Z型隱藏梁及結構防火設計在裝配式鋼結構建筑中的應用

隨著裝配式建筑推廣及應用的常態化和相關規范的完善，越來越多的裝配式建筑呈現在人們的眼前，裝配式建筑基地如雨后春筍。但讓人意外的是：裝配式混凝土建筑成了網紅，裝配式鋼結構建筑在這次建筑升級中表現的不溫不火。

通過深入了解后得出了以下幾點原因：一是鋼結構建筑主要用于公共建筑，而此次建筑升級，主要是體量大的住宅類建筑。鋼結構建筑本身即是裝配式，但用于公共建筑時的幕墻及樓承板等配套部品完備，直接用于住宅時造價過高；二是鋼結構建筑尚未解決的遺留問題：主要是結構防火及防腐帶來成本較高的問題。

本文的研究內容是用Z型隱藏式梁替代傳統的H型梁，其優點是室內外不露梁柱，且因Z型梁的腹板方便連接門窗柱，從而主梁的支點增多，梁端與主結構柱的受力情況改善，材料截面可相應減小，同時因門窗等次柱的增加，也有利于外墻板的安裝及室內保溫棉的鋪設，滿足了防火要求。增加了次柱后，每個房間被圍成了一個個的筒狀，形成了筒中筒結構，增加了建筑的整體穩定性。

關鍵詞：   隱藏式Z型梁     梁柱一體結構

一、利用MtsTool軟件對Z型梁和H型梁的分析對比

首先用MtsTool進行分析對比時，選用的H型和Z型截面為320-130-10-10，因該軟件中的參數不能改變，腹板和翼緣的厚度是一樣的。下圖中，兩種截面質量同為44.39KG，截面積為56.5，材質Q235，長度為4米，簡支梁，左端支座為：豎向鉸接，右端支座為：豎向鉸接，分別施加10/20KN的恒載與活載。

圖1

圖2

圖3

從軟件計算結果看，H型梁整體穩定性較Z型梁差。在兩種截面的特性值中，H梁和Z型梁的y軸的截面慣性矩分別為348.93cm4和1388.43cm4。

二、應用Midas軟件對H型梁和Z型梁進一步分析對比

用二柱一梁的簡單結構，對H型梁和Z型梁進行分析對比，選用200*10的方管柱，H梁截面為320*130*9.5*15，Z型梁截面為與320*130*9.5*15，兩種梁截面幾何尺寸與截面質量相同，柱高4米，柱間距4米，材質均為Q235。建立好模型后，在H型梁和Z型梁上施加荷載，分別是10KN的恒載和20KN的活載，通過分析后觀察梁細部應力與變形狀況。

圖4   傳統H梁圖

圖5   Z型梁

圖6

圖7

從邁達斯的分析結果來，兩種截面的梁在施加相同荷載時，應力應變彎矩等值非常接近，但是MtsTool的整體穩定性計算中，Z型梁要好于H型梁，其原因應該是Z型梁的長細比較H梁小，其弱軸的慣性矩比H梁大的多，都是造成Z型梁整體穩定性較好的原因。

三、梁柱一體結構的分析對比

Z型梁的腹板與墻體是平行的，與門窗柱的連接方便，通過焊接或栓接的形式把Z型梁與門窗柱組成一個部件（如圖9）。門窗柱與梁連接后將參與結構承重，使梁的支承點增加，梁兩端與主結構柱的應力減小，可適當減小主結構柱的截面尺寸，這部分鋼材被分攤到門窗柱上，每一間房子一周都有許多小門窗柱，形成了一個個的筒體結構，整個建筑的鋼材分布和結構受力更趨均勻。下面通過Midas軟件對一棟六層鋼結構住宅的單個墻體進行的分析對比。

其中，主結構柱跨度6米，柱高4米，圖8為傳統H型梁柱結構，柱和斜支撐截面采用h320*130*9.5*15，梁截面采用h400*400*13*21；圖9為Z型梁柱結構，兩邊主柱與圖8一樣為h320*130*9.5*15，梁截面為Z320*130*9.5*15，門窗柱與支撐為矩形管100*50*4。

圖8   中間支撐H梁結構

圖9   Z型梁柱一體結構

對圖8中H400*400*13*21截面的梁和圖9中的Z320*130*9.5*15截面的梁施加荷載，分別是活荷載20KN，恒荷載30KN。

圖10

圖11

通過對兩種墻體結構的分析對比，采用小截面多柱結構的Z型梁比傳統大截面大跨度的H梁的更有優勢，不僅強度沒有減弱，還將帶來可觀的經濟效益。墻體鋼材用量分別是1950KG和1055KG，減少了30%以上。

四、結構防水及防火設計

在梁柱結構的外側安裝外墻板，采用高強度混凝土材料，高度比樓層略低10-20毫米，長度3到6米，厚度一般50毫米，墻體制作時內置預埋件，朝外的一側可以噴涂外墻真石漆，制作時在制作平臺的底層放一層彩砂，養護完成后在室內側的墻表面噴涂一層防水材料。安裝時通過卡箍將預埋件與門窗立柱連接，具有柔性的連接件與門窗立柱構成延性結構。在受到外部荷載時，由于門窗立柱和Z型梁是剛性連接，所以外墻板不直接參與荷載，但是對門窗立柱又產生平面約束，主結構的立柱與輔助的外墻板始終同時在抵抗荷載。與鋼框架延性混凝土墻板不同之處，是該結構在受到地震作用時，由于混凝土強度低于鋼材，在荷載足夠大時，混凝土必然首先被破壞，之后才是鋼結構框架抵抗地震荷載直至結構破壞。Z型梁結構的墻板起到增加鋼結構柱的穩定性，形成蒙皮效應，受力過程中，只要沒有超過鋼結構的極限荷載，混凝土墻板一直能起到增加結構穩定性的作用而不至破壞。梁柱一體結構通過Z型梁兩端的端板與H鋼柱的翼緣用螺栓連接，施工順序和傳統鋼結構一樣，依次是混凝土基礎，預埋件固定與澆筑，豎H鋼柱，安裝梁柱一體結構，安裝外墻板。由于外墻板的面積較大，外墻板接縫內放置三元乙丙密封條，外面用不銹鋼壓條封堵，不需要打膠（如圖12），可以形成長效防水密封。

圖12

圖13

1、Z型梁 2、門窗柱 3、壓條 4、保溫棉 5、水電線管 6、內墻板 10、外墻板 11、卡箍 12、預埋件 13、下托梁 14、擋水封條 15、防水膠條 16、連接件

圖14

室內一側的鋼結構防火，采用厚度100mm以上的玻璃棉將立柱全部覆蓋起來，用幾字型壓條將之固定在門窗柱上，玻璃棉被壓條壓實后厚度會減小，門窗柱內表面到壓條的外表面之間的距離就是防火層的厚度（如圖13）。防火層的厚度與玻璃棉的容重，通常要根據建筑設計說明中的要求去設定。利用玻璃棉的可壓縮性，將水電線管安裝在兩組壓條中間，壓條的內側表面固定內墻板，將玻璃棉及水電線管遮蓋住，實現管線分離及鋼結構防火。內墻板的厚度，通常按照建筑防火等級來設定。

結束語：

Z型梁的腹板安裝門窗立柱，下翼緣上放置樓板構件，上翼緣放置二層的墻體（圖14），整個梁隱藏在墻體內，室內不占用吊頂空間，室外不會露梁露柱，外墻防水設置簡單安全長效，將墻板滲漏造成結構腐蝕降到了最低點。室內保溫棉鋪設后，結構立柱與內墻板之間形成了斷橋，不僅防火隔音，對建筑形成內保溫，墻體蓄熱少，保溫時間長，有利于建筑節能，通過設定保溫棉的厚度和容重，節能可以達到80%以上。整個建筑除了基礎和部分精裝修以外，達到了全裝配，對提高建筑品質與降低工人勞動強度、提高工作效率將 產生系統和深遠的改善。