新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)外掛墻板連接節(jié)點(diǎn)研究綜述

張靈 胡天慧 黃瓏瀅 李思權(quán) 趙江

摘要：目前新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的應(yīng)用越來越普及，其具有安裝速度快、抗震性能好、自重輕以及節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)。其中，裝配式鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的好壞決定結(jié)構(gòu)是否安全。當(dāng)下大多數(shù)的連接節(jié)點(diǎn)都存在著一些連接的劣勢(shì)，本文對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)外掛墻板連接節(jié)點(diǎn)方式進(jìn)行新的設(shè)計(jì)和技術(shù)研究，提出一種新型的裝配式鋼結(jié)構(gòu)外掛墻板連接節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)可以充分發(fā)揮鋼材的性能，提高墻板與主體結(jié)構(gòu)連接的穩(wěn)定性、方便施工、使連接件制作簡(jiǎn)單。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);裝配式;外掛墻板;連接節(jié)點(diǎn)

1、前言

社會(huì)發(fā)展迅速，在建筑上已廣泛使用鋼結(jié)構(gòu)的材料，相比以前的混凝土，鋼結(jié)構(gòu)具有低成本，靈活多樣等特點(diǎn)。2020年住建部《關(guān)于推進(jìn)建筑垃圾減量化的指導(dǎo)意見》里強(qiáng)調(diào)實(shí)施新型建造方式，大力發(fā)展裝配式建筑，積極推廣鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅，優(yōu)先選用綠色建材。雖然鋼結(jié)構(gòu)完全契合綠色建筑的發(fā)展要求，但是目前鋼結(jié)構(gòu)住宅技術(shù)的發(fā)展不是很成熟，鋼材在高溫下很容易變形，隔聲防潮效果也不是很理想，各類連接和接縫也有許多問題需要處理。本文是針對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)墻板連接問題提出一種新型的連接方式，相信通過不斷地改進(jìn)，新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的未來一定可期。

2、外掛墻板與主體結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)概述及研究現(xiàn)狀

目前，在建筑的大發(fā)展趨勢(shì)情況下，裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的外圍護(hù)墻板，大多采用外掛式連接和內(nèi)嵌式連接兩種方式：外掛式連接是預(yù)先安置鋼結(jié)構(gòu)柱、支座、鋼性梁，接著通過預(yù)埋件將主體構(gòu)造和墻板連接起來;而內(nèi)嵌式墻板的連接結(jié)構(gòu)則是鋼結(jié)構(gòu)墻板體系的主要組成部分。柔性節(jié)點(diǎn)和剛性節(jié)點(diǎn)是墻板連接節(jié)點(diǎn)的主要分類，剛性節(jié)點(diǎn)是指：通過剛性連接的方式連接墻板和框架，比如插入鋼筋法節(jié)點(diǎn)和U型卡節(jié)點(diǎn)，使用這種連接方式可使得墻板在某種程度上提高主體結(jié)構(gòu)的初始剛度，從而增強(qiáng)主體結(jié)構(gòu)承載力以及降低耗能水平，施工具有快捷性、造價(jià)較低等優(yōu)勢(shì)。但與此同時(shí)，剛性節(jié)點(diǎn)也存在相應(yīng)的缺點(diǎn)，一旦主體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，剛性節(jié)點(diǎn)會(huì)呈現(xiàn)出不適性，輕質(zhì)板材結(jié)構(gòu)角部的連接部位很容易發(fā)生破壞，引起產(chǎn)生墻體開裂的情況;而柔性節(jié)點(diǎn)也具有其自身獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，其可以使墻板產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)動(dòng)變形，鉤頭螺栓節(jié)點(diǎn)、ADR節(jié)點(diǎn)就是常用的柔性節(jié)點(diǎn)，其最大的特點(diǎn)就是具有很好的柔性，但是其劣勢(shì)和缺點(diǎn)也較明顯，在與其主體構(gòu)件進(jìn)行連接時(shí)，兩者之間的相互作用程度低，容易與主體產(chǎn)生脫離，從而在安全和穩(wěn)固等方面有一定的不足;因?yàn)槠淙嵝缘奶匦?，在施工時(shí)，安置組裝的工序十分復(fù)雜，造成施工時(shí)間的浪費(fèi)。

截止目前，很多對(duì)鋼結(jié)構(gòu)深有研究的學(xué)者專家對(duì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)外掛墻板連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究：

（1）張愛林、馬林等人[1]提出了一種新型的外掛墻板連接節(jié)點(diǎn)，并且根據(jù)節(jié)點(diǎn)連接方式的不同分為了上方裝配和下方裝配兩種方案。上方裝配方案中，張愛林等人把預(yù)埋件中的錨板和與它連接的四根錨筋放置在預(yù)制外墻板內(nèi)，通過裝配節(jié)點(diǎn)把外掛墻板與上方的鋼梁連接起來。裝配節(jié)點(diǎn)的外框是由薄鋼板制成，內(nèi)部由加勁肋組成，頂部和底部開設(shè)螺栓孔，連接上方預(yù)埋件與框架，同時(shí)連接上方的墻板與主體結(jié)構(gòu)。此外，通過采用有限元軟件建立裝配式外掛墻板鋼框架整體模型，隨后又對(duì)比模型，進(jìn)行了受力性能分析，通過對(duì)滯回曲線、延性、耗能能力等方面的研究，對(duì)外掛墻板鋼框架進(jìn)行了擬靜力分析。張愛林、馬林等人對(duì)外掛墻板連接節(jié)點(diǎn)的研究，使之限制了框架與外墻板間的傳力，避免了墻板破壞掉落，較好地保證墻板處于彈性工作階段，適應(yīng)框架的側(cè)向變形，使得連接變得安全可靠;提高了鋼框架的受力性能，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的剛度和承載能力;由于提出的裝配節(jié)點(diǎn)具有良好的變形能力及耗能性能，使得整體結(jié)構(gòu)在地震作用時(shí)的耗能能力也顯著提升。

（2）曹石、舒贛平等人[2]提出了一種構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便的新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)外掛墻板連接節(jié)點(diǎn)，它可大范圍地應(yīng)用于預(yù)制外墻板的外掛連接。該節(jié)點(diǎn)主要由加勁肋板、角鋼與焊接螺柱組成，加勁肋板把墻板連接節(jié)點(diǎn)分成了承重部位和限位部位。其中焊接螺柱可以把現(xiàn)場(chǎng)焊接至外墻板預(yù)埋件中用來傳遞外墻板荷載，其施工方便靈活、受力可靠，在建筑行業(yè)中有非常大的發(fā)展空間。為了更加便利地安裝預(yù)制外墻板，在承重構(gòu)件垂直方向開設(shè)一個(gè)槽孔，將螺柱焊接到預(yù)埋件作為外墻板下方的連接節(jié)點(diǎn)，承受外墻板的豎直方向（x軸）、面外水平方向（y軸）和面內(nèi)水平方向（z軸） 三個(gè)方向的荷載;限位部位在水平方向設(shè)置了長(zhǎng)圓孔，它的孔徑比焊接螺柱直徑大，通過螺柱與預(yù)埋件焊接作為外墻板的上部連接節(jié)點(diǎn)，承受豎向墻板的面外水平荷載，面內(nèi)水平方向不承受荷載，這樣保證了外掛墻板面內(nèi)與主體結(jié)構(gòu)的相對(duì)滑移，節(jié)點(diǎn)可以借助樓板的后澆隱藏。新型連接節(jié)點(diǎn)在外掛墻板中既充當(dāng)外掛墻板的承重節(jié)點(diǎn)，又充當(dāng)外掛墻板的限位節(jié)點(diǎn)，是一種典型的柔性連接方式。此外，曹石等人還進(jìn)行了荷載作用于節(jié)點(diǎn)時(shí)的反力計(jì)算，通過初選節(jié)點(diǎn)尺寸、焊接螺柱驗(yàn)算、連接節(jié)點(diǎn)焊縫驗(yàn)算等進(jìn)行了連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與截面驗(yàn)算，還使用了ANSYS有限元軟件，對(duì)在最危險(xiǎn)組合作用下的連接節(jié)點(diǎn)的受力性能進(jìn)行了參數(shù)分析，從而更深刻地揭示了節(jié)點(diǎn)受力機(jī)理以及它的破壞模式。曹石等人研究的新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)墻板連接節(jié)點(diǎn)提高了結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性、剛度，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的承載力，加勁板的設(shè)置也保證了連接節(jié)點(diǎn)的整體面外變形，使得外掛墻板連接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用又得到了進(jìn)一步的提升。

（3）許劍峰、李立[3]通過對(duì)當(dāng)前建筑發(fā)展的方向的研究，提出了一種能使鋼梁與外掛墻板迅速連接的新型節(jié)點(diǎn)研究方案及施工工藝。隨著時(shí)代的進(jìn)步、國(guó)家經(jīng)濟(jì)的富強(qiáng)，裝配式鋼結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展是大勢(shì)所趨，但是傳統(tǒng)的鋼筋混凝土建筑仍然沒有退居歷史舞臺(tái)，它仍占據(jù)著主導(dǎo)地位。所以，在國(guó)家注重發(fā)展裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅的情況下，恰當(dāng)?shù)貙⒒炷两Y(jié)構(gòu)融入，持續(xù)發(fā)展“裝配式鋼結(jié)構(gòu)+混凝土板”的設(shè)計(jì)理念，結(jié)合了裝配式鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，去其糟粕、取其精華，使兩者效果結(jié)合達(dá)到整體最優(yōu)化，在我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展增添了濃厚的一筆。因此，許劍鋒、李立通過這種組合結(jié)構(gòu)研究出一種新型的連接節(jié)點(diǎn)，新型的連接節(jié)點(diǎn)是由連接板與垂直栓釘組成，其中連接板由一對(duì)組合結(jié)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)外形上均呈U字形。U字形構(gòu)件開口尺寸與螺栓桿件的直徑大小相同，讓螺栓從U字形構(gòu)件的開口穿入，形成一個(gè)整體。U字形構(gòu)件形狀較小，構(gòu)造簡(jiǎn)單，便于工業(yè)化生產(chǎn)。外掛墻板為預(yù)埋進(jìn)螺栓桿件的預(yù)制混凝土板，也便于直接在工廠加工制作。這種裝配式鋼結(jié)構(gòu)新型連接節(jié)點(diǎn)只需通過連接板與螺栓，鋼梁和預(yù)制板就能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的契合。具有成本低、安裝效率高、精度高等特點(diǎn)，完全符合裝配式建筑的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了鋼梁與外掛墻板的快速連接。此外，這種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單，安裝與卸載都方便，不但可以在安裝施工上實(shí)現(xiàn)梁板的快速連接，在后期的再次加工的制作中也可提供很大的幫助。

3、新型外掛墻板連接節(jié)點(diǎn)的研究

針對(duì)剛性節(jié)點(diǎn)墻板與主體結(jié)構(gòu)無法協(xié)同變形，易使墻板開裂及脫落、柔性節(jié)點(diǎn)對(duì)主體結(jié)構(gòu)的初始剛度貢獻(xiàn)小，安裝工序復(fù)雜等缺點(diǎn)，本文提出了一種新型外掛墻板連接節(jié)點(diǎn)，把剛性連接與柔性連接相結(jié)合，打破剛性連接和柔性連接的劣勢(shì)，提高鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、方便施工、使連接件制作簡(jiǎn)單。

3.1外掛墻板

通過不斷地研究，墻板[4]的類型有很多，如輕質(zhì)條板、工廠預(yù)制復(fù)合外墻板、現(xiàn)場(chǎng)組裝復(fù)合外墻板等，輕質(zhì)條板主要有AAC板、ECP墻板、GRC板、PRC板等;工廠預(yù)制復(fù)合外墻板大多有鋼筋砼絕熱材料復(fù)合墻板、鋼絲網(wǎng)架水泥夾芯板等;現(xiàn)場(chǎng)組裝復(fù)合外墻板大多有CCA板灌漿墻、輕鋼龍骨墻板等。輕質(zhì)條板具有保溫隔熱性好、抗?jié)B性好、防火性能好、重量輕、便于施工、抗震性能強(qiáng)、隔音性能好以及綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但輕質(zhì)條板最凸出的地方就是防潮性差，因?yàn)檫@種材質(zhì)的墻板吸水性特別高。假如遇到潮濕的天氣，那么空氣中的濕氣就會(huì)被它汲取進(jìn)去，時(shí)間長(zhǎng)了墻板就會(huì)散逸出一股異味，嚴(yán)重的還會(huì)使它的穩(wěn)固性受到影響，以致于讓墻體出現(xiàn)松動(dòng)乃至于倒塌現(xiàn)象。工廠預(yù)制復(fù)合外墻板降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了施工效率，節(jié)約了人工費(fèi)用、質(zhì)量高，表面平整、光潔、抗震性能強(qiáng)，但它也具有運(yùn)輸量大，受天氣的制約和影響較大等缺點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)組裝復(fù)合外墻板自重較輕、具有良好的抗震、隔音性能及保溫隔熱性能，但由于復(fù)合墻板受到眾多消費(fèi)者的青睞，所以商家更傾向投資這個(gè)行業(yè)，以至于會(huì)有無良商家不顧消費(fèi)者的權(quán)益，使消費(fèi)者的生命安全受到威脅。

通過查閱大量的資料以及對(duì)各種墻板的研究，本文選用傳統(tǒng)的混凝土墻板，混凝土墻板具有許多的優(yōu)點(diǎn)和好處。首先，它的施工和建設(shè)成本低，混凝土墻板的墻體表面不需要用其他的材料加以裝飾，只需要在混凝土表面噴一層保護(hù)層進(jìn)行保護(hù)，因此，所需要的材料和成本就會(huì)降低，也在一定程度上減少對(duì)環(huán)境的污染。其次，混凝土墻板可以在工廠內(nèi)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化的預(yù)制加工，在施工現(xiàn)場(chǎng)直接組裝，以至于使施工效率有所提高、施工的工期有所縮短。在工廠的機(jī)械化生產(chǎn)，也大大提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，并且控制墻板的質(zhì)量水平。此外，因現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)量的減少，建筑造價(jià)能得到一定的降低，建筑材料和施工者的利用率也會(huì)相對(duì)提高。

3.2新型連接節(jié)點(diǎn)

本文通過對(duì)已有連接節(jié)點(diǎn)的研究和深入剖析，提出一種新型的裝配式鋼結(jié)構(gòu)墻板連接節(jié)點(diǎn)。新型連接件（圖1）主要由錨板、錨筋以及U型鋼組成。將（圖2）的錨板及錨筋作為預(yù)埋件先內(nèi)置在外掛墻板內(nèi)，這將使外掛墻板顯得更加美觀，也縮短錨筋的長(zhǎng)度，減少材料的浪費(fèi)，更好地適應(yīng)綠色建筑的發(fā)展。與錨筋焊接的U型鋼與上部及下部的工字鋼梁用螺栓連接，體現(xiàn)柔性連接的特點(diǎn)，可避免因外界因素使建筑物晃動(dòng)時(shí)連接部位的破壞，更好地保證了建筑物的穩(wěn)定性。總之，此種連接方法構(gòu)造簡(jiǎn)單，施工方便，使墻板連接更加穩(wěn)定，節(jié)省材料的使用。

4、結(jié)語

文中首先介紹裝配式鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，其次介紹外掛墻板與主體結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)概述及研究現(xiàn)狀，最后介紹本文所研究的新型外掛墻板連接節(jié)點(diǎn)。通過已有研究發(fā)現(xiàn)：

新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)外掛墻板的連接節(jié)點(diǎn)通過大不斷地研究，出現(xiàn)了很多具有連接安全可靠、變形能力大、剛度大、成本低、連接速度快等優(yōu)點(diǎn)的新型連接節(jié)點(diǎn)。

本文提出的新型連接節(jié)點(diǎn)可以更好地增強(qiáng)裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑的穩(wěn)定性，更好地去適應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展。

5、裝配式鋼結(jié)構(gòu)的展望

連接節(jié)點(diǎn)具有很好的通用性，能夠根據(jù)建筑所需，高效準(zhǔn)確解決施工時(shí)會(huì)出現(xiàn)的困難。并且隨著我國(guó)建筑工業(yè)化的大力推進(jìn)，越來越多的新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系應(yīng)用到實(shí)際工程中，因此，解決有關(guān)連接節(jié)點(diǎn)的問題是必然趨勢(shì)。鋼結(jié)構(gòu)對(duì)人力資源、環(huán)境保護(hù)、生產(chǎn)效率等方面具有特殊的意義。在建筑行業(yè)大范圍地應(yīng)用鋼結(jié)構(gòu)，能使綠色建筑可持續(xù)發(fā)展被有效地推動(dòng)、使鋼鐵產(chǎn)能過剩被更快地化解，在一定程度上成為供給側(cè)改革的有效載體。

大力發(fā)展裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑是大勢(shì)所趨，裝配式鋼結(jié)構(gòu)新型外掛墻板連接節(jié)點(diǎn)的研究也將會(huì)不斷地優(yōu)化。我們有理由相信，中國(guó)的裝配式鋼結(jié)構(gòu)在不久的將來會(huì)迎來勢(shì)不可擋的發(fā)展和流行。并且，由于鋼結(jié)構(gòu)研究發(fā)展的投入逐年增加，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難題將逐漸被解決，這為推進(jìn)裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅掃除了很多障礙，中國(guó)裝配式鋼結(jié)構(gòu)即將進(jìn)入新的篇章。

作者簡(jiǎn)介：

張靈（1999-），女，漢族，南京工程學(xué)院本科在讀，土木工程（建筑工程）方向。

基金項(xiàng)目：

2021年度大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目“新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅體系關(guān)鍵技術(shù)研究”（TB202109016）。

參考文獻(xiàn)：

[1]張愛林，馬林，劉學(xué)春，姜子欽.裝配式外掛墻板鋼框架受力性能有限元分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2016（05）：152-157.

[2]曹石，舒贛平，林坤洪，范圣剛，高洪.一種新型裝配式鋼結(jié)構(gòu)外掛墻板連接節(jié)點(diǎn)的受力性能分析和設(shè)計(jì)方法[J].建筑結(jié)構(gòu)，2017，47（10）：46-52.

[3]許劍峰，李立.裝配式鋼結(jié)構(gòu)新型節(jié)點(diǎn)研究[J].四川建材，2020，46（02）：72-73.

[4]唐濤.裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑墻板及其連接節(jié)點(diǎn)研究綜述[J].低溫建筑技術(shù)，2021（09）：53-57.