裝配式鋼結構住宅預制構件節點設計

陳 如 山東華材工程檢測鑒定有限公司工程師

孟冬梅 山東恒信建筑設計有限公司工程師

建筑業是國家的重要支柱產業，它的發展與國民經濟發展息息相關。而在建筑業發展過程中，建筑設計相關研究一直都是重中之重，只有不斷提高建筑設計水平，才能夠促進建筑業實現可持續發展[1]。裝配式鋼結構住宅是現代住宅建筑的常見類型，在這類建筑的設計中，必須重點把握好預制構件節點設計問題，從而才能夠確保設計質量。

1 相關概念簡介

1.1 裝配式建筑

裝配式建筑是指由預制構件在施工現場裝配而成的建筑。裝配式建筑與傳統建筑的最大區別在于施工流程和方式上，裝配式建筑將大部分現場施工作業轉移到工廠中進行，先在工廠中制作好各類預制構件，再把這些預制構件運輸到施工現場拼裝成建筑[2]。裝配式建筑主要具有如下特點：一是標準化設計，即采用共性條件對預制構件制定統一的標準和模式，進行適用范圍較廣的設計；二是工廠化生產，即按照一定的標準要求提前在工廠中批量化生產預制構件；三是裝配化施工，即將傳統的現場澆筑施工改為現場裝配施工；四是一體化裝修，即通過將建筑主體施工與裝飾裝修作業相結合來實現裝修一次到位；五是信息化管理，即在設計與施工過程中充分應用先進的BIM等信息技術來提高信息傳遞效率和精度。

1.2 鋼結構建筑

鋼結構建筑是現代建筑的常見類型，顧名思義是指主體結構材料以鋼材為主的建筑。鋼結構建筑中的主要構件有鋼梁、鋼柱、鋼桁架等，它們均是由型鋼、鋼板等制成，同時通過硅烷化、純錳磷化、鍍鋅、水洗烘干等工藝進行防除銹處理。鋼結構建筑主要有以下特點：一是污染小且支持循環利用，既節能又環保；二是整體組織均勻，具有自重輕、強度高、抗震性能好、穩定性好、安全性高、受外界環境影響較小等優勢；三是韌性好，可塑性強，能夠承受較大幅度的變形。

1.3 裝配式鋼結構住宅

裝配式鋼結構住宅是將鋼結構建筑與裝配式建筑有機結合起來的一種住宅。與普通住宅相比，裝配式鋼結構住宅具有如下優勢：一是在工廠內批量化、標準化生產預制構件，有利于減少材料使用量、材料耗損量，因此可以有效降低材料花費的成本，進而降低總成本；二是現場僅需對預制構件進行裝配，施工量、用工量均比較少，且有利于縮短施工周期；三是現場無需進行切割作業，因此對環境造成的污染較小，更加綠色、環保。

2 裝配式鋼結構住宅預制構件節點設計

2.1 工程概況

某裝配式鋼結構住宅項目中共包含10棟住宅樓，其中一棟高層住宅樓工程由地上14層+地下1層組成，地上部分高度為39.2 m，抗震設防烈度為6度。該工程主體結構為鋼框架支撐結構，抗側力較高，設置橫向鋼支撐增加結構水平承載力。

2.2 預制構件制作

本工程中需要應用的預制構件有H型鋼框梁、矩形鋼管柱、鋼支撐及其肋板等，其中鋼梁和鋼支撐的抗震等級均為4級、鋼管混凝土柱為3級。相關預制構件的制作需嚴格遵循我國《鋼結構工程施工質量驗收規范》（GB 50205）的規定。

2.3 節點設計

由于受鋼材料自身特性的影響，鋼結構的自由度會受到一定的限制，因此在裝配式鋼結構住宅預制構件節點設計中，需要重點關注節點的受力變形問題，通過合理的設計最大限度預防位移產生，切實保證連接節點的抗震性能。

2.3.1 梁柱連接節點設計

梁柱連接節點是鋼梁與鋼柱之間的交匯點，它是裝配式鋼結構住宅預制構件中的重要節點，主要作用是將力有效傳遞給梁和柱。梁柱連接節點通常受力較復雜，且影響其強度、剛度的因素較多。由于本工程屬于抗震設防的高層住宅樓工程，因此梁柱宜采取剛性連接，在設計過程中需要對受彎承載力、受剪承載力、節點域抗剪強度、柱水平加勁肋板厚度等進行準確驗算。按結構進行彈塑性階段設計時，一方面，梁柱連接節點的承載力需要比構件截面的承載力高；另一方面，其需要符合下列公式要求：

公式中，Mu和Vu分別代表基于極限強度最小值的節點連接最大受彎承載力和最大受剪承載力，Mp代表梁構件或梁貫通時的柱構件的全塑型受彎承載力；l代表的是梁凈跨。其中，Mu僅依靠翼緣的連接進行承擔，Vu僅依靠腹板的連接進行承擔。

本工程的最大應力主要集中在梁上、下兩翼緣的削弱處，同時梁翼緣、腹板處均形成塑性鉸，因此梁翼緣削弱處是結構的最終破壞發生位置。為盡可能減小梁跨中的彎矩，在本工程的實踐設計中宜采用柱貫通連接形式，具體的連接方式是栓焊混合連接，也就是在梁翼緣與柱翼緣之間采取坡口焊接或者在梁腹板與柱翼緣之間采用M22高強螺栓進行連接。

在本工程中，大部分荷載是由與柱相鄰的螺栓進行承受，所以一旦螺栓發生了較大位移，螺栓桿與柱面套板之間會發生接觸，從而產生局部壓應力，導致螺栓桿和螺栓孔壁之間發生接觸，進而引起螺栓受剪。對此，需要對梁翼緣端部進行加寬補強，以減小螺栓承受的剪應力。

2.3.2 支撐連接節點設計

支撐是裝配式鋼結構住宅中的重要傳力部件，它的主要作用與功能是對預制構件進行臨時固定及校正。柱面附近的梁上經常會存在塑性鉸，柱翼緣材料的厚度方向帶來較大應變，并對焊縫金屬的塑性變形、周圍熱影響區的塑性變形均提出了較高的要求，如果設計不合理，那么極有可能會引發構件的脆性破壞。因此在本工程的實踐設計中，應通過合理控制塑性鉸位置來保障構件的可靠性。通過鋼支撐的應用，可以對塑性鉸進行有效轉移，從而將支撐連接節點的破壞點從原本的梁端轉移至鋼筋桁架。這種設計方案符合基本的抗震設計理念：強節點、弱構件。由于本工程屬于抗震設防的高層住宅樓工程，因此支撐連接節點需要滿足下列公式要求：

公式中，Nubr代表基于極限強度最小值的支撐連接最大承載力；An代表支撐的凈截面面積；fy代表支撐鋼材的屈服強度。

在本工程中，鋼梁與支撐翼緣的連接處以及鋼柱與支撐翼緣的連接處，均宜設置加勁肋板，目的是提高支撐連接節點的承載力。在具體的加勁肋板設置中，需要分別按承受支撐軸心力對鋼梁的水平力或豎向力、對鋼柱的水平力或豎向力進行計算。如果選擇不設置加勁肋板，那么需要適當增大支撐連接節點的設計荷載。

本工程需要設計合理的偏心支撐結構體系，目的是保持耗能梁段在正常使用時和小震作用下處于彈性范圍內，且能夠在強震作用下利用耗能梁段的非彈性變形進行耗能。在耗能梁段與支撐之間的連接端部，用于支撐的兩側設置加勁肋板，以使耗能梁段產生良好的非彈性轉動能力；否則在剪切屈服后便會開始出現屈曲，無論是耗能能力還是延性均較差。一般情況下，對于裝配式鋼結構住宅而言，其所設置的加勁肋板間距應符合我國《高層民用建筑鋼結構技術規程》（JGJ 99-2015）的規定。

2.3.3 樓板節點設計

傳統的樓板在設計與施工中均存在明顯的缺陷，對于裝配式鋼結構住宅來說，宜采用施工方便、性能較好的鋼筋桁架樓承板。鋼筋桁架樓承板是一種一體化構件，由樓板和鋼筋桁架兩部分組成。在應用鋼筋桁架樓承板后，原本混凝土樓板的自重即改為由鋼筋進行承受，如此一來混凝土內就不會再產生拉應力，在使用過程中正負彎矩區混凝土拉應力可以得到明顯降低，以及裂縫也會出現明顯減小。

2.3.4 BIM輔助設計

BIM是基于建筑各項信息數據建立3D建筑模型對建筑真實信息進行仿真模擬的技術。BIM中包含了多種高新技術，例如，其中的計算機模擬技術能夠在計算機上將建筑模擬展示出來，虛擬仿真技術能夠仿真構建出虛擬的建筑模型，三維可視化技術能夠將二維的建筑設計圖紙三維化。在裝配式鋼結構住宅預制構件節點設計中，利用BIM進行輔助設計可以達到事半功倍的效果。在本工程的實踐設計中，需要先利用BIM構建出工程3D建筑模型，再在模型上對各預制構件節點進行深化設計。

3 結語

綜上所述，裝配式鋼結構住宅兼備裝配式建筑與鋼結構建筑的特征和優點，在我國擁有十分廣闊的發展前景。在裝配式鋼結構住宅的設計中，若想提高整體設計水平，首先應提高預制構件節點設計水平。預制構件節點設計直接關系著建筑的可靠性與安全性問題，在實踐設計中應充分把握好相關設計要點，結合工程實際情況不斷優化設計方案。