裝配式鋼結(jié)構新型節(jié)點研究

許劍峰，李 立

(山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590)

0 前 言

《中國建筑能耗研究報告(2017)》[1]中指出：“房屋建筑在全壽命周期中消費了大量資源和能源，對生態(tài)文明建設產(chǎn)生巨大影響”。據(jù)統(tǒng)計，建筑能耗約占總能耗的30%，已成為我國三大能耗之一。而建筑領域綠色低碳發(fā)展是實現(xiàn)“美麗中國”目標的重要路徑，傳統(tǒng)建筑已無法適應“綠色中國”的發(fā)展要求。裝配式建筑作為綠色建造技術，具有降成本、控污染、保節(jié)能的優(yōu)勢。顯然，裝配式建筑順應時代發(fā)展要求，有助于提高城市建設質(zhì)量，推動生態(tài)建設的工作進程。

1 裝配式鋼結(jié)構的發(fā)展

自“十三五”以來，鋼結(jié)構在我國的建筑工程中占比增大。鋼結(jié)構“輕質(zhì)高強”的特點與裝配式建筑的發(fā)展理念完美契合。首先，鋼結(jié)構可以將2/3以上的工作放進工廠，將露天作業(yè)移至室內(nèi)，大大改善了施工環(huán)境；其次，構件的工廠化生產(chǎn)，降低了施工誤差，使得工程質(zhì)量得到更大的保證；最后，鋼結(jié)構各部件可以現(xiàn)場機械化吊裝與拼接，便于施工，提高安裝和施工效率。裝配式鋼結(jié)構充分體現(xiàn)了自重輕、抗震好、工期短、效益高的優(yōu)勢，具有集成化、工業(yè)化、標準化的特點，通過工廠精細化制造，現(xiàn)場高質(zhì)量安裝，施工信息化管理可實現(xiàn)建筑高品質(zhì)、低污染的目標，符合可持續(xù)發(fā)展理念，因而裝配式鋼結(jié)構是一種適應建筑發(fā)展趨勢的綠色建筑體系[2]。裝配式鋼結(jié)構的優(yōu)勢使其在未來建筑市場中具備很大的潛力。

2 裝配式鋼結(jié)構新型節(jié)點研究

2.1 設計理念

裝配式鋼結(jié)構的突破式發(fā)展是我國建筑業(yè)創(chuàng)新發(fā)展路徑的標志，然而傳統(tǒng)的鋼筋混凝土建筑模式仍占據(jù)主導地位。因此，在國家推進裝配式鋼結(jié)構住宅的大環(huán)境下，合理地將混凝土結(jié)構融入，持續(xù)發(fā)展“裝配式鋼結(jié)構+混凝土板”的設計理念，整合鋼結(jié)構與混凝土結(jié)構的優(yōu)勢，充分汲取各部分的最大價值，使效果達到整體最優(yōu)化，這對于我國建筑業(yè)的發(fā)展具有重要意義。目前，這種組合結(jié)構在歐美國家應用廣泛，我國對此的研究起步較晚，但近些年也取得了很大的進展。

2.2 技術方案

節(jié)點的構造形式對節(jié)點的強度、剛度以及整體結(jié)構的受力和變形均有直接影響，對施工進度和鋼結(jié)構建造成本也會產(chǎn)生直接影響。合理地選擇裝配式鋼結(jié)構節(jié)點形式對鋼結(jié)構建筑設計和施工具有重要意義[3]。然而，在裝配式鋼結(jié)構的實際施工中，如何將鋼梁與外墻板高效率、低成本地連接，這就需要對節(jié)點進行優(yōu)化設計，以期滿足在精度、難度、強度上的要求。

這種新型節(jié)點由連接板與垂直栓釘組成。連接板是由一對組合結(jié)構構成(如圖1所示)，結(jié)構外形上均呈現(xiàn)“U”字形，“U”型構件開口尺寸與螺桿直徑相同，即僅可供一根螺桿從開口穿入。構件體型較小，構造簡單，便于加工生產(chǎn)。外墻板為預埋入螺桿的預制混凝土板，其在工廠加工制作即可。

圖1 裝配式鋼結(jié)構新型節(jié)點構造示意圖

新型節(jié)點的技術方案是:工廠預制鋼筋混凝土外墻板，將螺桿預埋入外墻板；工廠制作鋼梁，在H型鋼上翼緣內(nèi)側(cè)根據(jù)外墻板尺寸每間隔一段距離預焊1號構件，“U”型開口向外(如圖2所示)；鋼梁與預制板就位后，將預制板吊起使外露鋼筋末端的螺桿從1號構件開口穿過，然后將2號構件開口向內(nèi)緊貼1號構件安裝，使得組合構件將螺桿緊緊夾住，最后現(xiàn)場用螺母鎖緊連接板，使鋼梁與預制外墻板緊密連接(如圖3所示)。

圖3 裝配式鋼結(jié)構節(jié)點連接示意圖

裝配式鋼結(jié)構新型節(jié)點連接方式僅僅通過連接板與螺栓，便能實現(xiàn)鋼梁與預制板的連接，此種連接方式精度高、成本低、速度快，充分契合了裝配式建筑的優(yōu)點，實現(xiàn)了鋼梁與外墻板的快速連接。此種節(jié)點構造簡單，安裝與拆卸方便，不僅在安裝施工上可以實現(xiàn)梁板的快速連接，對于后期的維修保養(yǎng)也具有很大的意義。

3 新型節(jié)點實施方案

預制組裝技術是當今國際建筑發(fā)展的一種實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的建筑潮流，它是將建筑的各個構件在工廠進行設計、生產(chǎn)、養(yǎng)護，然后運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場[4]，在現(xiàn)場進行干式工法將各個預制構件進行組裝的技術。這種施工技術可實現(xiàn)構件精細化、施工簡便化、建筑產(chǎn)業(yè)化，提升建筑質(zhì)量與施工效率，節(jié)約資源，減少污染，符合當今綠色建筑的發(fā)展趨勢。

3.1 預制外墻板

預制墻板作為預制組裝技術的組成部分，其對于整個建筑具有十分重要的意義。預制墻板作為建筑的外圍護結(jié)構，不僅要承擔自重，也要滿足對建筑強度、保溫、隔聲等的功能方面的要求。同時預制裝配式墻體還可以最大限度地提高室內(nèi)凈使用面積，對于同等條件下普通建筑形式下的外墻具有十分顯著的優(yōu)勢。

預制外墻板的加工工藝流程為：利用預先設計好的模板，先粘貼面磚后再將綁扎好的鋼筋吊到模板內(nèi)進行安裝，然后將保溫板、門窗框等構件安裝固定，再進行混凝土的澆筑及蒸汽養(yǎng)護，最后拆模吊運[5]。根據(jù)不同的施工工藝，流程也會有一些變化。

針對本文所介紹的鋼梁與外墻板的連接節(jié)點，因其體積小，構造簡單，在預制外墻板加工制作過程中，應盡可能地減小外墻板的自重，這便需要采用材質(zhì)較輕的建筑材料。外墻板輕質(zhì)澆筑材料的研究，也是當前建筑業(yè)比較關注的話題。

3.2 預制鋼梁

本文梁板連接節(jié)點所采用的鋼梁為H型鋼。H型鋼是一種截面面積分配更加優(yōu)化、強重比更加合理的經(jīng)濟斷面高效型材[6]。由于H型鋼的各個部位均以直角排布，因此，H型鋼在各個方向上都具有抗彎能力強、施工簡單、節(jié)約成本和結(jié)構重量輕等優(yōu)點[6]。

鋼梁的工廠加工要嚴格按照圖紙要求進行操作，鋼梁的規(guī)格尺寸必須滿足《鋼結(jié)構設計規(guī)范》(GB50017—2017)等規(guī)范要求?！癠”型組合構件宜采用市面上強度較高的鋼材進行精細加工，其在鋼梁上的外伸長度不宜大于外墻板厚度，其口徑應只容許一根螺桿恰好穿入。預埋件的埋設間距應等同于預埋入外墻板的螺桿間距。在“U”型組合構件的生產(chǎn)上，在生產(chǎn)滿足建筑要求的套數(shù)的基礎上加大生產(chǎn)量，以防在現(xiàn)場施工時產(chǎn)生數(shù)量不匹配與構件損壞等問題的發(fā)生。

3.3 預制構件的連接

預制構件就位后，將預制外墻板吊起，使其垂直上升，使預埋入外墻混凝土板的螺桿穿入預埋件開口并緊貼凹槽口。2號構件因需要人工安裝，故要確保組合構件夾緊螺桿，然后現(xiàn)場用螺母將組合連接板鎖緊，從而便實現(xiàn)了鋼梁與外墻板的固定連接。

3.4 其他實施方式

在預制構件工廠生產(chǎn)階段，圖紙的深化設計關乎到預制構件生產(chǎn)的精細化，甚至關乎到建筑的穩(wěn)定性。因而加工圖的制作必須充分保證其精細度。

在預制構件的運輸過程中，應加強對外露螺桿的保護，避免豁口、彎曲現(xiàn)象的發(fā)生。

組合構件套數(shù)應高于建筑施工所需數(shù)量，最大程度減少在運輸中構件的丟失與損壞對施工所產(chǎn)生的影響。

在進行現(xiàn)場安裝時，要著重注意施工安全控制，施工前要對構件材料進行審核。施工安裝要嚴格遵循相關施工方案，切忌以施工經(jīng)驗為由不按規(guī)定要求施工，同時要采取相應的優(yōu)化措施以保證更好的施工質(zhì)量。

4 結(jié) 論

裝配式鋼結(jié)構新型節(jié)點的設計為裝配式建筑的快速施工提供了一個新的作業(yè)模式，為“裝配式鋼結(jié)構+混凝土板”的設計理念增添了新的內(nèi)容。新型節(jié)點解決了鋼梁與外墻板快速連接的問題，具備“多快好省”的突出優(yōu)勢。然而，在新型節(jié)點的實際應用中還存有一些問題亟待解決:其一，必須加強高性能鋼材耐腐耐火研究；其二，加強裝配式建筑設計軟件體系的構建；其三，加強減輕預制外墻板自重的研究；最后，加快發(fā)展工業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化和智能化。

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