新型裝配式鋼結構外掛墻板連接節點研究綜述

張靈 胡天慧 黃瓏瀅 李思權 趙江

摘要：目前新型裝配式鋼結構建筑的應用越來越普及，其具有安裝速度快、抗震性能好、自重輕以及節能環保等特點。其中，裝配式鋼結構連接節點的好壞決定結構是否安全。當下大多數的連接節點都存在著一些連接的劣勢，本文對裝配式鋼結構外掛墻板連接節點方式進行新的設計和技術研究，提出一種新型的裝配式鋼結構外掛墻板連接節點，該節點可以充分發揮鋼材的性能，提高墻板與主體結構連接的穩定性、方便施工、使連接件制作簡單。

關鍵詞：鋼結構;裝配式;外掛墻板;連接節點

1、前言

社會發展迅速，在建筑上已廣泛使用鋼結構的材料，相比以前的混凝土，鋼結構具有低成本，靈活多樣等特點。2020年住建部《關于推進建筑垃圾減量化的指導意見》里強調實施新型建造方式，大力發展裝配式建筑，積極推廣鋼結構裝配式住宅，優先選用綠色建材。雖然鋼結構完全契合綠色建筑的發展要求，但是目前鋼結構住宅技術的發展不是很成熟，鋼材在高溫下很容易變形，隔聲防潮效果也不是很理想，各類連接和接縫也有許多問題需要處理。本文是針對裝配式鋼結構墻板連接問題提出一種新型的連接方式，相信通過不斷地改進，新型裝配式鋼結構建筑的未來一定可期。

2、外掛墻板與主體結構連接節點概述及研究現狀

目前，在建筑的大發展趨勢情況下，裝配式鋼結構建筑的外圍護墻板，大多采用外掛式連接和內嵌式連接兩種方式：外掛式連接是預先安置鋼結構柱、支座、鋼性梁，接著通過預埋件將主體構造和墻板連接起來;而內嵌式墻板的連接結構則是鋼結構墻板體系的主要組成部分。柔性節點和剛性節點是墻板連接節點的主要分類，剛性節點是指：通過剛性連接的方式連接墻板和框架，比如插入鋼筋法節點和U型卡節點，使用這種連接方式可使得墻板在某種程度上提高主體結構的初始剛度，從而增強主體結構承載力以及降低耗能水平，施工具有快捷性、造價較低等優勢。但與此同時，剛性節點也存在相應的缺點，一旦主體結構發生變形，剛性節點會呈現出不適性，輕質板材結構角部的連接部位很容易發生破壞，引起產生墻體開裂的情況;而柔性節點也具有其自身獨有的優勢，其可以使墻板產生較大的轉動變形，鉤頭螺栓節點、ADR節點就是常用的柔性節點，其最大的特點就是具有很好的柔性，但是其劣勢和缺點也較明顯，在與其主體構件進行連接時，兩者之間的相互作用程度低，容易與主體產生脫離，從而在安全和穩固等方面有一定的不足;因為其柔性的特性，在施工時，安置組裝的工序十分復雜，造成施工時間的浪費。

截止目前，很多對鋼結構深有研究的學者專家對裝配式鋼結構外掛墻板連接節點進行了研究：

（1）張愛林、馬林等人[1]提出了一種新型的外掛墻板連接節點，并且根據節點連接方式的不同分為了上方裝配和下方裝配兩種方案。上方裝配方案中，張愛林等人把預埋件中的錨板和與它連接的四根錨筋放置在預制外墻板內，通過裝配節點把外掛墻板與上方的鋼梁連接起來。裝配節點的外框是由薄鋼板制成，內部由加勁肋組成，頂部和底部開設螺栓孔，連接上方預埋件與框架，同時連接上方的墻板與主體結構。此外，通過采用有限元軟件建立裝配式外掛墻板鋼框架整體模型，隨后又對比模型，進行了受力性能分析，通過對滯回曲線、延性、耗能能力等方面的研究，對外掛墻板鋼框架進行了擬靜力分析。張愛林、馬林等人對外掛墻板連接節點的研究，使之限制了框架與外墻板間的傳力，避免了墻板破壞掉落，較好地保證墻板處于彈性工作階段，適應框架的側向變形，使得連接變得安全可靠;提高了鋼框架的受力性能，增強了結構的剛度和承載能力;由于提出的裝配節點具有良好的變形能力及耗能性能，使得整體結構在地震作用時的耗能能力也顯著提升。

（2）曹石、舒贛平等人[2]提出了一種構造簡單、施工方便的新型裝配式鋼結構外掛墻板連接節點，它可大范圍地應用于預制外墻板的外掛連接。該節點主要由加勁肋板、角鋼與焊接螺柱組成，加勁肋板把墻板連接節點分成了承重部位和限位部位。其中焊接螺柱可以把現場焊接至外墻板預埋件中用來傳遞外墻板荷載，其施工方便靈活、受力可靠，在建筑行業中有非常大的發展空間。為了更加便利地安裝預制外墻板，在承重構件垂直方向開設一個槽孔，將螺柱焊接到預埋件作為外墻板下方的連接節點，承受外墻板的豎直方向（x軸）、面外水平方向（y軸）和面內水平方向（z軸） 三個方向的荷載;限位部位在水平方向設置了長圓孔，它的孔徑比焊接螺柱直徑大，通過螺柱與預埋件焊接作為外墻板的上部連接節點，承受豎向墻板的面外水平荷載，面內水平方向不承受荷載，這樣保證了外掛墻板面內與主體結構的相對滑移，節點可以借助樓板的后澆隱藏。新型連接節點在外掛墻板中既充當外掛墻板的承重節點，又充當外掛墻板的限位節點，是一種典型的柔性連接方式。此外，曹石等人還進行了荷載作用于節點時的反力計算，通過初選節點尺寸、焊接螺柱驗算、連接節點焊縫驗算等進行了連接節點設計與截面驗算，還使用了ANSYS有限元軟件，對在最危險組合作用下的連接節點的受力性能進行了參數分析，從而更深刻地揭示了節點受力機理以及它的破壞模式。曹石等人研究的新型裝配式鋼結構墻板連接節點提高了結構體系的穩定性、剛度，增強了結構的承載力，加勁板的設置也保證了連接節點的整體面外變形，使得外掛墻板連接節點的應用又得到了進一步的提升。

（3）許劍峰、李立[3]通過對當前建筑發展的方向的研究，提出了一種能使鋼梁與外掛墻板迅速連接的新型節點研究方案及施工工藝。隨著時代的進步、國家經濟的富強，裝配式鋼結構的快速發展是大勢所趨，但是傳統的鋼筋混凝土建筑仍然沒有退居歷史舞臺，它仍占據著主導地位。所以，在國家注重發展裝配式鋼結構住宅的情況下，恰當地將混凝土結構融入，持續發展“裝配式鋼結構+混凝土板”的設計理念，結合了裝配式鋼結構與混凝土結構的優勢，去其糟粕、取其精華，使兩者效果結合達到整體最優化，在我國建筑行業的發展增添了濃厚的一筆。因此，許劍鋒、李立通過這種組合結構研究出一種新型的連接節點，新型的連接節點是由連接板與垂直栓釘組成，其中連接板由一對組合結構組成，結構外形上均呈U字形。U字形構件開口尺寸與螺栓桿件的直徑大小相同，讓螺栓從U字形構件的開口穿入，形成一個整體。U字形構件形狀較小，構造簡單，便于工業化生產。外掛墻板為預埋進螺栓桿件的預制混凝土板，也便于直接在工廠加工制作。這種裝配式鋼結構新型連接節點只需通過連接板與螺栓，鋼梁和預制板就能實現準確的契合。具有成本低、安裝效率高、精度高等特點，完全符合裝配式建筑的優點，實現了鋼梁與外掛墻板的快速連接。此外，這種節點構造簡單，安裝與卸載都方便，不但可以在安裝施工上實現梁板的快速連接，在后期的再次加工的制作中也可提供很大的幫助。

3、新型外掛墻板連接節點的研究

針對剛性節點墻板與主體結構無法協同變形，易使墻板開裂及脫落、柔性節點對主體結構的初始剛度貢獻小，安裝工序復雜等缺點，本文提出了一種新型外掛墻板連接節點，把剛性連接與柔性連接相結合，打破剛性連接和柔性連接的劣勢，提高鋼結構的穩定性、方便施工、使連接件制作簡單。

3.1外掛墻板

通過不斷地研究，墻板[4]的類型有很多，如輕質條板、工廠預制復合外墻板、現場組裝復合外墻板等，輕質條板主要有AAC板、ECP墻板、GRC板、PRC板等;工廠預制復合外墻板大多有鋼筋砼絕熱材料復合墻板、鋼絲網架水泥夾芯板等;現場組裝復合外墻板大多有CCA板灌漿墻、輕鋼龍骨墻板等。輕質條板具有保溫隔熱性好、抗滲性好、防火性能好、重量輕、便于施工、抗震性能強、隔音性能好以及綠色環保等優點，但輕質條板最凸出的地方就是防潮性差，因為這種材質的墻板吸水性特別高。假如遇到潮濕的天氣，那么空氣中的濕氣就會被它汲取進去，時間長了墻板就會散逸出一股異味，嚴重的還會使它的穩固性受到影響，以致于讓墻體出現松動乃至于倒塌現象。工廠預制復合外墻板降低了勞動強度，提高了施工效率，節約了人工費用、質量高，表面平整、光潔、抗震性能強，但它也具有運輸量大，受天氣的制約和影響較大等缺點?，F場組裝復合外墻板自重較輕、具有良好的抗震、隔音性能及保溫隔熱性能，但由于復合墻板受到眾多消費者的青睞，所以商家更傾向投資這個行業，以至于會有無良商家不顧消費者的權益，使消費者的生命安全受到威脅。

通過查閱大量的資料以及對各種墻板的研究，本文選用傳統的混凝土墻板，混凝土墻板具有許多的優點和好處。首先，它的施工和建設成本低，混凝土墻板的墻體表面不需要用其他的材料加以裝飾，只需要在混凝土表面噴一層保護層進行保護，因此，所需要的材料和成本就會降低，也在一定程度上減少對環境的污染。其次，混凝土墻板可以在工廠內進行產業化的預制加工，在施工現場直接組裝，以至于使施工效率有所提高、施工的工期有所縮短。在工廠的機械化生產，也大大提高產品的生產效率，并且控制墻板的質量水平。此外，因現場施工作業量的減少，建筑造價能得到一定的降低，建筑材料和施工者的利用率也會相對提高。

3.2新型連接節點

本文通過對已有連接節點的研究和深入剖析，提出一種新型的裝配式鋼結構墻板連接節點。新型連接件（圖1）主要由錨板、錨筋以及U型鋼組成。將（圖2）的錨板及錨筋作為預埋件先內置在外掛墻板內，這將使外掛墻板顯得更加美觀，也縮短錨筋的長度，減少材料的浪費，更好地適應綠色建筑的發展。與錨筋焊接的U型鋼與上部及下部的工字鋼梁用螺栓連接，體現柔性連接的特點，可避免因外界因素使建筑物晃動時連接部位的破壞，更好地保證了建筑物的穩定性。總之，此種連接方法構造簡單，施工方便，使墻板連接更加穩定，節省材料的使用。

4、結語

文中首先介紹裝配式鋼結構的發展，其次介紹外掛墻板與主體結構連接節點概述及研究現狀，最后介紹本文所研究的新型外掛墻板連接節點。通過已有研究發現：

新型裝配式鋼結構外掛墻板的連接節點通過大不斷地研究，出現了很多具有連接安全可靠、變形能力大、剛度大、成本低、連接速度快等優點的新型連接節點。

本文提出的新型連接節點可以更好地增強裝配式鋼結構建筑的穩定性，更好地去適應鋼結構建筑的發展。

5、裝配式鋼結構的展望

連接節點具有很好的通用性，能夠根據建筑所需，高效準確解決施工時會出現的困難。并且隨著我國建筑工業化的大力推進，越來越多的新型裝配式鋼結構住宅體系應用到實際工程中，因此，解決有關連接節點的問題是必然趨勢。鋼結構對人力資源、環境保護、生產效率等方面具有特殊的意義。在建筑行業大范圍地應用鋼結構，能使綠色建筑可持續發展被有效地推動、使鋼鐵產能過剩被更快地化解，在一定程度上成為供給側改革的有效載體。

大力發展裝配式鋼結構建筑是大勢所趨，裝配式鋼結構新型外掛墻板連接節點的研究也將會不斷地優化。我們有理由相信，中國的裝配式鋼結構在不久的將來會迎來勢不可擋的發展和流行。并且，由于鋼結構研究發展的投入逐年增加，鋼結構應用的關鍵技術難題將逐漸被解決，這為推進裝配式鋼結構住宅掃除了很多障礙，中國裝配式鋼結構即將進入新的篇章。

作者簡介：

張靈（1999-），女，漢族，南京工程學院本科在讀，土木工程（建筑工程）方向。

基金項目：

2021年度大學生科技創新基金項目“新型裝配式鋼結構住宅體系關鍵技術研究”（TB202109016）。

參考文獻：

[1]張愛林，馬林，劉學春，姜子欽.裝配式外掛墻板鋼框架受力性能有限元分析[J].建筑結構學報，2016（05）：152-157.

[2]曹石，舒贛平，林坤洪，范圣剛，高洪.一種新型裝配式鋼結構外掛墻板連接節點的受力性能分析和設計方法[J].建筑結構，2017，47（10）：46-52.

[3]許劍峰，李立.裝配式鋼結構新型節點研究[J].四川建材，2020，46（02）：72-73.

[4]唐濤.裝配式鋼結構建筑墻板及其連接節點研究綜述[J].低溫建筑技術，2021（09）：53-57.