装配式钢结构住宅预制构件节点设计

陈 如 山东华材工程检测鉴定有限公司工程师

孟冬梅 山东恒信建筑设计有限公司工程师

建筑业是国家的重要支柱产业，它的发展与国民经济发展息息相关。而在建筑业发展过程中，建筑设计相关研究一直都是重中之重，只有不断提高建筑设计水平，才能够促进建筑业实现可持续发展[1]。装配式钢结构住宅是现代住宅建筑的常见类型，在这类建筑的设计中，必须重点把握好预制构件节点设计问题，从而才能够确保设计质量。

1 相关概念简介

1.1 装配式建筑

装配式建筑是指由预制构件在施工现场装配而成的建筑。装配式建筑与传统建筑的最大区别在于施工流程和方式上，装配式建筑将大部分现场施工作业转移到工厂中进行，先在工厂中制作好各类预制构件，再把这些预制构件运输到施工现场拼装成建筑[2]。装配式建筑主要具有如下特点：一是标准化设计，即采用共性条件对预制构件制定统一的标准和模式，进行适用范围较广的设计；二是工厂化生产，即按照一定的标准要求提前在工厂中批量化生产预制构件；三是装配化施工，即将传统的现场浇筑施工改为现场装配施工；四是一体化装修，即通过将建筑主体施工与装饰装修作业相结合来实现装修一次到位；五是信息化管理，即在设计与施工过程中充分应用先进的BIM等信息技术来提高信息传递效率和精度。

1.2 钢结构建筑

钢结构建筑是现代建筑的常见类型，顾名思义是指主体结构材料以钢材为主的建筑。钢结构建筑中的主要构件有钢梁、钢柱、钢桁架等，它们均是由型钢、钢板等制成，同时通过硅烷化、纯锰磷化、镀锌、水洗烘干等工艺进行防除锈处理。钢结构建筑主要有以下特点：一是污染小且支持循环利用，既节能又环保；二是整体组织均匀，具有自重轻、强度高、抗震性能好、稳定性好、安全性高、受外界环境影响较小等优势；三是韧性好，可塑性强，能够承受较大幅度的变形。

1.3 装配式钢结构住宅

装配式钢结构住宅是将钢结构建筑与装配式建筑有机结合起来的一种住宅。与普通住宅相比，装配式钢结构住宅具有如下优势：一是在工厂内批量化、标准化生产预制构件，有利于减少材料使用量、材料耗损量，因此可以有效降低材料花费的成本，进而降低总成本；二是现场仅需对预制构件进行装配，施工量、用工量均比较少，且有利于缩短施工周期；三是现场无需进行切割作业，因此对环境造成的污染较小，更加绿色、环保。

2 装配式钢结构住宅预制构件节点设计

2.1 工程概况

某装配式钢结构住宅项目中共包含10栋住宅楼，其中一栋高层住宅楼工程由地上14层+地下1层组成，地上部分高度为39.2 m，抗震设防烈度为6度。该工程主体结构为钢框架支撑结构，抗侧力较高，设置横向钢支撑增加结构水平承载力。

2.2 预制构件制作

本工程中需要应用的预制构件有H型钢框梁、矩形钢管柱、钢支撑及其肋板等，其中钢梁和钢支撑的抗震等级均为4级、钢管混凝土柱为3级。相关预制构件的制作需严格遵循我国《钢结构工程施工质量验收规范》（GB 50205）的规定。

2.3 节点设计

由于受钢材料自身特性的影响，钢结构的自由度会受到一定的限制，因此在装配式钢结构住宅预制构件节点设计中，需要重点关注节点的受力变形问题，通过合理的设计最大限度预防位移产生，切实保证连接节点的抗震性能。

2.3.1 梁柱连接节点设计

梁柱连接节点是钢梁与钢柱之间的交汇点，它是装配式钢结构住宅预制构件中的重要节点，主要作用是将力有效传递给梁和柱。梁柱连接节点通常受力较复杂，且影响其强度、刚度的因素较多。由于本工程属于抗震设防的高层住宅楼工程，因此梁柱宜采取刚性连接，在设计过程中需要对受弯承载力、受剪承载力、节点域抗剪强度、柱水平加劲肋板厚度等进行准确验算。按结构进行弹塑性阶段设计时，一方面，梁柱连接节点的承载力需要比构件截面的承载力高；另一方面，其需要符合下列公式要求：

公式中，Mu和Vu分别代表基于极限强度最小值的节点连接最大受弯承载力和最大受剪承载力，Mp代表梁构件或梁贯通时的柱构件的全塑型受弯承载力；l代表的是梁净跨。其中，Mu仅依靠翼缘的连接进行承担，Vu仅依靠腹板的连接进行承担。

本工程的最大应力主要集中在梁上、下两翼缘的削弱处，同时梁翼缘、腹板处均形成塑性铰，因此梁翼缘削弱处是结构的最终破坏发生位置。为尽可能减小梁跨中的弯矩，在本工程的实践设计中宜采用柱贯通连接形式，具体的连接方式是栓焊混合连接，也就是在梁翼缘与柱翼缘之间采取坡口焊接或者在梁腹板与柱翼缘之间采用M22高强螺栓进行连接。

在本工程中，大部分荷载是由与柱相邻的螺栓进行承受，所以一旦螺栓发生了较大位移，螺栓杆与柱面套板之间会发生接触，从而产生局部压应力，导致螺栓杆和螺栓孔壁之间发生接触，进而引起螺栓受剪。对此，需要对梁翼缘端部进行加宽补强，以减小螺栓承受的剪应力。

2.3.2 支撑连接节点设计

支撑是装配式钢结构住宅中的重要传力部件，它的主要作用与功能是对预制构件进行临时固定及校正。柱面附近的梁上经常会存在塑性铰，柱翼缘材料的厚度方向带来较大应变，并对焊缝金属的塑性变形、周围热影响区的塑性变形均提出了较高的要求，如果设计不合理，那么极有可能会引发构件的脆性破坏。因此在本工程的实践设计中，应通过合理控制塑性铰位置来保障构件的可靠性。通过钢支撑的应用，可以对塑性铰进行有效转移，从而将支撑连接节点的破坏点从原本的梁端转移至钢筋桁架。这种设计方案符合基本的抗震设计理念：强节点、弱构件。由于本工程属于抗震设防的高层住宅楼工程，因此支撑连接节点需要满足下列公式要求：

公式中，Nubr代表基于极限强度最小值的支撑连接最大承载力；An代表支撑的净截面面积；fy代表支撑钢材的屈服强度。

在本工程中，钢梁与支撑翼缘的连接处以及钢柱与支撑翼缘的连接处，均宜设置加劲肋板，目的是提高支撑连接节点的承载力。在具体的加劲肋板设置中，需要分别按承受支撑轴心力对钢梁的水平力或竖向力、对钢柱的水平力或竖向力进行计算。如果选择不设置加劲肋板，那么需要适当增大支撑连接节点的设计荷载。

本工程需要设计合理的偏心支撑结构体系，目的是保持耗能梁段在正常使用时和小震作用下处于弹性范围内，且能够在强震作用下利用耗能梁段的非弹性变形进行耗能。在耗能梁段与支撑之间的连接端部，用于支撑的两侧设置加劲肋板，以使耗能梁段产生良好的非弹性转动能力；否则在剪切屈服后便会开始出现屈曲，无论是耗能能力还是延性均较差。一般情况下，对于装配式钢结构住宅而言，其所设置的加劲肋板间距应符合我国《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ 99-2015）的规定。

2.3.3 楼板节点设计

传统的楼板在设计与施工中均存在明显的缺陷，对于装配式钢结构住宅来说，宜采用施工方便、性能较好的钢筋桁架楼承板。钢筋桁架楼承板是一种一体化构件，由楼板和钢筋桁架两部分组成。在应用钢筋桁架楼承板后，原本混凝土楼板的自重即改为由钢筋进行承受，如此一来混凝土内就不会再产生拉应力，在使用过程中正负弯矩区混凝土拉应力可以得到明显降低，以及裂缝也会出现明显减小。

2.3.4 BIM辅助设计

BIM是基于建筑各项信息数据建立3D建筑模型对建筑真实信息进行仿真模拟的技术。BIM中包含了多种高新技术，例如，其中的计算机模拟技术能够在计算机上将建筑模拟展示出来，虚拟仿真技术能够仿真构建出虚拟的建筑模型，三维可视化技术能够将二维的建筑设计图纸三维化。在装配式钢结构住宅预制构件节点设计中，利用BIM进行辅助设计可以达到事半功倍的效果。在本工程的实践设计中，需要先利用BIM构建出工程3D建筑模型，再在模型上对各预制构件节点进行深化设计。

3 结语

综上所述，装配式钢结构住宅兼备装配式建筑与钢结构建筑的特征和优点，在我国拥有十分广阔的发展前景。在装配式钢结构住宅的设计中，若想提高整体设计水平，首先应提高预制构件节点设计水平。预制构件节点设计直接关系着建筑的可靠性与安全性问题，在实践设计中应充分把握好相关设计要点，结合工程实际情况不断优化设计方案。