第1章 绪论
1.1 装配式壁柱钢结构建筑
1.1.1 装配式壁柱钢结构建筑的产业背景
现今我国建筑业建设方式粗放、能源消耗大、生产效率低、技术含量低、对劳动力依赖度高、集约化和规模化程度低，建筑质量无法保证，对环境和资源造成极大的浪费和破坏。面对当前困局，我国建筑行业必须顺应时代发展进行转型升级，走可持续发展之路，走绿色发展之路，走工业化发展之路，关注建筑全生命周期的绿色化理念，推广绿色建筑，推进建筑产业现代化发展，这是我国建筑业实现转型升级的必由之路，装配式建筑贴合建筑工业化内涵，发展装配式建筑是建筑行业转型的*佳选择，同时国家和地方也密集出台了一系列大力发展装配式建筑的相关政策。
2015年11月4日国务院总理李克强主持召开国务院常务会议中明确提出“结合棚改和抗震安居工程等，开展钢结构建筑试点。扩大绿色建材等使用”。
2016年2月2日《国务院关于深入推进新型城镇化建设若干意见》(国发[2016]8号)中要求“坚持适用、经济、绿色、美观方针，提升规划水平，增强城市规划的科学性和权威性，促进‘多规合一’，全面开展城市设计，加快建设绿色城市、智慧城市、人文城市等新型城市，全面提升城市内在品质。”
2016年2月6日国务院印发《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》中要求“大力推广装配式建筑，减少建筑垃圾和扬尘污染，缩短建造工期，提升工程质量。制定装配式建筑设计、施工和验收规范。完善部品部件标准，实现建筑部品部件工厂化生产。鼓励建筑企业装配式施工，现场装配。建设国家*装配式建筑生产基地。加大政策支持力度，力争用10年左右时间，使装配式建筑占新建建筑的比例达到30％。积极稳妥推广钢结构建筑。”
2016年3月5日在第十二届全国人民代表大会第四次会议上李克强在政府工作报告中再次提出“积极推广绿色建筑和建材，大力发展钢结构和装配式建筑，提高建筑工程标准和质量。”这也是在国家政府工作报告中*次单独提出发展钢结构。
2016年9月30日《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》(国办发〔2016〕71号)要求“通过多种形式深入宣传发展装配式建筑的经济社会效益，广泛宣传装配式建筑基本知识，提高社会认知度，营造各方共同关注、支持装配式建筑发展的良好氛围，促进装配式建筑相关产业和市场发展。”
2017年2月21日《国务院办公厅关于促进建筑业持续健康发展意见》中提出“全面贯彻党的十八大和十八届二中、三中、四中、五中、六中全会以及中央经济工作会议、中央城镇化工作会议、中央城市工作会议精神，深入贯彻习近平总书记系列重要讲话精神和治国理政新理念新思想新战略，认真落实党中央、国务院决策部署，统筹推进‘五位一体’总体布局和协调推进‘四个全面’战略布局，牢固树立和贯彻落实创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，坚持以推进供给侧结构性改革为主线，按照适用、经济、安全、绿色、美观的要求，深化建筑业‘放管服’改革，完善监管体制机制，优化市场环境，提升工程质量安全水平，强化队伍建设，增强企业核心竞争力，促进建筑业持续健康发展，打造‘中国建造’品牌。”
2017年2月24日 《国务院办公厅关于促进建筑业持续健康发展的意见》 (国办发〔2017〕19号)要求“进一步深化建筑业‘放管服’改革，加快产业升级，促进建筑业持续健康发展，为新型城镇化提供支撑。”
2017年3月23日住房城乡建设部印发《“十三五”装配式建筑行动方案》(建科[2017]77号)，指出“进一步明确阶段性工作目标，落实重点任务，强化保障措施，突出抓规划、抓标准、抓产业、抓队伍，促进装配式建筑全面发展。”
2018年6月27日《国务院关于印发打赢蓝天保卫战三年行动计划的通知》中要求“以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，全面贯彻党的十九大和十九届二中、三中全会精神，认真落实党中央、国务院决策部署和全国生态环境保护大会要求，坚持新发展理念，坚持全民共治、源头防治、标本兼治，以京津冀及周边地区、长三角地区、汾渭平原等区域(以下称重点区域)为重点，持续开展大气污染防治行动，综合运用经济、法律、技术和必要的行政手段，大力调整优化产业结构、能源结构、运输结构和用地结构，强化区域联防联控，狠抓秋冬季污染治理，统筹兼顾、系统谋划、精准施策，坚决打赢蓝天保卫战，实现环境效益、经济效益和社会效益多赢。”
目前全国已有30多个省份出台了装配式建筑专门的指导意见和相关补助标准，不少地方更是对装配式的发展提出了明确要求，越来越多的市场主体开始加入装配式建筑的建设大军中。
短短几年时间里，对推广装配式建筑由“积极稳妥”到“大力推广”，这一变化包含着国家决策层面对推广装配式建筑的共识，也对装配式建筑的应用提出了新的要求。同时，各省市也纷纷出台落地政策和实施意见。装配式建筑已经得到社会和政府的广泛关注和重视。
1.1.2 装配式壁柱钢结构建筑的组成
钢结构建筑具有强烈的工业化特色、轻质高强的优势以及干式施工的方式，不仅可以大幅度提高工程质量和安全技术标准，实现绿色施工，还可以大幅度提高建筑的工作性能和使用品质，增强城市防灾减灾能力，*适合工业化装配式建筑体系。
发展钢结构建筑既化解了钢材市场的过剩产能，又推动了建筑产业化的进一步发展，得到国家政府部门的大力支持与推广。国外钢结构住宅以其显著的优点在住宅建筑中占据了相当大的比例，并且已经形成了完整配套的住宅产业化体系。目前，国内钢结构住宅发展十分缓慢，主要是由于我国的多高层钢结构住宅还存在很多问题，具体体现在：钢结构住宅的户型设计、结构形式、梁柱选取以及配套围护体系的选择等方面没有达成共识；多高层钢结构住宅的结构性能研究不充分；仍然没有一个得到认同的合理且行之有效的钢结构住宅体系。这些问题的存在直接影响了钢结构住宅在我国的推广。
随着一系列提倡钢结构建筑政策的出台，城市建设的发展及人们对住宅品质要求的不断提高都表明了钢结构建筑良好的发展前景。对于钢结构住宅，住户关注的不只是结构安全度，更关注其使用功能和建筑效果，即居住舒适度。因此，深入剖析钢结构住宅推广过程中的具体问题，从提高住宅居住舒适度的角度出发，对钢结构住宅结构体系进行优化，提出设计方案改进的合理建议，以解决钢结构住宅现有问题，并为今后钢结构住宅的设计提供参考，这具有重要的现实意义和应用价值。
1.壁式钢管混凝土柱与连接节点
矩形钢管混凝土柱(Concrete Filled Steel Tube Column，CFT Column)兼有钢结构及混凝土结构的优点，具有截面开展、抗弯刚度大、节点构造简单等特点，能够降低工程造价、缩短工期、节约材料、减少能耗，应用前景良好，已越来越多地在我国的工程中采用。国内规程CECS159—2004 《矩形钢管混凝土结构技术规程》中矩形钢管混凝土的高宽比*大限值为2.0，国外典型组合结构设计规范中未规定矩形钢管混凝土的高宽比限值。实际工程中，特别在住宅建筑中采用矩形钢管混凝土构件时，框架柱会凸出墙体，影响建筑功能。沿墙体方向适当加大截面长宽比可减少甚至避免框架柱凸出墙体，显著提升钢结构住宅品质。同时，矩形钢管混凝土绕强轴的抗弯承载力和刚度随着截面高宽比的增加而增大，可有效提高截面的受力效率，减少用钢量，降低造价。
目前，现有的研究和规范均未给出大截面长宽比钢管混凝土的抗震性能和相应的设计方法。因此，在总结以往钢管混凝土研究的基础上，提出了一种适用于钢结构住宅的新型壁式钢管混凝土柱(Walled Concrete Filled Steel Tube Column，简称壁式柱)，其典型的柱截面如图1.1.1所示。为减小截面长边钢板宽厚比，并对混凝土形成有效约束，在焊接矩形钢管腔内增加纵向分隔钢板，或在热轧矩形钢管间焊接钢板，形成两腔或壁式钢管混凝土柱[1.5]。
图1.1.1 壁式钢管混凝土柱截面
梁柱节点是框架结构、框架–支撑结构和框架–钢板墙结构连接与传力的枢纽，能有效协调梁柱变形，对结构整体受力性能和抗震性能具有至关重要的作用。长期以来，各类钢结构建筑广泛采用环板式、内隔板式和贯通隔板式等常规梁柱刚性连接节点，并且认为这种连接的抗震性能良好。然而，在1994年美国北岭地震(Northridge Earthquake)和1995年日本阪神地震(Kobe Earthquake)中，传统的梁柱刚性连接节点发生了大量意料之外的破坏。由北岭震害调查可以看出，尽管钢框架结构在地震中没有发生倒塌破坏，但是在梁柱连接节点位置柱翼缘处发现了大量的脆性断裂，在日本阪神地震中，梁柱连接节点处同样发生了大量脆性裂缝，梁端没有形成塑性铰，其中*常见的是在梁下翼缘与柱翼缘焊接处或附近部位发生脆断，有些结构破坏严重，甚至发生倒塌。同时，传统梁柱连接节点工厂制作难度大、现场安装效率低等间接提高了工程造价。
壁式钢管混凝土柱是一种新型的构件截面，相对常规钢管混凝土柱增加了内部隔板，且截面宽度较小，常规梁柱连接节点已无法满足此截面形式。针对壁式柱的截面形式和受力特点，本书提出了平面内双侧板(Double Side Plate，DSP)梁柱连接节点(图1.1.2)[6.11]和平面外对穿拉杆–端板梁柱连接节点(图1.1.3)[12，13]。平面内双侧板节点使用双侧板连接梁端与钢柱，梁端与钢柱完全分离。双侧板迫使塑性铰由节点区域外移，并增加了节点核心区的刚度，消除了传统梁柱节点转动能力对柱节点区的依赖。梁柱之间的物理隔离消除了梁翼缘与柱翼缘处焊缝脆性破坏的可能性。平面外对穿拉杆梁柱连接节点较好的适应壁式柱截面宽度小的特点，具有加工制作简单、现场安装方便和装配化程度高的特点。
图1.1.2 平面内双侧板梁柱连接节点
图1.1.3 平面外对穿拉杆–端板梁柱连接节点
双侧板梁柱连接节点是壁式钢管混凝土柱平面内连接*优的解决方案之一，由于平面外刚性连接较为复杂，一般情况下采用铰接连接方式。高层框架结构体系为保证结构具有足够的冗余度，要求梁柱节点采用刚性连接。已有研究表明，钢管混凝土穿芯螺栓(拉杆)–端板连接节点具有较好的抗震性能，但该节点形式存在不便于现场安装，不能施加预应力等缺点。在已有研究的基础上，提出了装配式穿芯拉杆–端板梁柱连接节点，其具有连接刚度大，易装配施工等优点[5]。
以少规格、多组合的思路将新型壁式钢管混凝土柱进行组合，提出了壁式钢管混凝土柱–钢连梁体系(图1.1.4)，相比于传统钢筋混凝土连梁，钢连梁能够避免在强烈地震作用下的脆性剪切破坏，保证连梁持续耗能，充分发挥多道防线的优势，表现出良好的抗震性能[14]。
图1.1.4 壁式钢管混凝土柱–钢连梁体系连接节点
2.装配式壁式钢管混凝土柱高层钢结构建筑体系[15]
装配式壁式钢管混凝土结构体系(Walled Concrete Filled Steel Tube System，WCFTS)高层钢结构建筑体系是由西安建筑科技大学绿色装配式钢结构研发中心*新研发的绿色集成高层钢结构建筑体系。该体系分为高层住宅建筑(图1.1.5)和高层办公建筑(图1.1.6)两大体系。其中，WCFTS住宅建筑体系为壁式钢管混凝土–支撑结构体系或组合壁式钢管混凝土异形柱–支撑结构体系；WCFTS公共建筑体系为壁式柱核心筒–钢管混凝土框架结构体系。
图1.1.5 高层住宅建筑WCFTS结构体系
图1.1.6 高层办公建筑WCFTS结构体系
WCFTS壁式钢管混凝土–支撑和组合壁式钢管混凝土异形柱–支撑结构体系采用协同设计理念及流程。*先，在不影响建筑功能品质的前提下，以标准柱网为单位设计户型；其次，结构与建筑协同划分抗侧力单元；*后，形成合理的建筑功能布置和有效的传力体系。
展开
