裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅預(yù)制構(gòu)件節(jié)點設(shè)計

陳 如 山東華材工程檢測鑒定有限公司工程師

孟冬梅 山東恒信建筑設(shè)計有限公司工程師

建筑業(yè)是國家的重要支柱產(chǎn)業(yè)，它的發(fā)展與國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展息息相關(guān)。而在建筑業(yè)發(fā)展過程中，建筑設(shè)計相關(guān)研究一直都是重中之重，只有不斷提高建筑設(shè)計水平，才能夠促進(jìn)建筑業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[1]。裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅是現(xiàn)代住宅建筑的常見類型，在這類建筑的設(shè)計中，必須重點把握好預(yù)制構(gòu)件節(jié)點設(shè)計問題，從而才能夠確保設(shè)計質(zhì)量。

1 相關(guān)概念簡介

1.1 裝配式建筑

裝配式建筑是指由預(yù)制構(gòu)件在施工現(xiàn)場裝配而成的建筑。裝配式建筑與傳統(tǒng)建筑的最大區(qū)別在于施工流程和方式上，裝配式建筑將大部分現(xiàn)場施工作業(yè)轉(zhuǎn)移到工廠中進(jìn)行，先在工廠中制作好各類預(yù)制構(gòu)件，再把這些預(yù)制構(gòu)件運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場拼裝成建筑[2]。裝配式建筑主要具有如下特點：一是標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，即采用共性條件對預(yù)制構(gòu)件制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和模式，進(jìn)行適用范圍較廣的設(shè)計；二是工廠化生產(chǎn)，即按照一定的標(biāo)準(zhǔn)要求提前在工廠中批量化生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件；三是裝配化施工，即將傳統(tǒng)的現(xiàn)場澆筑施工改為現(xiàn)場裝配施工；四是一體化裝修，即通過將建筑主體施工與裝飾裝修作業(yè)相結(jié)合來實現(xiàn)裝修一次到位；五是信息化管理，即在設(shè)計與施工過程中充分應(yīng)用先進(jìn)的BIM等信息技術(shù)來提高信息傳遞效率和精度。

1.2 鋼結(jié)構(gòu)建筑

鋼結(jié)構(gòu)建筑是現(xiàn)代建筑的常見類型，顧名思義是指主體結(jié)構(gòu)材料以鋼材為主的建筑。鋼結(jié)構(gòu)建筑中的主要構(gòu)件有鋼梁、鋼柱、鋼桁架等，它們均是由型鋼、鋼板等制成，同時通過硅烷化、純錳磷化、鍍鋅、水洗烘干等工藝進(jìn)行防除銹處理。鋼結(jié)構(gòu)建筑主要有以下特點：一是污染小且支持循環(huán)利用，既節(jié)能又環(huán)保；二是整體組織均勻，具有自重輕、強(qiáng)度高、抗震性能好、穩(wěn)定性好、安全性高、受外界環(huán)境影響較小等優(yōu)勢；三是韌性好，可塑性強(qiáng)，能夠承受較大幅度的變形。

1.3 裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅是將鋼結(jié)構(gòu)建筑與裝配式建筑有機(jī)結(jié)合起來的一種住宅。與普通住宅相比，裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅具有如下優(yōu)勢：一是在工廠內(nèi)批量化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)預(yù)制構(gòu)件，有利于減少材料使用量、材料耗損量，因此可以有效降低材料花費的成本，進(jìn)而降低總成本；二是現(xiàn)場僅需對預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行裝配，施工量、用工量均比較少，且有利于縮短施工周期；三是現(xiàn)場無需進(jìn)行切割作業(yè)，因此對環(huán)境造成的污染較小，更加綠色、環(huán)保。

2 裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅預(yù)制構(gòu)件節(jié)點設(shè)計

2.1 工程概況

某裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅項目中共包含10棟住宅樓，其中一棟高層住宅樓工程由地上14層+地下1層組成，地上部分高度為39.2 m，抗震設(shè)防烈度為6度。該工程主體結(jié)構(gòu)為鋼框架支撐結(jié)構(gòu)，抗側(cè)力較高，設(shè)置橫向鋼支撐增加結(jié)構(gòu)水平承載力。

2.2 預(yù)制構(gòu)件制作

本工程中需要應(yīng)用的預(yù)制構(gòu)件有H型鋼框梁、矩形鋼管柱、鋼支撐及其肋板等，其中鋼梁和鋼支撐的抗震等級均為4級、鋼管混凝土柱為3級。相關(guān)預(yù)制構(gòu)件的制作需嚴(yán)格遵循我國《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB 50205）的規(guī)定。

2.3 節(jié)點設(shè)計

由于受鋼材料自身特性的影響，鋼結(jié)構(gòu)的自由度會受到一定的限制，因此在裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅預(yù)制構(gòu)件節(jié)點設(shè)計中，需要重點關(guān)注節(jié)點的受力變形問題，通過合理的設(shè)計最大限度預(yù)防位移產(chǎn)生，切實保證連接節(jié)點的抗震性能。

2.3.1 梁柱連接節(jié)點設(shè)計

梁柱連接節(jié)點是鋼梁與鋼柱之間的交匯點，它是裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅預(yù)制構(gòu)件中的重要節(jié)點，主要作用是將力有效傳遞給梁和柱。梁柱連接節(jié)點通常受力較復(fù)雜，且影響其強(qiáng)度、剛度的因素較多。由于本工程屬于抗震設(shè)防的高層住宅樓工程，因此梁柱宜采取剛性連接，在設(shè)計過程中需要對受彎承載力、受剪承載力、節(jié)點域抗剪強(qiáng)度、柱水平加勁肋板厚度等進(jìn)行準(zhǔn)確驗算。按結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性階段設(shè)計時，一方面，梁柱連接節(jié)點的承載力需要比構(gòu)件截面的承載力高；另一方面，其需要符合下列公式要求：

公式中，Mu和Vu分別代表基于極限強(qiáng)度最小值的節(jié)點連接最大受彎承載力和最大受剪承載力，Mp代表梁構(gòu)件或梁貫通時的柱構(gòu)件的全塑型受彎承載力；l代表的是梁凈跨。其中，Mu僅依靠翼緣的連接進(jìn)行承擔(dān)，Vu僅依靠腹板的連接進(jìn)行承擔(dān)。

本工程的最大應(yīng)力主要集中在梁上、下兩翼緣的削弱處，同時梁翼緣、腹板處均形成塑性鉸，因此梁翼緣削弱處是結(jié)構(gòu)的最終破壞發(fā)生位置。為盡可能減小梁跨中的彎矩，在本工程的實踐設(shè)計中宜采用柱貫通連接形式，具體的連接方式是栓焊混合連接，也就是在梁翼緣與柱翼緣之間采取坡口焊接或者在梁腹板與柱翼緣之間采用M22高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接。

在本工程中，大部分荷載是由與柱相鄰的螺栓進(jìn)行承受，所以一旦螺栓發(fā)生了較大位移，螺栓桿與柱面套板之間會發(fā)生接觸，從而產(chǎn)生局部壓應(yīng)力，導(dǎo)致螺栓桿和螺栓孔壁之間發(fā)生接觸，進(jìn)而引起螺栓受剪。對此，需要對梁翼緣端部進(jìn)行加寬補(bǔ)強(qiáng)，以減小螺栓承受的剪應(yīng)力。

2.3.2 支撐連接節(jié)點設(shè)計

支撐是裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅中的重要傳力部件，它的主要作用與功能是對預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行臨時固定及校正。柱面附近的梁上經(jīng)常會存在塑性鉸，柱翼緣材料的厚度方向帶來較大應(yīng)變，并對焊縫金屬的塑性變形、周圍熱影響區(qū)的塑性變形均提出了較高的要求，如果設(shè)計不合理，那么極有可能會引發(fā)構(gòu)件的脆性破壞。因此在本工程的實踐設(shè)計中，應(yīng)通過合理控制塑性鉸位置來保障構(gòu)件的可靠性。通過鋼支撐的應(yīng)用，可以對塑性鉸進(jìn)行有效轉(zhuǎn)移，從而將支撐連接節(jié)點的破壞點從原本的梁端轉(zhuǎn)移至鋼筋桁架。這種設(shè)計方案符合基本的抗震設(shè)計理念：強(qiáng)節(jié)點、弱構(gòu)件。由于本工程屬于抗震設(shè)防的高層住宅樓工程，因此支撐連接節(jié)點需要滿足下列公式要求：

公式中，Nubr代表基于極限強(qiáng)度最小值的支撐連接最大承載力；An代表支撐的凈截面面積；fy代表支撐鋼材的屈服強(qiáng)度。

在本工程中，鋼梁與支撐翼緣的連接處以及鋼柱與支撐翼緣的連接處，均宜設(shè)置加勁肋板，目的是提高支撐連接節(jié)點的承載力。在具體的加勁肋板設(shè)置中，需要分別按承受支撐軸心力對鋼梁的水平力或豎向力、對鋼柱的水平力或豎向力進(jìn)行計算。如果選擇不設(shè)置加勁肋板，那么需要適當(dāng)增大支撐連接節(jié)點的設(shè)計荷載。

本工程需要設(shè)計合理的偏心支撐結(jié)構(gòu)體系，目的是保持耗能梁段在正常使用時和小震作用下處于彈性范圍內(nèi)，且能夠在強(qiáng)震作用下利用耗能梁段的非彈性變形進(jìn)行耗能。在耗能梁段與支撐之間的連接端部，用于支撐的兩側(cè)設(shè)置加勁肋板，以使耗能梁段產(chǎn)生良好的非彈性轉(zhuǎn)動能力；否則在剪切屈服后便會開始出現(xiàn)屈曲，無論是耗能能力還是延性均較差。一般情況下，對于裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅而言，其所設(shè)置的加勁肋板間距應(yīng)符合我國《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 99-2015）的規(guī)定。

2.3.3 樓板節(jié)點設(shè)計

傳統(tǒng)的樓板在設(shè)計與施工中均存在明顯的缺陷，對于裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅來說，宜采用施工方便、性能較好的鋼筋桁架樓承板。鋼筋桁架樓承板是一種一體化構(gòu)件，由樓板和鋼筋桁架兩部分組成。在應(yīng)用鋼筋桁架樓承板后，原本混凝土樓板的自重即改為由鋼筋進(jìn)行承受，如此一來混凝土內(nèi)就不會再產(chǎn)生拉應(yīng)力，在使用過程中正負(fù)彎矩區(qū)混凝土拉應(yīng)力可以得到明顯降低，以及裂縫也會出現(xiàn)明顯減小。

2.3.4 BIM輔助設(shè)計

BIM是基于建筑各項信息數(shù)據(jù)建立3D建筑模型對建筑真實信息進(jìn)行仿真模擬的技術(shù)。BIM中包含了多種高新技術(shù)，例如，其中的計算機(jī)模擬技術(shù)能夠在計算機(jī)上將建筑模擬展示出來，虛擬仿真技術(shù)能夠仿真構(gòu)建出虛擬的建筑模型，三維可視化技術(shù)能夠?qū)⒍S的建筑設(shè)計圖紙三維化。在裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅預(yù)制構(gòu)件節(jié)點設(shè)計中，利用BIM進(jìn)行輔助設(shè)計可以達(dá)到事半功倍的效果。在本工程的實踐設(shè)計中，需要先利用BIM構(gòu)建出工程3D建筑模型，再在模型上對各預(yù)制構(gòu)件節(jié)點進(jìn)行深化設(shè)計。

3 結(jié)語

綜上所述，裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅兼?zhèn)溲b配式建筑與鋼結(jié)構(gòu)建筑的特征和優(yōu)點，在我國擁有十分廣闊的發(fā)展前景。在裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的設(shè)計中，若想提高整體設(shè)計水平，首先應(yīng)提高預(yù)制構(gòu)件節(jié)點設(shè)計水平。預(yù)制構(gòu)件節(jié)點設(shè)計直接關(guān)系著建筑的可靠性與安全性問題，在實踐設(shè)計中應(yīng)充分把握好相關(guān)設(shè)計要點，結(jié)合工程實際情況不斷優(yōu)化設(shè)計方案。