一种抗侧力与抗重力分开的住宅钢结构体系及其施工方法与流程

本发明涉及建筑工程技术领域，尤其涉及一种抗侧力与抗重力分开的住宅钢结构体系及其施工方法。

背景技术：

随着我国经济社会的快速发展，传统建筑业高污染、高能耗、高资源消耗的发展模式逐渐遇到瓶颈，绿色建筑和建筑工业化成为当前建筑行业发展的新趋势。钢结构建筑天生具有工业化建造特征，是工业化建筑的最佳载体。在量大面广的住宅建筑中推广应用钢结构，发展抗侧力与抗重力分开的住宅钢结构体系具有重要的理论与实际意义。

目前抗侧力与抗重力分开的住宅钢结构体系多直接套用多高层办公楼、医院、教学楼等建筑中常用的钢框架、钢框架-支撑、钢框架-剪力墙结构体系等，缺乏适合于住宅建筑的专有抗侧力与抗重力分开的住宅钢结构体系。与办公楼、医院、教学楼等相比，住宅的建筑功能更多，要求也更为严格。目前常见的抗侧力与抗重力分开的住宅钢结构体系普遍存在以下问题：（1）梁柱连接以焊接为主，存在现场焊接量大，施工速度慢，施工质量难以保证等问题。（2）钢柱和钢梁尺寸较大，导致室内存在露梁露柱的问题，由此形成的柱棱和梁台影响室内观瞻和住宅的使用功能。（3）钢结构防火、防腐性能差,防腐防火费用高。（4）用钢量大，造价偏高，制约了钢结构住宅的推广。（5）工业化程度低，大量的楼板、楼梯等构件仍然以现场浇筑为主。

因此，寻求装配化程度高、适用性好（室内无柱棱和梁台）、防腐防火费用省、成本适中的抗侧力与抗重力分开的住宅钢结构体系成为本领域技术人员亟需解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种结构装配化程度高、适用性好的抗侧力与抗重力分开的住宅钢结构体系；具体技术方案为：

一种抗侧力与抗重力分开的住宅钢结构体系，包括钢架结构和空心楼盖；所述钢架结构由钢柱和钢梁构成；所述空心楼盖包括预制底板、肋梁、填充箱和现浇混凝土层；所述钢梁为H型截面；由上翼缘、腹板和下翼缘组成；所述下翼缘比上翼缘宽。

进一步，所述下翼缘比上翼缘宽40~120mm。

进一步，所述腹板上设置有通孔，所述通孔中设置有贯通钢筋。

进一步，所述装配式空心楼盖上端面高于所述钢梁上翼缘50~120mm或与之平齐。

进一步，所述钢架结构的钢柱为双管组合柱，所述双管组合柱包括在墙面内设置的两根钢管柱肢、若干组柱间梁和柱侧牛腿；所述柱间梁设置在所述钢管柱肢之间，与钢管柱肢焊接连接，同组所述柱侧牛腿梁与柱间梁在同一平面；所述柱侧牛腿梁上设置有螺栓安装孔。

进一步，所述柱间梁的翼缘与所述柱侧牛腿梁的翼缘一体设计。

进一步，钢柱采用法兰式拼接节点；所述法兰式拼接节点包括法兰柱肢、节点柱肢和节点区；所述节点区与所述节点柱肢焊接为一体，所述节点区的端面设置有与所述法兰柱肢下端的法兰适配的连接端板，所述法兰与所述连接端板通过螺栓固定连接。

进一步，所述法兰的中心开设有圆孔。

本发明还公开了上述抗侧力与抗重力分开的住宅钢结构体系的施工方法，包括以下步骤：

1）在工厂内制作双管组合柱及钢梁和连接件；

2）在工厂绑扎预制底板钢筋，浇筑混凝土并进行养护，完成所述预制底板5预制；

3）在工厂制作腹板设置有贯通腹板正反面的通孔的钢梁2；

4)安装双管组合柱；在施工现场吊装钢梁，并与双管组合柱的钢柱连接，形成钢架结构；连接方式采用螺栓连接；

5）在施工现场吊装预制底板，搁置在钢梁的下翼缘上；

6）布置、固定填充箱，将贯通钢筋穿过腹板通孔，固定在腹板通孔内；

7）绑扎现浇混凝土层双向钢筋网；

8）浇筑现浇混凝土层，完成抗侧力与抗重力分开的住宅钢结构体系施工。

本发明所述的一种抗侧力与抗重力分开的住宅钢结构体系可以采用装配式施工，钢梁可以起到施工时支撑预制板的作用，现场无需支模，施工速度快。结构构造简单，钢梁可以替代部分空心楼盖柱上板带钢筋，避免柱上板带负弯矩筋与柱连接的难题。因此，上述抗侧力与抗重力分开的住宅钢结构体系及其施工方法可以应用于多高层钢结构建筑，尤其是在钢结构住宅中具有较好的推广应用前景。

附图说明

图1为本发明抗侧力与抗重力分开的住宅钢结构体系结构示意图；

图2为本发明抗侧力与抗重力分开的住宅钢结构体系结构示意图俯视图；

图3为空心楼盖结构示意图；

图4为本发明抗侧力与抗重力分开的住宅钢结构体系局部结构示意图；

图5为边部组合柱结构示意图；

图6为中部组合柱结构示意图；

图7为角部组合柱结构示意图；

图8为钢梁结构示意图；

图9为钢梁结构示意图；

图10为钢梁结构示意图；

图11为钢柱结构示意图分解图；

图12为预制底板结构示意图；

图13为柱侧牛腿梁与钢梁连接方式结构示意图。

图中：1、钢柱；1-1、钢管柱肢；1-1.1、上柱肢管；1-1.2、下柱肢管；1-1.3、法兰；1-1.4、节点区；1-2、柱间梁；1-3、柱侧牛腿梁；2、钢梁；2-1、上翼缘；2-2、下翼缘；2-3、腹板通孔；2-4、栓钉；2-5、肋板；2-6、腹板；2-7、钢筋孔；3、填充箱；4、钢筋；5、预制底板；5-1、肋梁；6、贯通钢筋；7、支撑。

具体实施方式

下面利用实施例对本发明进行更全面的说明。本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。

如图1至4所示，本实施例中的抗侧力与抗重力分开的住宅钢结构体系，包括钢架结构和空心楼盖。钢梁2通过焊接或螺栓与钢柱1连接，形成钢架结构。空心楼盖包括预制底板5、肋梁5-1、填充箱3和现浇混凝土层；钢梁可以起到施工时支撑预制板的作用，现场无需支模，施工速度快。预制底板5铺设在楼盖结构的层底。

钢梁2为H型截面；由上翼缘2-1、腹板2-6和下翼缘2-2组成；下翼缘2-2比上翼缘2-1宽。可以使下翼缘2-2比上翼缘2-1宽40~120mm。不仅方便预制底板5的铺设操作，还可以降低钢梁的重量，使整个结构的重量更轻。

浇筑现浇混凝土层时，浇筑后的装配式空心楼盖上端面最好高于钢梁2的上翼缘2-1的上端面50~120mm，至少与上翼缘2-1的上端面平齐。

预制底板5在工厂预制，由混凝土、板底钢筋和箍筋组成；预制底板5两端下侧留有槽口，槽口高度为钢梁2的下翼缘2-2厚度加10~30mm；槽口深度为20~60mm。

还可以在预制底板5上设置肋梁5-1；肋梁5-1在工厂与预制底板5整体预制，或在现场浇筑而成；预制底板5内设置有钢筋，两端设置有底板防裂筋。

如图8所示，钢梁2由上翼缘2-1、下翼缘2-2和腹板组成；上翼缘2-1的顶面低于腹板2-6的顶端高度；靠近腹板2-6顶侧设置有通孔作为钢筋4的钢筋孔2-7。腹板2-6上设置有腹板通孔2-3，腹板通孔2-3可以是圆形，也可以是方形、椭圆形或者其他形状。现浇混凝土层浇筑时，混凝土可以通过腹板通孔2-3连接在一起。将钢梁2也浇筑进现浇混凝土层。

腹板2-6的正反两面焊接肋板2-5可以提高钢梁2的强度，同时，肋板2-5与上翼缘2-1和下翼缘2-2构成的槽状结构，提高了钢梁2与现浇混凝土层的连接强度。

在腹板通孔2-3中设置有贯通钢筋6。通过贯通腹板通孔2-3中贯通钢筋6，提高钢梁2两侧的现浇混凝土层连接强度。贯通钢筋6的长度大于钢梁2下翼缘2-2宽度的两倍。

还可以如图9所示，将上翼缘2-1焊接在腹板2-6的顶端；上翼缘2-1的顶面焊接有一列栓钉2-4。还可以如图10所示，将腹板2-6正反两面的肋板2-5替换为槽钢，槽钢开口方向与钢梁2的长度方向平行；嵌在现浇混凝土层中，提高钢梁2与现浇混凝土层的连接强度。

如图12所示，预制底板5还可以浇筑肋梁；在工厂预制时浇筑肋梁5-1相对于现场浇筑肋梁5-1加工方便，便于维护和保证浇筑质量。当然，也可以现场浇筑肋梁5-1。肋梁5-1可以是一字型或者井字形，网格状等形状，由混凝土浇筑形成。在肋梁5-1中设置有钢筋作为箍筋，提高肋梁5-1的强度。将填充箱3放入后浇筑预制底板5，可以进一步降低现场施工的工作量，减少现场浇筑的施工周期，缩短工期。

现浇混凝土层在现场浇筑而成，现浇混凝土层中配置有钢筋网；钢筋网由两个方向的贯通钢筋4交错形成，称为双向钢筋网。图中钢筋网格为矩形；当然，钢筋网的形状不限于图1-图4中的钢筋交叉方向；还可以改变贯通钢筋4之间的夹角形成网孔为菱形或平行四边形等其他形状的钢筋网。

填充箱3的顶面为正方形或者长方形；设置于预制底板5上方，肋梁5-1形成的网格内。

为了缩短安装时间，钢柱1采用法兰式装配结构。钢柱A可以分为多段，将两段钢柱的连接端分别焊接法兰盘和连接节点，通过螺栓将多段钢柱组装在一起，形成整体。为了提高连接强度，法兰盘的厚度大于连接节点翼缘板的厚度的1.5倍。

在连接节点上设置牛腿梁用以连接钢梁2，同时，使得钢柱上的连接组装螺栓靠近楼盖，方便利用混凝土覆盖连接节点，避免连接处生锈影响连接强度。

本实施例中的抗侧力与抗重力分开的住宅钢结构体系采用双管组合柱，双管组合柱包括在墙面内设置的两根钢管柱肢1、一组柱间梁1-2和柱侧牛腿梁1-3；柱间梁1-2设置在钢管柱肢之间，与钢管柱肢焊接连接，同组的柱侧牛腿梁1-3与柱间梁1-2在同一平面；所述柱侧牛腿梁上设置有螺栓安装孔。

如图6所示，双管组合柱设置在建筑的中间时，同组柱侧牛腿梁中有2对柱侧牛腿梁平行设置并伸出所述墙面。

钢管柱肢1的钢管截面形状可为圆形、方形、矩形和多边形等形式。

钢管柱肢1的钢管可以是冷弯矩形钢管或由钢板焊接形成的焊接矩形钢管。

为了提高钢管柱肢1的强度，还可以在钢管内填混凝土形成钢管混凝土柱肢。

柱间梁1-2可以采用H型截面；柱侧牛腿梁1-3也可以采用H型截面；柱间梁1-2和柱侧牛腿梁1-3均可以采用焊接H型钢、热轧H型钢或者高频焊接H型钢。

焊接双管组合柱时，可以采用将柱间梁1-2的翼缘贯穿钢管柱肢1，钢管柱肢1在柱间梁的翼缘处断开的技术方案。钢管柱肢1所受力以压力为主，断开后，上下两部分钢管利用焊接方式与柱间梁的翼缘连接，对钢管柱肢1承压能力的影响不大，相应地，柱间梁的翼缘通过贯穿钢管柱肢1，翼缘的横截面不受钢管截面的影响，可以增大，提高了柱间梁的抗拉强度；从而整体上提高了双管组合柱的强度。

将柱间梁1-2的翼缘与柱侧牛腿梁1-3的翼缘一体设计；有利于提高柱侧牛腿梁1-3的强度。

为了方便加工，双管组合柱应该在工厂分段加工；可以以层为单位，形成双管柱单元。如果以3层为一个双管柱单元，加工效率和现场施工效率会有大幅提高。钢管柱肢1的拼接方式可以采用法兰拼接，在现场拼接；也可以分段后，在现场施工时利用焊接方式拼接。

采用法兰拼接的方案时，钢管柱肢1的拼接位置可以设置为在节点区域拼接；也可以设置为在节点区域外拼接。

柱侧牛腿梁1-3与钢梁2之间通过小牛腿连接，即柱侧牛腿梁1-3的下部伸出，形成支撑结构，称为小牛腿；钢梁搭接在小牛腿上，螺栓的轴线垂直于水平搭接面；也可以通过连接板连接。连接螺栓最好选用高强度螺栓连接。

如图7所示，钢管柱肢1的间距可根据需要调整；钢管柱肢1之间可设置水平撑杆、支撑、波纹钢板剪力墙、钢板剪力墙、组合钢板剪力墙等。

连接后，通过外墙和浇筑工艺，将双管组合柱和钢梁2浇筑进墙面和楼板面层内；避免连接结构中螺栓的松动和锈蚀；同时，还使建筑内部、外部显得更加美观。

如图11所示，本实施例中的梁高范围内柱与柱法兰式拼接节点，包括上柱肢管1-1.1、下柱肢管1-1.2和节点区1-1.4；上柱肢管1-1.1的下端焊有法兰，节点区1-1.4与下柱肢管1-1.2焊接为一体，节点区1-1.4的上端面设置有与上柱肢管1-1.1的法兰1-1.3适配的连接端板，法兰1-1.3与连接端板通过螺栓固定连接。连接螺栓为高强度螺栓、普通螺栓或单向螺栓。当然，也可以将节点区1-1.4与上柱肢管1-1.1焊接为一体作为节点柱肢，将下柱肢管1-1.2上端设置法兰1-1.3作为法兰柱肢。

柱肢可以通过柱侧牛腿与钢梁2连接；柱侧牛腿与钢梁2之间可以通过连接板用螺栓连接。也可以通过柱侧牛腿梁1-3与钢梁2的端部搭接，用螺栓固定连接。

法兰为钢板，厚度不低于10毫米，法兰1-1.3的中间开设有圆孔，圆孔的直径不小于120mm，以方便浇筑混凝土。为了提高法兰1-1.3的强度，可在上柱肢管1-1.1的下端部和法兰1-1.3之间焊接有加劲肋。

本实施例中上柱肢管1-1.1单肢柱，还可以是双肢柱或多肢柱。同理，下柱肢既可以是单肢柱，也可以是双肢柱或多肢柱。

节点区1-1.4由上环板、下环板和连接钢管组成；上环板和下环板分别焊接在连接钢管的上下端面上。柱侧牛腿腹板与连接钢管在工厂焊接，形成一个整体，有利于保证焊接质量。将柱侧牛腿腹板的上、下翼缘板分别与上环板和下环板采用同一块钢板，不采用焊接连接，不仅减少了焊接工序，还有利于提高牛腿与节点区1-1.4的连接强度。

柱侧牛腿上翼缘可以低于钢梁2的上翼缘20~100mm，以便隐藏上柱肢管1-1.1下端法兰、连接螺栓和法兰加劲肋。

节点区1-1.4与下柱肢管1-1.2应在工厂焊接为一体。

还可以将下柱肢管1-1.2的钢管焊接在下环板上，下环板与上环板一样，中间设置有圆孔，圆孔的直径小于连接钢管的口径。下环板贯通连接钢管，使得下环板可以采用更大的截面，从而提高了节点区1-1.4的强度。同理，法兰与上环板对应，中间设置有圆孔，圆孔的直径小于连接钢管的口径。

上柱肢管1-1.1或下柱肢管1-1.2的钢管截面形状不限于正方形，还可以根据需要选择圆形、矩形和多边形等形式。

钢管为冷弯成型或焊接成型。钢管内也可内填混凝土形成钢管混凝土。

节点区可以根据需要设置1至4个，或者更多柱侧牛腿梁1-3，柱侧牛腿梁1-3为H型截面，可为焊接H型钢、热轧H型钢或者高频焊接H型钢。

图13给出了柱侧牛腿梁1-3和钢梁2之间连接的另一种形式。柱侧牛腿梁1-3的腹板下部比上部长，腹板上设置有多宝格结构的加劲肋。横梁的连接端与柱侧牛腿梁1-3腹板适配，其横梁腹板的上部比下部长，在横梁腹板上设置有多宝格结构的加劲肋。柱侧牛腿梁1-3和钢梁2上对应的加劲肋设置有螺栓安装孔，通过螺栓将柱侧牛腿梁1-3和钢梁2连接。柱侧牛腿梁1-3伸出的腹板托住钢梁2伸出的横梁腹板，这种连接方式施工较为方便。

本发明还提供了上述的抗侧力与抗重力分开的住宅钢结构体系的施工方法，包括以下步骤：

1）在工厂内制作双管组合柱及钢梁2和连接件；

2）在工厂绑扎预制底板钢筋，浇筑混凝土并进行养护，完成所述预制底板5预制；

3）在工厂制作腹板设置有贯通腹板正反面的通孔的钢梁2；

4）安装双管组合柱；在施工现场吊装钢梁2，并与双管组合柱的钢柱1连接，形成钢架结构；连接方式采用螺栓连接；

5）在施工现场吊装预制底板5，搁置在钢梁2的下翼缘2-2上；

6）布置、固定填充箱3，将贯通钢筋6穿过腹板通孔2-3，固定在腹板通孔2-3内；

7）绑扎现浇混凝土层双向钢筋网；

8）浇筑现浇混凝土层，完成抗侧力与抗重力分开的住宅钢结构体系施工。

本发明所述的一种抗侧力与抗重力分开的住宅钢结构体系及其施工方法具有下列优点：

（1）装配式施工，钢梁可以起到施工时支撑预制板的作用，现场无需支模，施工速度快；

（2）楼盖自重轻，跨越能力强，能够实现大跨度楼盖。

（3）结构构造简单，钢梁可以替代部分空心楼盖柱上板带钢筋，避免柱上板带负弯矩筋与柱连接的难题。

（4）受力性能好，钢梁起到抗冲切销键的作用，解决了空心楼盖抗冲切能力弱的难题，避免设置柱帽。

（5）连接方便，钢梁与钢柱可采用常规的栓焊连接或铰接连接方式，连接简便。

（6）抗震性能好，通过设置的抗剪连接构造，能够保证钢梁与空心楼板的协同工作，在钢梁与空心楼板相交的实心区由于纵筋和箍筋约束形成类似于型钢混凝土暗梁的效果，抗震性能较好。

因此，上述抗侧力与抗重力分开的住宅钢结构体系及其施工方法可以应用于多高层钢结构建筑，尤其是在钢结构住宅中具有较好的推广应用前景。

本发明还公开了上述双管组合柱的施工方法，包括如下步骤：

1）在工厂内制作所述双管组合柱及钢梁和连接件，以三层作为一个双管柱单元；当然，也可以以一层或2层作为一个双管柱单元；

2）运输至现场，将双管柱单元与基础或下层柱通过锚栓、高强螺栓或焊接相连；

3）双管柱单元安装完成后，分层吊装与双管柱单元相连的钢梁，将钢梁搁置在该层对应的柱侧牛腿梁上，利用高强螺栓连接钢梁与柱侧牛腿梁，形成钢架结构；

4）所述钢架结构连接固定后，吊装桁架钢筋叠合板，敷设管线，现场绑扎楼面负筋，进行楼面混凝土浇筑；混凝土浇筑至柱侧牛腿梁的腹板高度，然后上覆建筑面层至钢梁上翼缘以上20~50mm；通过建筑面层避免钢梁与双管组合柱拼接节点外露；或者将混凝土浇筑至与钢梁上翼缘平齐，或高出钢梁上翼缘30~100mm；通过混凝土将钢梁与双管组合柱拼接节点完全隐藏于楼盖结构中，使螺栓和拼接板不外露。

5）从外侧吊装轻质外墙板，使其镶嵌于相邻双管柱和柱间梁或钢梁形成的框架之间，并与柱间梁或钢梁连接固定，在双管柱柱肢室内侧抹灰至与轻质外墙板内表面平齐。轻质外墙板厚度大于所述双管柱肢高度30~120mm，所述双肢柱可以完全隐藏与外墙体中。

本发明还提供了一种梁高范围内柱与柱法兰式拼接节点安装方法，包含以下步骤：

1）在工厂分别加工好法兰柱肢和节点柱肢；

2）节点柱肢或法兰柱肢作为下柱肢安装就位后，吊装上柱肢，将法兰与节点区连接端板对齐；

3）将连接螺栓螺杆方向向下穿过法兰柱肢和节点区连接端板上预留的螺栓安装孔；

4）在节点区连接端板下侧安装垫片和螺母并拧紧；

5）将桁架钢筋叠合板搁置在钢梁下翼缘上；

6）敷设管线，现场绑扎楼面负筋，浇筑混凝土。混凝土可浇筑至腹板高度，然后上覆建筑面层至钢梁上翼缘以上20~50mm；或者将混凝土浇筑至与钢梁上翼缘平齐，或高出钢梁上翼缘30~100mm；柱与柱拼接节点完全隐藏于楼盖结构中，螺栓和拼接板不外露。

上述示例只是用于说明本发明，除此之外，还有多种不同的实施方式，而这些实施方式都是本领域技术人员在领悟本发明思想后能够想到的，故，在此不再一一列举。