鋼結(jié)構(gòu)框架與預(yù)制樓板連接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀

陶詩怡 TAO Shi-yi；白利婷 BAI Li-ting；李芮迪 LI Rui-di

（嘉興南湖學(xué)院建筑工程學(xué)院，嘉興 314001）

0 引言

二十一世紀(jì)以來，隨著建筑產(chǎn)業(yè)工業(yè)化、數(shù)字化的推行，采用鋼結(jié)構(gòu)作為裝配式住宅主體結(jié)構(gòu)形式，已被廣泛應(yīng)用于各類建筑中。在歐美日等發(fā)達(dá)國家，鋼結(jié)構(gòu)早已被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)，成為主導(dǎo)的建筑結(jié)構(gòu)體系，并編制了比較完善的工廠化作業(yè)、現(xiàn)場拼裝的鋼結(jié)構(gòu)建筑體系技術(shù)規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)，其中在各圍護(hù)體系的規(guī)程與標(biāo)準(zhǔn)方面，日本建筑協(xié)會(huì)編制了輕質(zhì)混凝土外墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系技術(shù)規(guī)程等，歐美等國家也已經(jīng)頒布了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但在國內(nèi)由于起步較晚，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)并未頒布。雖然鋼結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)主體與傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)相比，在設(shè)計(jì)方面、施工方面、使用功能方面及綜合經(jīng)濟(jì)性能方面均具有絕對優(yōu)勢，但是在當(dāng)前社會(huì)環(huán)境下以鋼結(jié)構(gòu)作為建筑主體結(jié)構(gòu)難以發(fā)展的原因主要為以下兩點(diǎn)：①缺乏與鋼結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)體系相配套的圍護(hù)體系。②盡管此類建筑形式的試點(diǎn)工程已在部分地區(qū)實(shí)施，同時(shí)也贏得了市場的好評，但是對于如何推進(jìn)此種建筑體系的發(fā)展還缺乏較為系統(tǒng)的研究，若推廣鋼結(jié)構(gòu)為主體結(jié)構(gòu)的建筑形式，各圍護(hù)結(jié)構(gòu)與鋼框架主體結(jié)構(gòu)的有效連接就尤為重要。

從字面意思來看，裝配式建筑是指將建筑結(jié)構(gòu)的部分或全部構(gòu)件，經(jīng)工廠加工制造后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場，通過牢固的連接方式安裝而成。因而連接節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和剛度是保證裝配式建筑能否很好地抵抗外力作用和變形的關(guān)鍵因素，不同形式的連接節(jié)點(diǎn)對裝配式建筑的整體質(zhì)量的影響差異較大。外力作用下，連接節(jié)點(diǎn)若首先破壞就會(huì)引發(fā)樓屋面板與鋼結(jié)構(gòu)框架脫離，造成建筑結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度變小，剛度減弱。同時(shí)，由于樓屋面板的脫落還會(huì)帶來次生災(zāi)害，例如建筑內(nèi)的人、物會(huì)被脫落的樓屋面板砸傷、砸壞。因此對連接節(jié)點(diǎn)的性能進(jìn)行進(jìn)一步的研究和開發(fā)是很有必要的。

1 國內(nèi)對于鋼結(jié)構(gòu)框架與預(yù)制樓板的連接節(jié)點(diǎn)的研究現(xiàn)狀

圖1為同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司提出的一種新型預(yù)制樓屋面板與鋼結(jié)構(gòu)框架的連接節(jié)點(diǎn)形式，該節(jié)點(diǎn)樣式包括外部鋼框架和內(nèi)部預(yù)制樓板兩部分，鋼結(jié)構(gòu)框架設(shè)置在預(yù)制樓屋面板的外圍，鋼結(jié)構(gòu)框架為矩形框架結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)框架包括位于矩形四個(gè)頂角位置的鋼結(jié)構(gòu)框架柱，水平方向的兩個(gè)鋼結(jié)構(gòu)框架柱之間連接有鋼框架的第一根梁，垂直方向的兩個(gè)鋼框架柱之間連接有鋼框架的第二根梁，鋼框架的第一根梁和框架的第二根梁分別通過螺栓與預(yù)制樓屋面板相連接。這種連接形式不僅能夠避免濕作業(yè)施工實(shí)現(xiàn)預(yù)制樓屋面板與鋼結(jié)構(gòu)框架之間的完全裝配，還能保證連接部位結(jié)構(gòu)的受力可靠，同時(shí)能夠方便現(xiàn)場的施工安裝。螺栓連接相對于結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆連接來說受力性能更好，根據(jù)調(diào)整螺栓扭矩的大小，變換連接節(jié)點(diǎn)的支座形式，根據(jù)建筑物所在地區(qū)的抗震等級調(diào)整鉸接、固接連接節(jié)點(diǎn)。

圖1 連接節(jié)點(diǎn)一

圖2為某建筑企業(yè)提出的預(yù)制樓屋面板與鋼結(jié)構(gòu)框架的連接形式，在樓屋面板與鋼結(jié)構(gòu)框架梁的連接部位處做了特殊的結(jié)構(gòu)處理，從而加強(qiáng)樓屋面板與鋼結(jié)構(gòu)框架梁的連接性能，提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。為了保證現(xiàn)樓屋面板板與鋼結(jié)構(gòu)框架梁之間的整體性和抗震性，在工字型鋼結(jié)構(gòu)框架梁的側(cè)面凹槽處嵌入一道小型的鋼筋混凝土疊合小梁，混凝土小梁與原鋼結(jié)構(gòu)框架梁形成鋼-混凝土組合梁并與疊合樓屋面板結(jié)構(gòu)一起整澆，從而很好地實(shí)現(xiàn)了整體性的想法?；炷列×簝?nèi)的縱向受力鋼筋和箍筋可與樓屋面板板面的分布鋼筋可設(shè)計(jì)成規(guī)格統(tǒng)一的鋼筋，都采用直徑為6mm-8mm的熱軋帶肋鋼筋，目的是使整個(gè)施工過程簡單，避免因鋼筋種類過多帶來的采購成本的增加和施工成本的增加?；炷列×簝?nèi)的箍筋與鋼結(jié)構(gòu)框架梁采用焊接連接-點(diǎn)焊的方法進(jìn)行連接，樓屋面板的板面分布鋼筋、板底受拉鋼筋插入混凝土小梁內(nèi)，插入長度滿足規(guī)范規(guī)定的錨固長度并延伸至工字形鋼結(jié)構(gòu)框架梁的腹板處。鋼結(jié)構(gòu)框架梁上部沿梁的長度方向每隔250mm-300mm左右布置一些抗剪鋼筋，以增加樓屋面板的整體抗震性能，抗剪鋼筋的一端與鋼結(jié)構(gòu)框架梁上翼緣板焊接連接（焊縫長約30mm-50mm），另一端斜向下伸入樓屋面板內(nèi)。這種連接形式巧妙的將鋼結(jié)構(gòu)框架與混凝土樓屋面板的連接轉(zhuǎn)換成了與傳統(tǒng)現(xiàn)澆施工形式及其相似的梁板整體現(xiàn)澆的建筑，從而更好的保證建筑的整體性，并提高建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。

圖2 連接節(jié)點(diǎn)二

圖3為浙江工業(yè)大學(xué)工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司提出的預(yù)制樓屋面板與鋼結(jié)構(gòu)框架的連接形式，預(yù)制屋面板采用預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，預(yù)應(yīng)力鋼筋的外伸段分別穿過鋼結(jié)構(gòu)框架梁上的表面兩塊連接短板的預(yù)留孔中，短板與鋼結(jié)構(gòu)框架梁采用焊接連接的形式進(jìn)行固定，拉直、切斷鋼筋后在兩連接短板內(nèi)側(cè)用專門的鋼筋扣緊夾頭夾緊，鋼筋扣緊夾頭為適合小直徑（中直徑≤14mm）鋼筋連接的零件，鋼筋扣緊夾頭是一個(gè)內(nèi)壁刻有牙痕，外表面有機(jī)械壓痕的鋼制套筒，根據(jù)所扣緊的鋼筋直徑（小直徑、中直徑）有不同的規(guī)格，當(dāng)兩根所需扣緊的鋼筋套入后，用強(qiáng)力液壓鉗將套筒壓扁，達(dá)到將兩根鋼筋扣緊連接的目的；板底鋼筋中的非預(yù)應(yīng)力鋼筋的連接方式與板的預(yù)應(yīng)力鋼筋的連接方式相似，只是將預(yù)應(yīng)力鋼筋扣緊夾頭取消，而直接采用焊接連接的方式將非預(yù)應(yīng)力鋼筋焊接在連接短板兩側(cè)即可，以起到錨固、連接為整體的作用。該種連接方式減少了濕作業(yè)，保證了施工現(xiàn)場的環(huán)境整潔度；使用了專用連接件，促進(jìn)了裝配式建筑工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展；采用機(jī)械連接的方式接長部分鋼筋，消化掉了由于化學(xué)性能不好而無法使用的缺陷鋼筋，滿足了節(jié)約資源，打造綠色建筑的思想；解決當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)建筑推廣困難的問題，同時(shí)為改變當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)建筑中鋼結(jié)構(gòu)安裝工程與混凝土現(xiàn)澆兩大工程的不協(xié)調(diào)的問題，使鋼結(jié)構(gòu)主體與混凝土預(yù)制結(jié)構(gòu)相配合，實(shí)現(xiàn)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的工業(yè)化建筑，盡量減少現(xiàn)場混凝土澆筑量，同時(shí)保障建筑結(jié)構(gòu)的抗震、穩(wěn)定等功能。

圖3 連接節(jié)點(diǎn)三

2 國外對于鋼結(jié)構(gòu)框架與預(yù)制樓板的連接節(jié)點(diǎn)與研究現(xiàn)狀

圖4為日本建筑學(xué)會(huì)提出的鋪設(shè)鋼筋法。鋪設(shè)鋼筋法是指在預(yù)制樓屋面板與預(yù)制樓屋面板之間長邊的板縫處設(shè)置的凹槽，在短邊板縫處設(shè)置固定的金屬平板連接件，將鋪設(shè)的鋼筋穿入預(yù)制樓屋面板長邊的凹槽和預(yù)制樓屋面板短邊的平板連接件孔洞內(nèi)，插入長度滿足規(guī)范要求，之后在預(yù)制樓屋面板長邊的凹槽內(nèi)采用砂漿灌縫處理，根據(jù)預(yù)制樓屋面板所在位置（中間板、邊跨板）的不同選擇不同的金屬連接件，如R形金屬的連接件、圓形金屬連接件等固定預(yù)制樓屋面板。這種連接形式將預(yù)制樓屋面板的側(cè)面開槽，不在樓屋面板開洞不僅對板的整體性沒有影響還能避免由于開洞引發(fā)的殘余變形，能夠更好地滿足預(yù)制樓屋面板的整體性。該種連接節(jié)點(diǎn)安裝過程種濕作業(yè)較少，連接構(gòu)件工業(yè)化生產(chǎn)，可以提高施工速度。同時(shí)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用該種連接節(jié)點(diǎn)的建筑，整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度會(huì)隨著金屬平板連接件孔洞直徑的變化而變化，長孔洞連接件比圓孔洞連接件受力性能更好。由于外力作用下預(yù)制樓屋面板在小震作用時(shí)可以很好地抵抗外力，中、大震作用下樓屋面板的連接鋼筋可以在連接件孔洞中隨著主體框架的變形而變形。

圖4 連接節(jié)點(diǎn)四

圖5為日本建筑學(xué)會(huì)提出的螺栓連接安裝法。螺栓連接安裝法是指在預(yù)制樓屋面板與預(yù)制樓屋面板之間長邊的板縫處設(shè)置的凹槽，在短邊板縫處設(shè)置金屬平板并在平板上預(yù)先焊接鉤頭螺栓，預(yù)制樓屋面板預(yù)先四角留設(shè)孔洞，后面將螺栓插入孔洞內(nèi)，最后在預(yù)制樓屋面板長邊的凹槽處及鉤頭螺栓頂部內(nèi)采用砂漿灌縫處理，根據(jù)預(yù)制樓屋面板所在位置（中間板、邊跨板）的不同選擇不同金屬連接件，如鉤頭螺栓連接件、圓形金屬連接件等固定預(yù)制樓屋面板。這種連接形式將預(yù)制樓板的側(cè)面開槽能夠更好地滿足預(yù)制樓板的整體性，同時(shí)采用螺栓連接使節(jié)點(diǎn)安裝過程濕作業(yè)進(jìn)一步減少，施工速度很快。

圖5 連接節(jié)點(diǎn)五

3 結(jié)論與建議

通過對國內(nèi)外現(xiàn)有的預(yù)制樓屋面板與鋼結(jié)構(gòu)建筑的連接節(jié)點(diǎn)對比總結(jié)發(fā)現(xiàn)，預(yù)制樓屋面板與鋼框架的連接節(jié)點(diǎn)能否保證外力作用下裝配式建筑的整體性，對提高整體框架的抗震性能有重要的影響。

①不同形式的預(yù)制樓屋面板對提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性能有一定的影響。

②不同形式的連接節(jié)點(diǎn)、不同數(shù)量的連接節(jié)點(diǎn)、不同位置的連接節(jié)點(diǎn)等都對裝配式結(jié)構(gòu)的承載力以及抗震性能有一定的影響。

③連接節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、剛度越強(qiáng)，裝配式結(jié)構(gòu)的抵抗外力的強(qiáng)度、剛度越強(qiáng)；對提高結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度、剛度影響越顯著。僅靠連接節(jié)點(diǎn)的自身的強(qiáng)度、剛度來抵抗外力作用，對提高裝配式建筑整體抗震性能影響不大，但是，如果連接節(jié)點(diǎn)樣式為可跟隨外力的作用的變形而變形的樣式，則對提高裝配式建筑整體抗震性能有顯著的影響。

④在開發(fā)新的連接樣式時(shí)應(yīng)盡可能地將連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，避免過多拆分，可以減少一些削弱強(qiáng)度的影響因素，對提高裝配式建筑的抗震性能有重要的影響。裝配式結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)研究有助于裝配式結(jié)構(gòu)的發(fā)展。