装配式钢混组合框架结构设计要点与分析

装配式钢混组合框架结构设计要点与分析

摘要：学校是一种重要的公共建筑，具有标准化程度高，跨度大的特点。以深

圳市某学校工程项目为例系统阐述了装配式钢混组合框架结构的主体和预制构件

设计要点。结构采用预制混凝土柱、钢梁及预制混凝土叠合板，预制柱与钢梁通

过预埋钢节点连接，钢梁与混凝土板通过栓钉形成组合梁，从而构成完整受力体系。此次探索与实践表明装配式钢混组合框架结构体系既能满足建筑使用功能的

舒适性，保证结构的安全性，又能缩短工期，节省材料，达到绿色环保的要求；

为今后类似装配式建筑设计与建造做出了积极探索，可以为以后同类项目提供宝

贵的经验。

关键词：大跨度装配式建筑；钢混组合框架结构；预制构件设计；预埋钢节点；组合梁

前言

基于“创新、协调、绿色、开放、共享”的五大发展理念，坚持“绿色发展”、“以人为本”，装配式建筑的出现不仅能满足建筑的舒适性，也是目前及今后一段时期内国家大力倡导的建

筑建造方式。装配式建筑的出现是人口增长对于住房需求提升的体现，现在的住房不仅要求

要有足够的舒适度，还要更加环保、绿色、节能。装配式建筑与传统方式相比，工厂生产不

受恶劣天气等自然环境的影响，工期更为可控，且生产效率远高于手工作业；具有精度高、

质量高、可大幅降低人工依赖、节水节电节材环保、有较完整的标准设计体系、结构抗震性

能好、建筑使用面积可增加等优点。目前装配式建筑在住宅建筑领域已经有了较多的项目经验；针对学校、医院、展馆等公共建筑的研究与项目经验较少。基于此，对装配式建筑大跨

度快速建造体系进行了探索，开发了装配式钢混组合结构建筑体系，并在几所学校项目工程

中实践应用，取得了良好的实践效果；探索表明装配式钢混组合体系可以缩短工期，节约成本，建筑质量可靠。本文基于深圳市某学校工程项目，系统阐述装配式钢混组合框架结构的

结构主体设计过程以及预制构件设计方法。

1. 工程概况

深圳市某学校工程项目位于坪山中心区，总建筑面积约10.2万m2，含2栋6层教学楼

和1栋14层宿舍楼；本项目是采用设计-采购-施工总承包（EPC）模式承建的装配式学校建

筑项目。项目结构体系采用装配式钢混组合框架结构体系建造，预制构件主要包括预制柱、

预制钢梁、预应力带肋叠合楼板、普通叠合楼板、预制阳台与空调板、预制楼梯和预制隔墙等。学校预制率为66.5%，装配率为86.5%。本项目是全国首个超短工期的装配式学校建设项目，是华南地区首个采用PC构件与型钢结构组合体系的项目，是深圳市建设工程安全生产

与文明施工优良工地奖项目。

2. 装配式学校结构主体设计

中小学教学楼一般包括教学部分、办公部分和生活辅助部分。教学部分包括普通教室、

机动教室/选修课教室、专用教室、公共教学用房及相应的辅助用房等，办公部分包括教室办公、行政办公、会议室和广播室等。基于教学楼建筑功能相对稳定的特点，各功能区容易做

到建筑的标准化设计。本项目学校教室空间跨度为横纵向相邻预制柱间距9m，是典型的大

跨度建筑项目。

2.1装配式学校装配式设计组合方案

根据《建筑工程抗震设防分类标准》，中小学教学楼的建筑工程抗震设防分类为乙类，

且中小学教学楼一般层数为6层，高度在24m以内。根据《建筑结构荷载规范》，中小学教

学楼教室、走廊等功能区楼面活荷载标准值在2.0~3.5kN/m2之间。因此，教学楼可采用双跨

框架结构体系。学校建筑采用钢混组合框架结构体系，由3部分组成：预制钢筋混凝土柱、

钢混组合梁及预制叠合楼板（见图1）。预制柱采用600mm×600mm矩形柱，预制柱竖向节

点连接采用全灌浆套筒连接；楼盖形式采用一跨内一道次梁，主次梁均选用钢梁，钢梁通过

预制柱内预埋钢构节点（见图2）与预制柱采用高强度螺栓干法连接（见图3）。大跨度楼

面采用预制预应力带肋叠合楼板（见图4）、小跨度楼面采用普通叠合楼板，阳台等采用预

制阳台板和预制空调板，预制楼面构件与钢梁搭接并绑扎板面钢筋后采用混凝土整体浇筑。

钢混凝土组合结构体系承载能力和刚度高，截面面积小；钢骨承受受拉荷载，混凝土承受压

力荷载，将材料的特性充分发挥了出来。

图4预应力倒双T形叠合楼板

2.2体系结构受力分析

组合结构是钢和混凝土通过某种构造方式组合成为整体共同工作的一种结构，兼具钢结

构和混凝土结构的特性。组合梁是钢梁和混凝土板通过抗剪连接件连成整体而共同受力的横

向承重构件，充分利用钢梁的抗拉性能和混凝土楼板的抗压性能；钢梁顶设置栓钉，使混凝

土楼板和钢梁协同工作；腹板有规律开洞，便于机电内装一体化设计及安装；比同跨度、同

荷载情况下混凝土梁截面更小、自重更轻；与混凝土梁同梁高情况下，组合梁跨度更大；工

厂化生产，制作加工方便，现场施工效率高。

结构整体计算采用盈建科建筑结构设计软件建模（见图5），连接节点采用有限元软件

补充计算，并进行足尺寸抗震性能实验。通过分析计算与实验，得出整体结构安全稳定的结论。

在盈建科模型中梁柱节点简化为固接，梁柱节点各节点构件尺寸根据节点有限元计算得出。在整体计算中，与现浇建筑计算无异；梁柱节点为刚接；主梁与次梁节点为铰接；在梁

计算中设定梁为组合梁，次梁的翼缘宽度根据《组合结构设计规范：JGJ138-2016》12.1.1条

取值，主梁的翼缘宽度取柱宽，并在柱宽范围内增加板附加筋（见图6）。

3. 预制构件设计要点

本项目预制构件平面布置如图7所示，预制构件主要有预制柱、钢梁、预制预应力带肋

叠合楼板（绿色部分）、普通叠合楼板（紫色部分），预制楼梯（斜杠开洞处），预制阳台

和空调板（黄色部分）。

图7预制构件平面布置

3.1预制柱的设计

预制框架柱（见图8a）是结构竖向构件，传递竖向荷载、抵抗水平力，是最重要的结构构件。预制柱通过预埋钢节点，与钢梁通过高强螺栓连接；预制柱的上部留有插筋，在安装

时将插筋插入上层柱的灌浆套筒，预制柱定位对接后通过灌浆孔注浆进行连接。在设计预制

柱时，为了减少预制柱的种类，将预制柱的纵筋归并为直径Ф25和Ф32两种，箍筋采用长加密形式（见图8b）。

3.2预应力带肋叠合楼板的设计

预应力带肋叠合楼板主要有2种尺寸：1200mm（宽）×4375mm（长）和1375mm（宽）×4375mm（长）；板底纵向钢筋1号钢筋采用预应力钢绞线（见图10）；预制板厚度为