裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計在實際工程中的應(yīng)用

韋婉，李晨光

（1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京100013；2.北京首創(chuàng)高科技發(fā)展有限公司，北京100089）

1 引言

裝配式鋼結(jié)構(gòu)主要以預(yù)制構(gòu)件的形式進(jìn)行施工作業(yè)，因此其設(shè)計涵蓋施工全過程，同時可借助信息化技術(shù)，實現(xiàn)工程建造的信息平臺化搭建，將傳統(tǒng)的建筑設(shè)計及施工轉(zhuǎn)變成為“工廠化、自動化”形式，不僅符合建筑發(fā)展的先進(jìn)理念，同時也順應(yīng)了“綠色建筑”發(fā)展思路。本文以裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計為研究重點，對梁翼緣與柱的連接、梁腹部與鋼的連接、梁-梁節(jié)點設(shè)計等結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計，為裝配式建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點及其相關(guān)內(nèi)容研究提供理論支撐。

2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計存在較多節(jié)點，結(jié)構(gòu)剛度的差異化對裝配式建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性也會產(chǎn)生影響，由此在建筑設(shè)計實踐環(huán)節(jié)中，依據(jù)國際抗震設(shè)計規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)以滿足建筑用途需求及區(qū)域地質(zhì)條件等的要求為主，開展科學(xué)合理的結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計：（1）可借助工程設(shè)計軟件，對設(shè)計對象進(jìn)行建模分析，以實現(xiàn)設(shè)計周期的縮短；（2）將裝配式建筑施工與設(shè)計相互結(jié)合，以提高生產(chǎn)效率；（3）在裝配式構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)中，可高效地提高施工工業(yè)化程度，由于構(gòu)件的工廠化生產(chǎn)模式比傳統(tǒng)的工藝生產(chǎn)更加先進(jìn)，因此，可通過產(chǎn)品質(zhì)量和性能的提升為基準(zhǔn)，將生產(chǎn)后的構(gòu)件結(jié)構(gòu)按照施工的進(jìn)度要求，安全運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，以完成焊接或者螺栓的配套化安裝施工[1]。

3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計在工程中的應(yīng)用

裝配式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)中，主要涉及主體和附屬結(jié)構(gòu)2部分。其中從預(yù)制構(gòu)件的設(shè)計內(nèi)容上分析，主要包含有鋼梁、鋼柱及鋼節(jié)點等環(huán)節(jié)；而作為附屬結(jié)構(gòu)，設(shè)計要點主要包含有加勁肋、加強(qiáng)板、連接板等結(jié)構(gòu)，主要設(shè)計原則包含有：（1）結(jié)合持久設(shè)計工況，以完善預(yù)制構(gòu)件結(jié)構(gòu)的承載力、穩(wěn)定性、變形及裂縫特征等，并按照設(shè)計的要求，尤其對裂縫進(jìn)行控制驗算；（2）在地震結(jié)構(gòu)化設(shè)計中，可對預(yù)制構(gòu)件的承載力進(jìn)行驗算分析；（3）在構(gòu)件的制作、運(yùn)輸、安放等工況設(shè)計環(huán)節(jié)，預(yù)制構(gòu)件的驗算應(yīng)滿足和符合國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范；（4）以固定和連接件的預(yù)埋件、臨時支撐用預(yù)埋件為例，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時盡量排除在選用范圍內(nèi)，除非遇到特殊情況時可使用并滿足工況的設(shè)計要求[2]。

3.1 梁- 柱節(jié)點設(shè)計

以某鋼結(jié)構(gòu)大廈為例，如圖1 所示。此建筑鋼結(jié)構(gòu)梁-柱節(jié)點的主要設(shè)計內(nèi)容包含以下幾方面。

3.1.1 梁翼緣與柱的連接

焊縫主要采用全熔透坡口形式進(jìn)行焊接，焊縫連接點為主，應(yīng)及時加設(shè)對應(yīng)襯板結(jié)構(gòu)，并在翼緣板口兩側(cè)處設(shè)置引弧板，同時在梁腹板結(jié)構(gòu)的上下端中實現(xiàn)扇形切角，在鋼梁結(jié)構(gòu)的翼緣板處，可通過與扇形切角結(jié)構(gòu)建立端部連接形式，為實現(xiàn)圓弧過渡，適當(dāng)?shù)卦黾狱c焊。在所有規(guī)定中，都應(yīng)以滿足設(shè)計規(guī)范為主，實現(xiàn)梁翼緣與柱的有效連接。

圖1 某鋼結(jié)構(gòu)大廈的梁柱深化設(shè)計節(jié)點模型

3.1.2 梁腹部與鋼的連接

針對焊縫的焊接，應(yīng)全部選用坡口焊接方式，當(dāng)鋼板的厚度＜16mm 時，應(yīng)選擇采用雙面角的形式進(jìn)行焊接處理，焊縫結(jié)構(gòu)的厚度應(yīng)＞5mm，并需要滿足強(qiáng)度要求；鋼板的厚度應(yīng)＞16mm，并選擇使用K 字形坡口結(jié)構(gòu)對焊縫進(jìn)行焊接。需要特別注意的是，在裝配式鋼節(jié)點的節(jié)點區(qū)域，當(dāng)板厚＞30mm 時，焊接過程中要執(zhí)行預(yù)熱和后熱處理。

3.2 連接深化設(shè)計

3.2.1 梁-梁節(jié)點設(shè)計

裝配式鋼結(jié)構(gòu)的截面形式設(shè)計中，可設(shè)計為工字形或者H 形。在梁-梁節(jié)點的設(shè)計中，要以剛性連接為主，其中主要的設(shè)計形式包括：（1）利用高強(qiáng)度螺栓，實現(xiàn)翼緣與腹板連接的高效性；（2）焊接縫的連接需要采用全焊透的坡口形式，腹板需要將摩擦型連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行高強(qiáng)度的螺栓式連接[3]；（3）翼緣、腹板結(jié)構(gòu)可均采用全焊透的方式，用以對接焊縫連接模式，以本文案例分析中的某鋼結(jié)構(gòu)大廈梁-梁節(jié)點的設(shè)計為例，設(shè)計模型如圖2 所示。

圖2 某鋼結(jié)構(gòu)大廈的鋼結(jié)構(gòu)梁－梁連接設(shè)計模型

3.2.2 柱-柱節(jié)點設(shè)計

柱截面結(jié)構(gòu)主要以H 形為主，利用高強(qiáng)螺栓實現(xiàn)腹板連接，在翼緣間連接處主要使用全焊透的坡口結(jié)構(gòu)，用以對接焊縫。在柱截面結(jié)構(gòu)的形狀主要以H 形為主時，腹板和翼緣板結(jié)構(gòu)的連接主要以高強(qiáng)螺栓為主。在柱截面體系中，箱形截面和圓管形截面的焊縫主要以全焊接式來實現(xiàn)焊縫的焊接。如某鋼結(jié)構(gòu)大廈，柱-柱連接的設(shè)計要點主要包含：（1）科學(xué)合理地設(shè)計箱形截面結(jié)構(gòu)的鋼柱拼接位置，并在柱腳處進(jìn)行承臺面的設(shè)計，主要設(shè)置在承臺面以上1.5m 附近位置；（2）在鋼柱的側(cè)板與節(jié)點位置處的連接設(shè)計，應(yīng)以實現(xiàn)坡口的全焊接為主；（3）在鋼柱結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計中，應(yīng)以全熔透焊接縫為主，采用全焊或者栓焊的連接方式，將翼緣板結(jié)構(gòu)采用坡口的全熔透焊接模式，實現(xiàn)焊接體系的高強(qiáng)度螺栓焊接。

3.2.3 樓板、墻板與主體連接節(jié)點

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)選擇中，應(yīng)以輕質(zhì)、均質(zhì)結(jié)構(gòu)為主，將墻板結(jié)構(gòu)、主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效連接，按照設(shè)計的要點，在一定的設(shè)計原則下，對樓板、墻板及主體的連接節(jié)點進(jìn)行外延與變形控制，確保圍護(hù)體系在主體受力的情況下，在不同的方位層間產(chǎn)生位移的協(xié)調(diào)性與穩(wěn)定性，并以此條件滿足防震抗裂條件下的主體結(jié)構(gòu)層間變形要求。

3.2.4 附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計

在附屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計環(huán)節(jié)中，以加勁肋和補(bǔ)強(qiáng)板設(shè)計為例，在裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，如果對應(yīng)的梁、柱節(jié)點結(jié)構(gòu)不滿足對應(yīng)的結(jié)構(gòu)抗剪設(shè)計要求，則需要在柱腹板的梁柱節(jié)點處進(jìn)行加厚設(shè)計，并對H 形鋼柱的截面體系進(jìn)行加焊貼板的連接，并在貼板的邊緣結(jié)構(gòu)處，伸出加勁肋外部＞150mm 的長度，在連接貼板的焊接過程中，主要以＞5mm 的角焊接縫為主，實現(xiàn)柱翼緣角焊縫的對接縫連接。

此外，從成本控制的角度進(jìn)行分析，在裝配式鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要點中，應(yīng)結(jié)合相關(guān)設(shè)計實踐思路，重點分析裝配式鋼結(jié)構(gòu)的成本控制，并在設(shè)計、安裝施工環(huán)節(jié)中，采取有效措施，實現(xiàn)成本最優(yōu)化。尤其是裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計，應(yīng)以預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計水平、加工工藝、標(biāo)準(zhǔn)尺寸等的構(gòu)件設(shè)計為主，以保障鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸的準(zhǔn)確化、合理化和科學(xué)化。

4 結(jié)語

綜上所述，對裝配式建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要點進(jìn)行分析，首先，要明確設(shè)計過程中存在的問題，并依據(jù)問題提出設(shè)計解決方案，結(jié)合具體項目的基本情況，精確控制鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計思路、設(shè)計要點等，從而不斷優(yōu)化設(shè)計方案，完善鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計及使用性能。