胡欣财
中国建筑第二工程局有限公司 北京市100000
摘要：预制装配式结构可有效缩短施工周期、提高施工安全性、降低施工人力需求、保障施工质量、减少建筑垃圾、降低建筑生命周期内能量消耗、提升建筑工程生态环境效益，在部分发达国家及地区已有较多应用。
关键词：装配式钢结构；装配式节点；抗侧系统；抗震性能；
装配式钢结构也被称为集成钢结构，是一种由多个模块组成并集绿色规划设计、绿色建筑材料、绿色现场施工等于一体的新型结构体系。其施工过程是先在工厂中对不同模块构件进行标准化加工制作，然后将各个制作完成的模块统一运送到施工现场，最后利用高强螺栓将不同的模块进行快速拼接装配，形成一个整体结构。我国装配式钢结构相较于欧洲起步较晚，但在国家政策的支持下得到了迅速的发展。目前，装配式钢结构在我国建筑中已经占据了重要位置。使用钢结构不仅有利于节能减排，还能促进我国建筑行业的可持续发展。
一、装配式钢结构的优势
1.装配式钢结构是指建筑结构由钢构件构成的装配式建筑，而装配式钢结构建筑必须是钢结构、围护系统、设备与管线系统、内装系统的和谐统一。装配式钢结构相比于装配式混凝土具有以下优势：（1）无现场现浇节点，更能保障施工质量；（2）钢材是延性材料，自重较轻，抗震性能更好；（3）钢结构质量比混凝土轻、能有效减轻自重；（4）钢材可被回收，可重复利用；（5）在装配式钢结构住宅的设计和施工方案得到保证的前提下，相较于装配式混凝土更经济。（6）装配式钢结构梁柱截面小，空间利用率高。
2.装配式钢结构相对于传统钢结构具有以下优点：（1）绿色施工，无建筑垃圾；（2）装配迅速，工期短，节省成本；（3）梁柱节点刚度控制灵活，延性好；（4）设计、生产、装修和管理更加科学和高效。
二、装配式钢结构体系
1.装配式钢结构体系抗震性能数值模拟。基于较为精细的有限元模型，分析了模块单元间采用竖向贯通式预应力拉索连接的装配式钢结构的地震反应，得到了３种结构失效模式，并给出了加固方法。设计了７层标准户型的装配式箱体模块住宅结构，并与增加辅助立柱、横梁和设置侧向辅助拉索的方案进行对比分析。结果表明：侧向辅助拉索对结构侧向刚度贡献很大，节点刚接也能有效提高结构抗侧刚度。还给出了合理的７层装配式模块结构方案。针对远大Ｓ３０装配式斜支撑钢框架结构体系，提出了采用弹簧单元建立节点简化分析模型的方法。其计算结果表明：该体系中轻型钢楼梯对整体刚度的影响可以忽略，结构侧向变形曲线介于框架结构和剪力墙结构变形曲线之间。强调：装配式带支撑钢框架结构的梁、柱设计应考虑支撑屈服后引起的内力重分布。同时，进一步考虑了由内力重分布、设计假定偏差及屈服后刚度等因素导致的对结构超强系数的影响，指出装配式带支撑钢框架结构抗震能力储备高于加拿大设计规范推荐值。基于静力非线性分析获得轻型钢板模块化装配式结构的能力曲线，并在此基础上定义结构的超强系数和延性系数，从而获得了计算结构非线性地震反应的弹性修正系数。将增量动力分析和能力谱法相结合，对典型梁贯通式支撑钢框架结构进行分析计算。结果表明：支撑与框架柱的配置比例及布置方式会对此类结构的强度折减系数产生影响。据此，议了该新型结构体系的地震作用取值范围。装配式钢结构整体的地震反应和抗震性能不仅与体系特征直接相关，还受到诸多细部构造的影响。事实上，提到了细部构造对装配式钢结构整体抗震性能的影响。曾采用静力推覆分析和增量动力分析计算了一个４层模块化装配式钢结构的地震反应，在计算模型中考虑了装配式节点的实际约束状况和构造细节。
计算结果表明：隔板作用、模块间相对位移及扭转、竖向连接之间的内力传递情况和柱的竖向不连续等因素均可能导致连接件的塑性变形集中。由于构造细节、连接方式、构件特征、体系类型等均对装配式钢结构的整体抗震性能影响很大，故在数值模拟中可采用多尺度有限元模拟方法，以考虑结构中存在的摩擦、滑移、裂缝开展、连接局部失效、塑性变形累积等复杂效应，从而较为准确地评估装配式钢结构的整体地震反应特征和抗震性能。
2.装配式钢结构体系抗震性能试验。与数值模拟相比，大型足尺模型试验更能直观反映装配式钢结构的整体抗震性能，揭示结构薄弱环节，暴露分析、设计中被忽略的重要问题。进行了两个大比例装配式钢梁－预制混凝土柱－基础组合框架子结构试件的低周往复加载试验。结果表明：合理设计后的装配式钢梁－预制柱组合框架结构的强度、侧移延性和屈服后变形能力等均能够满足抵抗地震作用的需要。完成的梁贯通式钢支撑装配式框架足尺往复加载试验表明：此类装配式钢结构可在层间位移角达到１／10时保持稳定，但由于支撑屈曲，结构滞回环出现捏拢现象。对１榀钢框架－型钢混凝土抗侧力墙装配式结构体系足尺试件进行了水平低周往复加载试验。结果表明：该体系具有可靠的整体性，结构位移延性系数在3.1～3.3之间；墙体开裂前，抗侧力墙体承担约60％的水平剪力，钢框架则承担了70％～85％的倾覆弯矩。对３个单层双肢冷弯薄壁Ｃ形钢单跨框架进行了低周循环加载。研究结果表明：各框架最终均发生面内整体破坏，且伴有梁端板件及柱脚腹板的局部失稳。与一般混凝土结构及轻型门式刚架结构相比，双肢冷弯薄壁Ｃ形钢框架表现出较好的延性与耗能性能。考虑装配式支撑钢框架结构整体对核心模块新型斜支撑柱的约束作用，进行单层双跨足尺模型试验研究。
三、震后可恢复功能的装配式钢结构
近年来，侧重于减少地震所致经济损失的第２代基于性能的抗震设计理念在工程项目的规划和设计中得到越来越多的重视和应用。这一理念除着重控制建筑结构地震损伤外，更注重减少地震导致的“综合３Ｄ损失。在此背景下，研究人员开始注重保障地震后建筑使用功能的连续性或建筑使用功能的快速恢复能力。目前，对于装配式钢结构建筑而言，实现上述目的主要依靠自复位技术和损伤控制技术。总体而言，这一思路在实际应用上存在施工不便等问题，其可靠性也有待检验。相对而言，利用新型自复位支撑结合弹塑性耗能支撑，更易实现结构自复位的目的。计算了设置ＳＭＡ支撑的装配式钢框架结构的地震反应。结果表明：ＳＭＡ支撑可有效减少结构震后残余变形。由于装配式钢结构具备模块化、部件化、预制化等特点，其抗震设计中引入损伤控制理念，采用易于更换的损伤元件，可实现震后快速恢复建筑使用功能的目的。例如，在钢梁内设置缩减截面的预期损伤段，并将预期损伤段与弹性梁段进行可靠连接，则可将强震导致的结构塑性变形限制在梁内预期损伤段，震后仅需将损伤梁段更换，即可恢复建筑功能。关于可更换（预制）损伤元件的相关研究进展及其在结构中的应用。现阶段，新型损伤控制装配式钢结构的损伤元件设计、损伤控制方式、损伤部件拆换施工工法等均未形成统一的标准，因此，尽管基于损伤控制设计实现震后建筑功能快速恢复的理念比较先进，但要在短时间内将先进理念付诸于规模化实际应用，尚存在困难。 目前应在进一步开展相关研究的同时，努力形成企业、地区、行业乃至国家级的相关标准、规范，并争取在高烈度地区建造震后建筑功能可恢复的装配式钢结构的典型示范工程，才能将装配式钢结构的诸多优势从理论研究中拓展到实际应用中，使我国的装配化建造水平得到提升。
总之。应促进装配式钢结构设计与施工相关规范、规程、标准尽快形成，并应用目前相对成熟的若干装配式钢结构抗震部品、元件和相应设计方法，建造典型示范工程，以促进装配式钢结构的推广应用。
参考文献：
［１］赵华．探讨装配式钢结构抗震性能研究进展.2020.
［２］王晓玲，关于装配式钢结构抗震性能研究进展.2019.