高烈度区下轻型钢框架装配式农村民居建筑体系研究

吴健航 粱橐治 王宇生 刘铎 李鑫 张学元

（齐齐哈尔大学建筑与土木工程学院 黑龙江省齐齐哈尔市 161006）

0 引言

地震作为一种偶然作用，给人们的生命、财产安全带来极大的危害。我国地处环太平洋地震带与欧亚地震带之间，属于地震多发国家。通过对近几年高烈度地区农村民居震后建筑受损情况的分析，钢结构类建筑因承载力高，变形性能好而受损情况较轻，而不像砌体结构那样出现倒塌性破坏。作为钢结构体系中的一种，轻型钢结构除具有钢结构的优点外，自重轻、造价低、便于工厂化生产是其显著的优势，近年来应用广泛。为此，进一步优化现有轻型钢结构建筑体系，研究新型高烈度区下轻型钢框架装配式农村民居建筑具有重要意义。

1 装配式民居建筑方案研究现状

图1 预制生态复合墙板与装配整体式构造柱

西安建筑科技大学黄炜等[1]设计一种绿色装配式生态民居，包括墙体与屋顶，墙体包括墙板底部砂浆，在墙板底部砂浆上安装有预制生态复合墙板，预制生态复合墙板的水平连接钢筋分别与现浇竖向边缘件、现浇连接柱以及现浇暗梁的纵筋嵌套，现浇暗梁的纵筋同时与预制叠合楼板的水平连接筋嵌套，实现预制生态复合墙板与预制叠合楼板的连接，如图1所示。

西南科技大学钟柏春等[2]设计了一种村镇砌体结构装配整体式圈梁一构造柱组合体系，包括：预制圈梁块、榫块、无马牙槎、含马牙槎及含榫口的构造柱块。砌筑墙体时，交错将含马牙槎和无马牙槎构造柱块与墙体装配砌筑，形成装配式空心预制构造柱。砌筑完后，将钢筋笼放入中心孔内，浇筑混凝土形成装配整体式构造柱，如图2所示。

图2 装配整体式圈梁一构造柱组合体系

凉山州现代房屋建筑集成制造有限公司景亭等[3]设计了一种用于抗震地区的低层钢民居结构。根钢柱底部通过基础竖直安装于地面，两根 钢柱的顶部之间设置两根钢梁，两根钢梁的一端之间固定连接，两根钢梁另一端向两侧、向下倾斜并且分别固定连接到两根钢柱顶端，两根钢柱顶端之间通过水平的拉梁连接；凛条垂直于框架平面地连接在相邻两棍框架的之间，拉条垂直凛条地连接在相邻两根凛条之间；两根钢梁的钢梁一端之间、钢梁另一端和钢柱之间、拉梁和钢柱之间、凛条和钢梁之间、拉条和凛条之间均通过螺栓连接固定，如图3所示。

图3 构件连接

2 高烈度区下轻型钢框架装配式农村民居建筑墙体及构件设计

砌体结构作为古老的建筑结构形式之一，具有悠久的应用历史[4-5]。基于轻型钢结构具有自重轻、抗震性能好的优点，采用轻型钢框架柱、框架梁组成框架结构体系，由轻质装配式砌块组成的墙体（如图4所示）进行框架内部进行填充，以实现竖向维护构造，水平传力结构、屋面结构采用预制承重板材（如图5所示）进行连接，形成适用于高烈度地区的农村民居建筑。

图4 装配式砌块及其组成的填充墙体

图5 装配式叠合板

3 轻型钢框架结构受力分析

通过PKPM对二层轻型钢结构进行建模计算，分析其内力和位移特点。

3.1 基本工况

建筑面积为268.8m2，轻型钢结构，以上述砌块为填充墙体，构成装配整体式钢框架结构体系。结构平面布置如图6所示，层高均为3.3m，抗震设防类别为丙类，基本风压为0.45kN/m2，基本雪压0.35kN/m2，地面粗糙度类别为B类，抗震设防烈度8度，II类场地土，楼面恒载（含自重）为4.0kN/m2，活载为 2.5kN/m2。

3.2 节点形式

对于轻型钢结构节点处采取外伸式端板连接、齐平式端板连接。如果建筑结构承受反复荷载，梁柱适宜采用两边的外伸式端板连接。梁柱节点承受的荷载为一般荷载时，结构适宜采用齐平式端板连接。而半刚性连接处在完全刚性和理想铰接之间的中间状态，既具有刚性连接的优点，又具有铰接的优点。

图6 结构平面布置

3.3 计算结果及分析

输入以上数据用PKPM软件计算如图7所示。结果表明：地震作用下，结构处于弹性受力阶段，结构抗侧移能力较强，位移较小，满足相应规范中的相应要求；结构受力均匀，材料性能得到较好的发挥。

图7 地震作用下位移曲线

4 结语

（1）以装配式砌块、预制叠合板及轻型钢结构梁、柱共同组成的轻型钢框架装配式农村民居建筑结构体系具有抗震性能好、施工速度快、质量优良等优点，适于在高烈度区农村民居建筑中推广。

（2）我国是一个多震国家，现阶段广大农村民居建筑以砌体结构为主，其抗震性性能弱，而轻型钢框架结构抗震性则较好，但造价偏高，改进现有轻型钢结构装配式农村民居建筑结构体系，向节能环保、质优价廉方向发展是其发展的必由之路。