高层钢结构装配式住宅主要问题分析

目前国内高层钢结构装配式住宅处于起步阶段，尚未形成统一的、占主流地位的结构体系。住宅领域应用较多的结构体系有钢管束剪力墙结构体系、矩形柱框架支撑结构体系、异形柱框架支撑结构体系等，重点对这三类结构体系及当前主要问题进行分析。

1 钢管束组合剪力墙结构体系

1.1 主要构件及节点做法

1.1.1 钢管束剪力墙

钢管束剪力墙由方钢管及卷边U形钢单元依次连接而成，形状有一字型、L形、T形、C形、Z形、十字型等，其中应用最多的是L形、T形和Z形。钢管束剪力墙由方钢管（用于转角处）与冷弯卷边U形槽（用于墙肢部位）组焊而成，壁厚一般为4~8 mm，底部加强区壁厚一般不小于6 mm，其他部位不小于4 mm。墙体厚度一般为130 mm和150 mm两种规格，也可根据受力情况调整墙体厚度（一般不大于200 mm）。钢管束剪力墙竖向长度一般为9 m左右（按3层1节），也可根据安装工艺及吊装设备情况进行调整。

1.1.2 制作与安装

钢梁、钢柱、钢管束分片在工厂制作，钢管束分片需在现场焊接组装成符合设计要求的L形、T形和Z形等，根据图纸要求焊接节点板、加强板，开设预留钢筋孔，完成吊装前的准备工作。

钢管束剪力墙、钢梁、钢柱的吊装与其他钢结构住宅基本相同，一般按3层1节。安装并完成校正后焊接本柱节内（一般为3层）所有的梁与柱、梁与墙；再检查验收本柱节范围内的结构，重点检查焊接质量、高强度螺栓连接副及结构尺寸偏差，全部符合要求后方可浇筑墙内、柱内的混凝土；钢管束剪力墙及矩形钢管柱内均浇筑无收缩自密实混凝土，经试验确定的混凝土配合比除应满足设计要求的强度指标外，还应考虑浇筑工艺要求，选择合理的混凝土坍落度，以确保混凝土的浇筑质量。

1.1.3 主要节点做法

钢管束剪力墙是一种新型的结构形式，与传统的钢结构不同，由于其节点连接存在缺陷，钢管束竖向截面无法全部焊接（位于墙体内的竖边无法焊接），因此须关注钢管束剪力墙相关节点的做法。

（1）钢管束剪力墙竖向连接做法。1）底部连接节点：钢管束剪力墙深入地下一层，在地下二层结构顶标高处设预埋件，钢管束剪力墙与预埋件焊接连接，并增设加强板以保证节点连接强度。2）中间对接节点：由于钢管束竖向连接存在缺陷，位于墙内的钢管壁无法焊接，使连接节点成为薄弱环节。为此采取以下加强措施：在连接处增加过渡钢板，过渡钢板焊接于下部钢管束剪力墙顶部（吊装前应焊接完毕），上部钢管束剪力墙与过渡钢板采用全熔透焊缝；在钢管束接缝处钢管空腔内设补强钢筋，在混凝土浇筑后可提高墙体的整体受力性能。

（2）钢管束与钢梁连接节点。由于钢管束的钢板厚度较小（一般为4~6 mm），若直接与钢梁焊接无法满足节点的局部受力要求，因此采用增加补强钢板做法，即在钢管束连接处预先焊接补强钢板（通过角焊缝结合塞焊，在钢管束外侧贴焊补强钢板），钢梁连接板与补强钢板焊接。

（3）钢筋桁架楼承板与钢管束的连接节点。由于钢管束剪力墙的阻挡，钢筋桁架无法穿过钢管束，故该处需设置钢板支座支撑楼板（可采用角钢贴焊于钢管束外侧），附加钢筋及通长钢筋穿过钢管束（预先开孔）。

1.2 优缺点分析

1.2.1 主要优点

（1）空间布置灵活、受力性能好。该体系以钢管束剪力墙承受竖向荷载、水平荷载和地震作用，有机结合钢结构建筑工业化与剪力墙结构布置的灵活性，非常适用于住宅项目。（2）构件标准化、工业化程度高。钢管束所采用的方钢管和U形冷弯卷边槽形钢均可标准化生产，制作工艺简单，且可根据设计要求组合成不同形状。

1.2.2 主要缺点

（1）现场焊接量大，施工速度不快。由于钢管束的组成构件（方钢管、U形槽）之间需满焊，而为方便运输工厂只能焊接为一字形，需在现场组装成L形、T形、Z形，致使现场焊接量大；且钢管束上下段之间也为焊缝连接，焊接量大，焊接难度高。（2）目前钢管束结构体系尚无国家或行业标准，设计审图需经专家论证才能使用。

2 矩形钢管柱框架支撑结构体系

2.1 主要构件及节点做法

2.1.1 结构构件

矩形钢管柱可采用成品矩形钢管，加工成本低，壁厚大于12 mm时应采用焊接截面。根据受力要求，可在钢管内部浇筑自密实无收缩细石混凝土。钢梁采用热轧或焊接H型钢，钢梁翼缘宽度不大于墙厚。中心支撑可采用热轧H型钢或方钢管制作，以承受水平荷载和地震作用。

2.1.2 制作与安装

矩形钢管柱框架支撑结构体系构件包括矩形钢管柱、H型钢梁和中心支撑。矩形钢管柱应尽量采用成品矩形钢管加工，当壁厚大于12 mm时应采用焊接截面；由于矩形钢管柱宽度较小（仅150~200 mm），焊接时应采取措施以防产生扭曲变形。

2.1.3 主要节点做法

因矩形钢管柱截面较小，成品矩形钢管无法增加内隔板，焊接截面虽可增加内隔板，但因截面太小造成焊接困难。为解决梁柱节点连接问题，一般采用以下两种节点形式。（1）截断矩形钢管，焊接贯通加劲板：这种节点是将钢管柱截断后，在与钢梁上下翼缘对应的位置焊接贯通钢板，保证节点受力得到可靠传递。（2）外贴钢板加强做法：当钢梁与钢柱外表面齐平时，可在矩形钢管柱外侧贴焊加劲板；当钢梁侧边对应于矩形钢管柱中部时，可在矩形钢管柱上开槽焊接贯通加劲板。该做法与钢管束剪力墙与钢梁连接节点相似。

2.2 优缺点分析

该体系的主要优点是施工成本低，且可满足室内不露梁柱的要求；主要缺点是适用高度较低，主要用于高度50 m以下的住宅建筑。

3 异形钢管柱框架支撑结构体系

3.1 主要构件及节点做法

3.1.1 结构构件

构件包括异型钢管柱、H型钢梁和钢支撑，其中H型钢梁、钢支撑做法与矩形钢管柱框架支撑结构相同，重点介绍异型钢管柱。异型钢管柱由方钢管和U形槽组成，方钢管规格为150 mm×150 mm，U形槽宽150 mm，长150~600 mm；方钢管和U形槽的壁厚相同，一般为6~20 mm。当壁厚不大于12 mm时可采用成品钢管和卷边加工的U形槽；壁厚大于12 mm时，应采用钢板焊接制作方钢管和U形槽。若U形槽加工困难，可采用相同截面的矩形钢管代替。

3.1.2 制作与安装

异型钢管柱框架结构体系的梁、支撑与矩形钢管柱结构体系相同，制作安装简单，施工难度小，但异型钢管柱的制作安装难度较大，主要难度如下。（1）材料采购困难。市场出售方钢管壁厚一般为5~10 mm，若壁厚12 mm以上只能采用焊接截面，小截面箱形柱加工烦琐，焊接变形不易控制；U形槽需定制，由于宽仅150 mm，加工极为困难，故实际工程中多用矩形管代替。（2）焊接量大。异型钢管柱纵向焊缝多且全部要求满焊，致使焊接量很大；由于截面不对称，大量纵向焊缝易扭曲变形，制作时需使用特殊工装控制焊接变形。（3）连接节点施工难度大。异型钢管柱竖向对接节点连接困难，内侧方钢管立边无法直接焊接，需预留焊接段，待内侧焊接完成后再焊接预留段，钢梁与钢柱连接需增加补强板。

3.1.3 主要节点做法

（1）钢柱竖向对接节点：异型钢管柱上下对接时内侧钢管柱立边无法直接焊接，需预留连接段（在每个柱肢预留），待中间钢柱焊接完成后再将连接段焊接完毕。（2）钢柱与钢梁连接节点：在异型钢管柱与钢梁连接处外贴加强板（与钢柱采用周边角焊缝与中部塞焊缝结合的方式连接，相当于加厚钢柱连接段钢板），在加强钢板上焊接连接板，与钢梁实现刚性连接。

3.2 优缺点分析

该体系的优点是室内不露梁柱可满足建筑要求，受力合理，承载力高；缺点是加工难度大、成本高，目前尚未制定标准，审图时需专家评审。

4 钢结构住宅现存主要问题

4.1 结构体系有待完善

传统的钢结构体系与市场主流户型匹配度不高，新型的钢结构体系还有待完善，尚未形成成熟的钢结构住宅结构体系。

4.2 围护系统有短板

目前还缺少与钢结构住宅配套的、成熟的围护体系，特别是缺少适用于高层钢结构住宅的外墙板，成为制约钢结构住宅发展的主要原因。

4.3 防腐蚀问题未解决

相对于钢筋混凝土建筑，钢结构建筑的两个突出缺点是防腐和防火问题。防火问题虽可通过涂覆防火涂料、使用防火板、包裹混凝土等方法解决，但按现行规范防腐蚀问题都要求定期油漆维护，住宅使用过程中面对众多业主，实际操作难度很大。

4.4 建筑成本偏高

目前钢结构装配式住宅尚未形成完整的产业链，且缺少可复制、大面积推广的建筑体系，无法形成规模优势。与传统的现浇钢筋混凝土结构相比，钢结构装配式住宅直接成本高，建造时间长。

5 发展思路