装配式钢结构建筑结构设计在实际工程中的应用

2020-05-24韦婉李晨光

工程建设与设计 2020年8期

韦婉，李晨光

（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京100013；2.北京首创高科技发展有限公司，北京100089）

1 引言

装配式钢结构主要以预制构件的形式进行施工作业，因此其设计涵盖施工全过程，同时可借助信息化技术，实现工程建造的信息平台化搭建，将传统的建筑设计及施工转变成为“工厂化、自动化”形式，不仅符合建筑发展的先进理念，同时也顺应了“绿色建筑”发展思路。本文以装配式建筑结构设计为研究重点，对梁翼缘与柱的连接、梁腹部与钢的连接、梁-梁节点设计等结构形式的设计，为装配式建筑结构的设计要点及其相关内容研究提供理论支撑。

2 装配式钢结构建筑的结构节点设计

在结构设计中，装配式建筑结构设计存在较多节点，结构刚度的差异化对装配式建筑结构稳定性也会产生影响，由此在建筑设计实践环节中，依据国际抗震设计规范和相关标准，应以满足建筑用途需求及区域地质条件等的要求为主，开展科学合理的结构节点设计：（1）可借助工程设计软件，对设计对象进行建模分析，以实现设计周期的缩短；（2）将装配式建筑施工与设计相互结合，以提高生产效率；（3）在装配式构件的标准化生产中，可高效地提高施工工业化程度，由于构件的工厂化生产模式比传统的工艺生产更加先进，因此，可通过产品质量和性能的提升为基准，将生产后的构件结构按照施工的进度要求，安全运输到施工现场，以完成焊接或者螺栓的配套化安装施工[1]。

3 装配式钢结构建筑的结构设计在工程中的应用

装配式钢结构设计环节中，主要涉及主体和附属结构2部分。其中从预制构件的设计内容上分析，主要包含有钢梁、钢柱及钢节点等环节；而作为附属结构，设计要点主要包含有加劲肋、加强板、连接板等结构，主要设计原则包含有：（1）结合持久设计工况，以完善预制构件结构的承载力、稳定性、变形及裂缝特征等，并按照设计的要求，尤其对裂缝进行控制验算；（2）在地震结构化设计中，可对预制构件的承载力进行验算分析；（3）在构件的制作、运输、安放等工况设计环节，预制构件的验算应满足和符合国家的相关标准及规范；（4）以固定和连接件的预埋件、临时支撑用预埋件为例，在结构设计时尽量排除在选用范围内，除非遇到特殊情况时可使用并满足工况的设计要求[2]。

3.1 梁- 柱节点设计

以某钢结构大厦为例，如图1 所示。此建筑钢结构梁-柱节点的主要设计内容包含以下几方面。

3.1.1 梁翼缘与柱的连接

焊缝主要采用全熔透坡口形式进行焊接，焊缝连接点为主，应及时加设对应衬板结构，并在翼缘板口两侧处设置引弧板，同时在梁腹板结构的上下端中实现扇形切角，在钢梁结构的翼缘板处，可通过与扇形切角结构建立端部连接形式，为实现圆弧过渡，适当地增加点焊。在所有规定中，都应以满足设计规范为主，实现梁翼缘与柱的有效连接。

图1 某钢结构大厦的梁柱深化设计节点模型

3.1.2 梁腹部与钢的连接

针对焊缝的焊接，应全部选用坡口焊接方式，当钢板的厚度＜16mm 时，应选择采用双面角的形式进行焊接处理，焊缝结构的厚度应＞5mm，并需要满足强度要求；钢板的厚度应＞16mm，并选择使用K 字形坡口结构对焊缝进行焊接。需要特别注意的是，在装配式钢节点的节点区域，当板厚＞30mm 时，焊接过程中要执行预热和后热处理。

3.2 连接深化设计

3.2.1 梁-梁节点设计

装配式钢结构的截面形式设计中，可设计为工字形或者H 形。在梁-梁节点的设计中，要以刚性连接为主，其中主要的设计形式包括：（1）利用高强度螺栓，实现翼缘与腹板连接的高效性；（2）焊接缝的连接需要采用全焊透的坡口形式，腹板需要将摩擦型连接结构进行高强度的螺栓式连接[3]；（3）翼缘、腹板结构可均采用全焊透的方式，用以对接焊缝连接模式，以本文案例分析中的某钢结构大厦梁-梁节点的设计为例，设计模型如图2 所示。

图2 某钢结构大厦的钢结构梁－梁连接设计模型

3.2.2 柱-柱节点设计

柱截面结构主要以H 形为主，利用高强螺栓实现腹板连接，在翼缘间连接处主要使用全焊透的坡口结构，用以对接焊缝。在柱截面结构的形状主要以H 形为主时，腹板和翼缘板结构的连接主要以高强螺栓为主。在柱截面体系中，箱形截面和圆管形截面的焊缝主要以全焊接式来实现焊缝的焊接。如某钢结构大厦，柱-柱连接的设计要点主要包含：（1）科学合理地设计箱形截面结构的钢柱拼接位置，并在柱脚处进行承台面的设计，主要设置在承台面以上1.5m 附近位置；（2）在钢柱的侧板与节点位置处的连接设计，应以实现坡口的全焊接为主；（3）在钢柱结构的连接设计中，应以全熔透焊接缝为主，采用全焊或者栓焊的连接方式，将翼缘板结构采用坡口的全熔透焊接模式，实现焊接体系的高强度螺栓焊接。

3.2.3 楼板、墙板与主体连接节点

建筑围护结构选择中，应以轻质、均质结构为主，将墙板结构、主体结构进行有效连接，按照设计的要点，在一定的设计原则下，对楼板、墙板及主体的连接节点进行外延与变形控制，确保围护体系在主体受力的情况下，在不同的方位层间产生位移的协调性与稳定性，并以此条件满足防震抗裂条件下的主体结构层间变形要求。

3.2.4 附属结构设计

在附属结构的设计环节中，以加劲肋和补强板设计为例，在装配式建筑结构设计的过程中，如果对应的梁、柱节点结构不满足对应的结构抗剪设计要求，则需要在柱腹板的梁柱节点处进行加厚设计，并对H 形钢柱的截面体系进行加焊贴板的连接，并在贴板的边缘结构处，伸出加劲肋外部＞150mm 的长度，在连接贴板的焊接过程中，主要以＞5mm 的角焊接缝为主，实现柱翼缘角焊缝的对接缝连接。

此外，从成本控制的角度进行分析，在装配式钢结构设计要点中，应结合相关设计实践思路，重点分析装配式钢结构的成本控制，并在设计、安装施工环节中，采取有效措施，实现成本最优化。尤其是装配式结构构件的设计，应以预制钢结构的设计水平、加工工艺、标准尺寸等的构件设计为主，以保障钢结构构件尺寸的准确化、合理化和科学化。