。此外，可根据当地建筑节能要求，在组合结构空腔内添加玻璃棉、聚氨酯泡沫等材料，使其表现出更好的保温性能。钢–竹组合建筑抗震性能优越，梁、柱节点采用钢板与螺栓连接属于半刚性连接形式，充分考虑了弯矩与位移之间的非线性转角位移关系，允许节点产生相对变形，吸收地震作用的能量，从而提高结构安全性。基于钢–竹组合结构体系的研究成果，建造单层框架结构样板房，建筑面积为24 ㎡，进深6.25 m、开间3.9 m，建筑高度为3.0 m，地基采用天然地基，基础为钢筋混凝土柱下条形基础。本次工程的目的是在抗震意识薄弱的农村地区推广抗震性能优越的钢–竹组合结构建筑，并推动村镇地区的绿色建筑发展。2 构件构造形式及规格2.1 钢–竹组合梁、柱组合梁主要承受弯矩和剪力作用，其抗弯、抗剪性能与腹板、钢板厚度密切相关，设计时C形钢的厚度应不小于1.5 mm，腹板竹胶板厚度应不小于15 mm。此外腹板高度的提升对钢–竹组合梁抗剪强度也有很大的提高，但腹板高度过大可能导致稳定性降低，使组合梁在受力过程中发生失稳破坏。钢–竹组合柱是重要的受力构件，主要承受来自梁的竖向荷载，其承载力大小与材料强度和长细比有关，材料强度越大、组合柱长细比越小承载力越大，截面尺寸应根据荷载大小进行设计。钢–竹组合工字形梁、柱是由两块C形冷弯薄壁型钢和3块竹胶板通过环氧树脂胶粘结而成。首先对钢板、竹板进行打磨，去除表面污渍以及钢板镀锌层，然后用酒精擦拭，清除打磨后的残留碎屑和油渍，最后用环氧树脂胶进行粘贴。粘贴过程分两步进行，第一步粘贴腹板处的竹胶板和冷弯薄壁型钢，第二步粘贴翼缘处的竹胶板。为保证环氧树脂胶粘结牢固，需采用夹具夹紧重物并加压养护2 d，然后再静置养护7 d，具体制作流程如图1所示。图1 组合梁制作流程示意样板房工程共7根梁和6根柱，构件截面尺寸为腹板高度×翼缘宽度×腹板厚度，C形钢按外延尺寸为腹板高度×翼缘宽度×钢板厚度。梁、柱的规格参数见表1。表1 组合梁、柱规格参数mm2.2 钢–竹组合楼面板与屋面板钢–竹组合楼面板和屋面板是由中间龙骨、上下两侧竹胶板以及周围竹条封边组成。龙骨为C形钢和两侧竹条构成，采用环氧树脂胶粘结。龙骨的排布方式要沿组合板搭接方向，使荷载能沿龙骨传递到梁上，此组合方式能极大地提高楼板抗竖向荷载的能力。组合楼板会直接承受竖向荷载，是重要的受力构件，设计时构件截面尺寸和材料强度的选择要充分考虑承载能力和适用性。而组合屋面板仅起到围护作用，设计时要充分考虑保温、防潮和防水，尤其在板与板拼接处的缝隙处理。此外，在建筑设计时屋面板要有一定坡度，以利于排水。本项目的楼面板和屋面板各由6块相同规格的组合板拼装完成。每块组合板中覆面竹胶板厚度为10 mm，龙骨竹胶板厚度为20 mm，构件尺寸为宽度×长度×厚度，楼面板和屋面板规格见表2。表2 楼面板和屋面板规格mm2.3 钢–竹组合墙体钢–竹组合墙体的构造形式和制作方法与楼板基本一致，区别在于龙骨的形式，在风荷载、地震作用较小的地区，可不考虑墙体水平荷载，此时墙体只起到填充作用，龙骨可直接用C形钢代替。如果考虑水平荷载作用则要按组合楼板的龙骨制作。钢–竹组合墙体的内部为空腔，本身具有良好的保温性能，还可以在内部添加保温材料。研究表明，在厚120 mm的楼面板内填充玻璃棉，其传热系数可以低于0.4 W/（㎡·k）。同时也可根据建筑使用要求在内部添加防火、隔声及防潮材料。墙体为矩形，长和宽根据门窗洞口尺寸确定，截面厚度为120 mm。龙骨C形钢厚度为1 mm，其主要为分割作用，不承受荷载，故两侧无竹胶板增强，覆面竹胶板厚度为10 mm，截面两侧用竹条封口。3 构件连接与施工钢–竹组合结构为轻型结构，构件截面尺寸相对较小，其中冷弯薄壁型钢厚度仅为2 mm，不宜采用焊接，竹胶板厚度为10~20 mm，不宜采用木结构连接方法。且不同构件之间连接不同，方式难以统一，因此连接问题成为工程的难点与重点。3.1 钢–竹组合梁、柱钢–竹组合梁、柱之间有两种连接方式（图2）。（a）

（b）图2 梁、柱连接方式示意（a）组合梁翼缘连接；（b）组合梁腹板连接连接件为2个短T形钢，其翼缘与组合柱连接，腹板与组合梁上下翼缘连接。上、下T形钢的腹板分别抗拉、抗压抵抗弯矩作用，此连接方式抗弯承载力较大，但抗剪承载力不足，此外由于上部连接件的存在会降低梁的高度，适用于一层框架以及顶层楼层。连接件为一个T形钢，其腹板与组合梁腹板连接，翼缘与组合柱连接。此形式T形钢腹板负责抵抗剪力作用，抗剪承载力较高。T形钢板上均设置有连接孔，用螺栓将不同构件连接固定，连接件的厚度和螺栓个数由承载力及构造要求确定。为防止螺栓对构件中薄壁型钢产生挤压破坏，同时也为增大连接部位刚度，可在连接处型钢位置放置钢板，增强梁、柱的整体性以及节点承载力。安装过程：在梁、柱上分别安装T形钢板连接件，同时在梁上安装与墙相连接的角钢；将梁、柱连接，形成1榀框架结构，依此方法，完成3榀框架结构组装；将3榀梁、柱框架结构用门式起重机安装到位；采用临时支撑使柱子保持垂直并固定后，安装剩余4根梁。3.2 钢–竹组合楼面板与屋面板本次项目为单层框架结构，为测试钢–竹组合楼板性能，将楼板设置在一层与钢筋混凝土基础相连接。钢–竹组合楼板制作时，根据构造要求，为方便连接在端部设置一定数量的连接件，连接件内有连接孔。根据组合楼板连接孔的位置及尺寸，在钢筋混凝土基础中预埋多根连接杆，通过此杆将组合楼板与钢筋混凝土基础连接，如图3（a）所示。钢–竹组合屋面板与组合梁通过普通螺栓连接，在连接处标定好打孔位置，用电钻打孔，将螺栓穿过孔洞并拧紧，如图3（b）所示。

（a）

（b）图3 组合板连接方式示意（a）板与基础安装；（b）板与梁安装连接位置表面应铺设薄钢板，增加受力面积，防止螺栓挤压造成应力集中破坏腹面竹板。此外，为增强楼板之间的整体性和加强密封性，组合楼板设计时，上覆面板应比下覆面板小0.5~1 cm，从而在对接时形成缝隙，在其中填充水泥砂浆或细石混凝土。安装时先将组合楼板调整到指定位置，然后将钢筋混凝土基础上的预埋连接杆插入楼板上的连接件，由此完成6块楼板定位安装，最后在楼板缝隙间灌入混凝土完成组合楼板拼装。楼面板则需要门式桁架起重机一次吊装到位，标定好安装位置后，用钻机打穿屋面板和梁翼缘，用螺栓固定。3.3 钢–竹组合墙体钢–竹组合墙体连接包括墙体与楼板连接以及墙体之间的连接，所用连接件分别为角钢和扁钢，两者厚度均应不小于10 mm。螺栓孔位置依据组合构件确定，孔洞直径不宜小于16 mm，且间距应不大于300 mm，宜不小于100 mm。墙体与楼板连接分3步：（1）采用临时支撑固定组合墙体，确保其四角垂直；（2）将不等边角钢的短边沿内墙面放置，长边沿楼板上、下表面放置；（3）用螺栓将楼板和墙板连接，形成钢–竹组合墙板体系。为防止螺栓挤压形成应力集中，造成局部受压破坏，螺栓应设置在组合板的龙骨部位。墙体之间连接时，在两块需要拼接的组合墙体边缘龙骨处分别打螺栓孔，打孔位置沿同一高度对称分布。在墙体两侧放置尺寸规格相同的扁钢，宽度一般大于高度。每块扁钢上应设置两个螺栓孔，螺杆穿过扁钢和墙体，拧紧螺栓完成连接。沿一个墙体高度，扁钢数量为1~3块。工程实践表明，墙体应设置同一规格尺寸的扁钢，以保证受力均匀，施工方便，外形美观。安装过程中螺栓作为工程中唯一的连接方式，需重视其在钢–竹组合结构施工技术中的重要性。螺栓间距和边缘距离应符合规范规定，且不存在欠拧和超拧现象。4 结束语本次钢–竹组合样板房的成功建造将先前的研究理论运用到实际工程，在材料选用和构造形式的基础上对构件进行制作加工，按照房屋施工方法进行现场装配。根据钢材、竹材的材料性能以及构件形式的特殊性分别设计出T形、L形、扁钢连接件，采用铺垫薄