装配式钢结构居住建筑的技术研发与市场培育

1、装配式钢结构装配式钢结构居住居住建筑的建筑的技术研发和市场培育技术研发和市场培育2012.122012.12陈以一、王伟、童乐为、赵宪忠陈以一、王伟、童乐为、赵宪忠同济大学同济大学 土木工程学院建筑工程系土木工程学院建筑工程系 引言引言 陈以一陈以一 同济大学同济大学2012,12结构结构钢钢材材迄今仍是各种广泛应用的结构材料中最符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、合可持续发展要求、具备具备节能、环保、绿色优势的节能、环保、绿色优势的结构体系。结构体系。简介近年来同济大学和有关单位合作简介近年来同济大学和有关单位合作研究的研究的全装配全装配式钢结构框架体系、设置开竖缝钢板剪

2、力墙的多层式钢结构框架体系、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、钢钢结构体系、分层装配式钢结构体系、钢- -混凝土混凝土半组合结构体系。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。出有关市场拓展、技术研发和协同创新的建议。 主要内容主要内容 引言引言 陈以一陈以一 同济大学同济大学2012,12以以门式刚架体系门式刚架体系为典型的工业建筑和仓储建筑为典型的工业建筑和仓储建筑采用各种采用各种网架、网壳和张弦、张拉结构体系网架、网壳和张弦、张拉结构体系作为作为屋盖结构的交通

3、设施（铁路站屋、航站楼、公路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、交通枢纽）、体育设施、文化设施（剧场、影院、音乐厅）和会展设施音乐厅）和会展设施高层、超高层高层、超高层建筑采用的建筑采用的外围钢框架外围钢框架与与混凝土核混凝土核心筒心筒（或钢板剪力墙或钢板剪力墙）混合）混合结构体系结构体系 1990s后建筑钢结构在中国成功发展的后建筑钢结构在中国成功发展的 三大代表三大代表 引言引言 陈以一陈以一 同济大学同济大学2012,122012.09 AISC Structural Steel: An Industry Overview2011年全美非

4、居住和居住房屋中年全美非居住和居住房屋中58%为钢结构，超过钢筋混凝为钢结构，超过钢筋混凝土土(占比占比21%)；按；按2009年统计，非居住房屋每年统计，非居住房屋每1%耗钢耗钢 40,000吨，居住房屋每吨，居住房屋每1%耗钢耗钢 500吨。按吨。按09年同比估算，年同比估算，2011年全年全美非居住和居住房屋钢结构用钢为美非居住和居住房屋钢结构用钢为 210万万吨。吨。2004.09 JSSC 上海上海中日技术交流会介绍中日技术交流会介绍日本年竣工房屋建筑约日本年竣工房屋建筑约1/3为钢结构为钢结构， 1975-2003年每年建筑钢年每年建筑钢结构制造加工量在结构制造加工量在1000-1

5、200万吨间万吨间。2012中国钢协发布前年度中国钢协发布前年度227家家钢结构制造企业调查钢结构制造企业调查年制造量年制造量 1552 万吨万吨，其中建筑钢结构，其中建筑钢结构 947 万吨。万吨。我国建筑钢结构年建造量我国建筑钢结构年建造量 已逼平工业化国家已逼平工业化国家 引言引言 陈以一陈以一 同济大学同济大学2012,12住宅建筑仍是我国钢结构应用的短板！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！我国住宅建筑钢结构应有符合国情的特色！美国钢结构协会美国钢结构协会1998年资料：年资料： 1993年到年到1997年建成的钢结构住宅年建成的钢结构住宅分别占全

6、国住宅总套数的分别占全国住宅总套数的1.7%、2.9%、4.1%、5.7%、7.0%， 其中其中多数为单栋单户或双户的低层建筑。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，其中大多数为低左右，其中大多数为低层单户住宅，层单户住宅，4层以上的钢结构住宅不足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澳洲轻钢结构住宅市场占有率15%，每年均有明显增长。，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

7、用市居住区采用了钢结构联排式住宅。意大利采用BSAIS工业化建筑工业化建筑体系建造体系建造1-8层钢结构住宅。层钢结构住宅。 引言引言 陈以一陈以一 同济大学同济大学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。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在合适的维护条件下，可以长期安全使用。钢结构体系

8、便于钢结构体系便于拆装（拆装（Design for Deconstruction，DfD）及无废弃物化及无废弃物化。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等指标都将大幅度下降。从从可持续发展可持续发展战略战略认识推进认识推进居住居住建筑钢结构建筑钢结构发展发展的意义的意义 适用住宅建筑的钢结构体系研发适用住宅建筑的钢结构体系研发 1 陈以一陈以一 同济大学同济大学2012,12全装配式钢结构框架体系全装配式钢结构框

9、架体系 适用住宅建筑的钢结构体系研发适用住宅建筑的钢结构体系研发 1 陈以一陈以一 同济大学同济大学2012,12全装配式钢结构框架体系全装配式钢结构框架体系采用端板式全螺栓连接的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。实验表明这类柱梁节点可以确保刚接性柱梁节点可以确保刚接性能能；施工实践表明全螺栓施工实践表明全螺栓连接在调整安装偏差方面连接在调整安装偏差方面完全可行完全可行。利用节点域剪切耗能充分、利用节点域剪切耗能充分、稳定的特点。稳定的特点。弹性阶段可利用填充墙体弹性阶段可利用填充墙体材料在结构体系中的刚度材料在结构体系中的刚度和承载力贡献和承载力贡献。 适用住宅建筑的钢结

10、构体系研发适用住宅建筑的钢结构体系研发 1 陈以一陈以一 同济大学同济大学2012,12采用薄柔构件。这类构件属于采用薄柔构件。这类构件属于“低延性低延性”构件而非构件而非“无延无延性性”构件，在其保证屈服承载力以及罕遇地震作用下的变构件，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形限值范围内保持一定水平承载力的前提下加以应用。提。提出了出了替代长期沿用的单一板件宽厚比限值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全装配式钢结构框架体系两项基本要求：两项基本要求：（1 1） 考虑局部屈曲后强度按有效考虑局部屈曲后强度按有效截面计算的极限

11、承载力大于按毛截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面计算的边缘屈服承载力（2） 水平往复荷载作用下构件相水平往复荷载作用下构件相对位移达到对位移达到 1/50时，其承载力水平时，其承载力水平不低于极限承载力的不低于极限承载力的75% ueVV50u0.75VV满足基本要求满足基本要求的宽厚比限值的宽厚比限值 适用住宅建筑的钢结构体系研发适用住宅建筑的钢结构体系研发 2 陈以一陈以一 同济大学同济大学2012,12设置开竖缝钢板剪力墙的设置开竖缝钢板剪力墙的多层钢结构体系多层钢结构体系墙板提供水平刚度、墙板提供水平刚度、强度、耗能能力，优强度、耗能能力，优先屈服先屈服墙板损坏后

12、可方便更墙板损坏后可方便更换换墙板刚度、强度可分墙板刚度、强度可分别满足别满足 适用住宅建筑的钢结构体系研发适用住宅建筑的钢结构体系研发 2 陈以一陈以一 同济大学同济大学2012,12设置开竖缝钢板剪力墙的设置开竖缝钢板剪力墙的多层钢结构体系多层钢结构体系已解决问题已解决问题弹性刚度弹性刚度屈服承载力和极限承载力屈服承载力和极限承载力基本构造基本构造新新研究问题研究问题p螺栓连接滑移螺栓连接滑移p加劲构造刚度要求；上下梁约束刚度要求加劲构造刚度要求；上下梁约束刚度要求p竖向荷载影响竖向荷载影响p框架框架- -剪力墙协同工作的设计原则剪力墙协同工作的设计原则 适用住宅建筑的钢结构体系研发适用住

13、宅建筑的钢结构体系研发 2 陈以一陈以一 同济大学同济大学2012,12设置开竖缝钢板剪力墙的多层钢结构体系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验验证，表明在结构相对变形角超过2%2%前可以有效避免高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强度螺栓摩擦型连接中产生的滑移和噪声。提出了提出了“竖杆竖杆+ +斜杆斜杆”的剪力墙简化模型的剪力墙简化模型

14、。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上限，以及可适用的最大结构层数。提出了框架提出了框架- -带竖缝钢板剪力墙体系中剪力墙带竖缝钢板剪力墙体系中剪力墙先先行屈服的设行屈服的设计原则计原则。 适用住宅建筑的钢结构体系研发适用住宅建筑的钢结构体系研发 2 陈以一陈以一 同济大学同济大学2012,12设置开竖缝钢板剪力墙的多层钢结构体系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上下梁约束刚度要求

15、非线性分析非线性分析u墙体墙体顶顶面面无无转动约束转动约束Pcr1264.5 kN Pu920 kN Pcr1561.1 kN u墙体墙体顶顶面面完全完全转动约束转动约束Pu1110 kN 4pppE IKH3344bbabbbbE IE IBBKaabbbbbrpKKbr0.16转动约束刚度比转动约束刚度比最小值最小值brbrP屈曲分析屈曲分析 适用住宅建筑的钢结构体系研发适用住宅建筑的钢结构体系研发 2 陈以一陈以一 同济大学同济大学2012,12设置开竖缝钢板剪力墙的多层钢结构体系设置开竖缝钢板剪力墙的多层钢结构体系 单剪力墙系统单剪力墙系统F=0框框- -剪系统剪系统整体行为整体行为剪

16、力墙行为剪力墙行为F=0.25Fcr试验评估试验评估FEMFEM 评估评估水平力水平力- -侧移关系侧移关系结论结论剪力墙相对轴压剪力墙相对轴压不超过不超过0.5屈曲荷屈曲荷载，水平承载力载，水平承载力下降不超过下降不超过10%带竖缝剪力墙可带竖缝剪力墙可用于用于30层建筑层建筑1/1001/50 适用住宅建筑的钢结构体系研发适用住宅建筑的钢结构体系研发 3 陈以一陈以一 同济大学同济大学2012,12分层装配式钢结构体系分层装配式钢结构体系特点：（特点：（1）梁贯通、柱分层，易于实现工业化建造；（）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）采用柔性抗拉支撑，不过分追求结

17、构耗能；（过分追求结构耗能；（3）现场安装采用全螺栓连接；（）现场安装采用全螺栓连接；（4）采用模数化设计与定型）采用模数化设计与定型开发的标准化构件。开发的标准化构件。 适用住宅建筑的钢结构体系研发适用住宅建筑的钢结构体系研发 3 陈以一陈以一 同济大学同济大学2012,12分层装配式钢结构体系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。-10.0-7.5-5.0-2.50.02.55.07.510.0-120-90-60-300306090120试验有限元梁翼缘屈服线模型梁翼缘屈服线模型 适用住宅建筑的钢结构

18、体系研发适用住宅建筑的钢结构体系研发 3 陈以一陈以一 同济大学同济大学2012,12分层装配式钢结构体系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bPHBLLL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向变形达到1/251/25

19、时仍能有效保持水平承载力和作用其上的重力荷载。时仍能有效保持水平承载力和作用其上的重力荷载。 适用住宅建筑的钢结构体系研发适用住宅建筑的钢结构体系研发 3 陈以一陈以一 同济大学同济大学2012,12分层装配式钢结构体系分层装配式钢结构体系验证了结构整体的抗震能力验证了结构整体的抗震能力。 适用住宅建筑的钢结构体系研发适用住宅建筑的钢结构体系研发 3 陈以一陈以一 同济大学同济大学2012,12分层装配式钢结构体系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。确定了弹性和塑性两阶段的设计计算方法。 适用住宅建筑的钢结构体系研发适用住宅建筑的钢结构体系研发 4 陈以一陈以一 同济大学

20、同济大学2012,12钢钢- -混凝土半组合结构体系混凝土半组合结构体系可预制、装配程度高可预制、装配程度高节约钢材节约钢材提高局部稳定性提高局部稳定性提高钢构件抗火性能提高钢构件抗火性能节省涂料节省涂料 适用住宅建筑的钢结构体系研发适用住宅建筑的钢结构体系研发 4 陈以一陈以一 同济大学同济大学2012,12钢钢- -混凝土半组合结构体系混凝土半组合结构体系将薄柔钢构件应用到半组合结将薄柔钢构件应用到半组合结构中构中。对便于预制化的构造细节进行对便于预制化的构造细节进行了比较研究，逐一剔除多余细了比较研究，逐一剔除多余细节，改进构造连接。节，改进构造连接。正在进行柱梁节点全装配连接正在进行柱

21、梁节点全装配连接和半装配连接的构造研究。和半装配连接的构造研究。 若干思考若干思考 钢结构住宅发展的关键不在钢结构住宅发展的关键不在“钢结构钢结构”陈以一陈以一 同济大学同济大学2012,12建筑建筑 vsvs 结构结构围护围护结构结构 vsvs 主体结构主体结构楼板预制楼板预制化化、装配、装配化化墙板预制墙板预制化化、装配化、装配化、功能化功能化功能要求功能要求 vs vs 结构性能结构性能管线集约化管线集约化、配件标准化配件标准化装配式工业化居住建筑：装配式工业化居住建筑：以以全全钢结构为主，钢结构为主，包容钢包容钢- -预制预制化化混凝土结构、混凝土结构、 钢钢- -预制化预制化组合与半

22、组组合与半组合结构合结构 若干思考若干思考 钢结构住宅发展的市场因素重于技术因素钢结构住宅发展的市场因素重于技术因素陈以一陈以一 同济大学同济大学2012,12市场到底关注什么？市场到底关注什么？钢结构抗震性能钢结构抗震性能优越优越？ 对缺少震灾体验的广大用户，对缺少震灾体验的广大用户，就直接可感度而言，就直接可感度而言， 良好良好居住性居住性的要求远的要求远高于灾难事件下的安全性高于灾难事件下的安全性 良好良好居住性：居住性：包含所有舒适性、易维护性包含所有舒适性、易维护性钢结构有利于钢结构有利于可持续发展？可持续发展？ 对业主，对业主，7070年产权期内的性能更为重要，年产权期内的性能更为

23、重要， 与其说减排、循环与其说减排、循环 不如是隔热、保温、隔声、防渗、减振、不如是隔热、保温、隔声、防渗、减振、室内环境室内环境 若干思考若干思考 钢结构住宅发展的市场因素重于技术因素钢结构住宅发展的市场因素重于技术因素陈以一陈以一 同济大学同济大学2012,12市场到底关注什么？市场到底关注什么？节能？节能？ 业主业主会会接受，接受，更关注更关注使用期的能源费用降低使用期的能源费用降低缩短工期？缩短工期？ 投资方、建造方、乃至政府都乐见其成投资方、建造方、乃至政府都乐见其成 但但远远未未普遍、成规模普遍、成规模实现实现 即使相比纯混凝土结构，也还未显现绝对优势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）近期探索：远大可建公司（仍存争议、待发展） 印度印度 Synergy Thrislingtong 基建公司基建公司4848小时小时1010层楼层楼 ( (2012.12.042012.12.04解放日报解放日报 http:/ 201