王 宏 李 静
天津众业建设工程有限公司， 天津 300270
摘 要：随着国家对装配式建筑的大力推广，国内各大院校及研究院对装配式钢结构节点进行大量研究。装配式钢结构住宅与传统住宅相比，既节能减排，又实现了材料的循环利用，符合绿色建筑的要求。装配式钢结构住宅预制构件连接节点受力较复杂，影响因素较多。本文就其节点设计展开了分析。
关键词：装配式建筑；钢结构住宅；预制构件；节点设计
引 言：目前，我国装配式建筑的发展和应用逐渐增多，对装配式建筑艺术的各个方面都进行了阶段性的优化。与传统装配式建筑相比，现代装配式建筑在抗震设计、构件制作和设计等方面具有更好的质量特性。但是，装配式建筑在我国的应用还不成熟，而且这个行业的发展也不稳定，因此在装配式建筑的应用过程中难免会存在一些不足。例如，一些参与建设的开发商，可能因为对配套建筑了解不够，在开发设计决策时可能没有充分考虑现状。同时，由于相关设计院人员缺乏设计经验，导致零部件在生产设计过程中的设计与厂家脱节，导致最终设计结果不尽如人意。同时也存在生产成本高、计划资金与实际生产设计难以匹配等问题。本文就其构件节点相关设计内容展开了探究。
1 装配式建筑构件设计的必要性
1.1 中国的能源消耗量远高于许多发达国家
目前，其在建筑改造和减排领域的应用显示出一定的节能减排效果，而建筑节能发展缓慢，混凝土结构大量使用，造成一定的资源浪费，施工过程中也会产生一定的污染，资源利用率高。相比之下，装配式建筑施工新技术的产业化和模块化可以更好地保护环境。在我国建筑中，住宅建筑采用混凝土装配式预制外墙板，外墙无须现场浇筑，适用的层压阳台还有效地解决了木材、钢材的凝固剂问题，可节约40%的木材。
1.2 节能环保
混凝土预制施工技术使建筑垃圾少，材料用工少，垃圾处理成本低，有利于建筑施工成本的控制。工厂有一种新的成品结构，建筑材料利用率高，车间环境良好更稳定，并促进预制构件的质量控制[1]。预制构件现场生产，工作量小，施工进度快。施工对周围居民的正常生产生活影响不大，而施工过程中产生的水和有害物质的扬尘和垃圾也能有效缓解施工对环境造成的影响。
1.3 工期和造价优势
对于2个月以内的主体结构，传统的施工时间选择窗上开孔、防水和副框封闭，采用预制施工工艺，主体结构覆盖后，在预留墙上安装连接外窗的预制木砖墙，可直接封闭环境，并节省不少时间。其施工和装修工程可提前开始，传统建筑、外墙装饰、保温等需要2~3个月的时间涂抹抗裂砂浆。相比之下，新型装配式建筑施工工艺可用于装配式外墙和窗台的保温层和装饰层的制作，较传统工艺可节省近3个月的建筑装饰时间。同时，可以根据工程实际情况进行预制装配，这有利于造价控制。
2 预制构件节点设计
装配式建筑是近年来兴起的一种新型建筑，是未来建筑发展的重要方向。在我国当前的社会发展中，装配式建筑在我国有着非常广阔的发展前景和市场。装配式钢结构住宅与传统住宅相比，既节能减排，又实现了材料的循环利用，符合绿色建筑的要求。装配式钢结构住宅预制构件连接节点受力较复杂，影响因素较多。本文结合某装配式钢结构住宅工程实例，探讨装配式钢结构预制构件节点设计中梁柱节点、支撑节点及楼板节点等设计要点。
2.1 构造设计
某建筑单体包括10栋住宅，现以其中1栋14层高层住宅为例进行介绍。本单体地下1层，地上部分总高39.2m，地震基本烈度为6度，取地下室顶板作为嵌固端。主体结构采用钢框架支撑结构体系，该结构体系具有较高的抗侧力，其中横向钢支撑的设置增加了结构的水平承载力。本工程的预制构件主要有矩形钢管柱、H型钢框梁、钢支撑及其肋板等，预制构件制作严格按照GB50205—2020《钢结构工程施工质量验收规范》规定。钢管混凝土柱的抗震等级为三级，钢梁、钢支撑的抗震等级均为四级。
2.2 节点设计
2.2.1 梁柱连接节点
梁柱连接节点是装配式钢结构预制构件的关键部位，作为梁与柱的交汇点，能将力有效地传递给梁、柱，节点受力较复杂，其强度、刚度影响因素较多。对于高层建筑结构，梁柱一般采用刚性连接，应对受弯和受剪承载力、柱水平加劲肋板的厚度及节点域的抗剪强度进行验算。对于抗震设防的高层装配式钢结构，应按结构进入弹塑性阶段设计，节点连接的承载力应高于构件截面的承载力。该工程最大应力集中于梁上下翼缘削弱处，梁翼缘和腹板区域形成塑性铰，结构的最终破坏发生在梁翼缘削弱处。本工程采用柱贯通连接构造形式，有效减小梁跨中的弯矩。连接方式为栓焊混合连接，梁翼缘与柱翼缘采用坡口焊接，梁腹板采用M22高强螺栓与柱翼缘连接[2]。靠近柱的螺栓承受来自梁端的大部分荷载，螺栓发生较大位移，螺栓杆与柱面套板发生接触产生局部压应力，螺栓杆与螺栓孔壁接触导致螺栓受剪，承受较大剪应力。在梁翼缘端部进行单边或双边加宽补强，可有效减小螺栓承受的剪应力。
2.2.2 支撑连接节点
钢支撑能有效转移塑性铰，使节点的破坏点从梁端转移到钢筋桁架，符合“强节点、弱构件”的抗震设计理念。在梁、柱与支撑翼缘连接处设置加劲肋板，可保证节点整体面外变形，提高节点承载力。设置加劲肋板时，应分别按承受支撑轴心力对梁、柱的水平力或竖向力计算。若节点不设加劲肋板，设计时则需放大其设计荷载。设计合理的偏心支撑结构体系，在正常使用阶段和小震作用下耗能梁段能保持在弹性范围内[3]。在强震作用下，通过耗能梁段的非弹性变形耗能。耗能梁段与支撑连接的端部，应在支撑两侧设置加劲肋。如果没有设置加劲肋的耗能梁段，其在剪切屈服后就开始屈曲，耗能能力和延性较差，设置了加劲肋的耗能梁段具有很大的非弹性转动能力。
2.2.3 楼板节点
钢筋桁架楼承板是楼板与钢筋桁架为一体的建筑构件。钢筋桁架楼承板中混凝土楼板的自重由钢筋承受，混凝土内不产生拉应力，在正常使用阶段，正负弯矩区混凝土拉应力显著降低，裂缝宽度减小。当钢筋桁架楼承板按双向板计算时，设计模型与普通现浇混凝土楼板相同且受力模式更合理，能提供更大的刚度。
3 构件优化设计方法
3.1 对预制构件
在不同工程中的位置和分块进行优化，根据工程的实际需要，进行部分预制和现浇。预制构件的优化设计和分装是建筑构件优化设计的重要组成部分。在装配式住宅设计中，水平构件可采用预制技术，既可降低施工成本，又可有效避免脚手架和模板的施工[4]。外墙保温装饰，预制外墙主体应考虑预制内墙的承载力和非承重，并应仔细测量，注意少用外脚手架。由于预制率和预制件设置的要求不同，在设计和布置时应考虑区域要求。
3.2 结构工艺系统的优化
每个组件和每个组件之间的连接也需要逐个确定，因为没有绝对固定的连接方式[5]。例如，在结构优化技术中，可以使用预制组合板或组合梁，而组合板可以是桁架或预应力结构。例如，当剪力墙预制时，可以预制叠合剪力墙或完全预制剪力墙。竖向连接可采用剪力墙与钢套管。管道根部的连接可以通过管的根部或波纹管的连接来完成。
结 语：
装配式钢结构的发展推动了我国建筑工业化的进程，钢结构预制构件节点设计在装配式建筑工程建设的过程中起着非常重要的作用，不仅能有效提高整体结构的刚度和强度，还能有效保障工程项目的施工质量。目前，我国关于装配式钢结构预制构件节点设计的研究不够完善，还需相关专业技术人员推陈出新、不断优化并完善相关规范、图集、指定通用节点及统一标准，以保障我国装配式钢结构工程的质量。
参考文献：
[1]韦 婉. 李晨光. 装配式钢结构建筑结构设计在实际工程中的应用[J].工程建设与设计,2020(08):1-2.
[2]牛君青. 预制装配式钢结构建筑设计的分析与研究[J].居业,2019(04):69.
[3]殷玛丽. 余丽武. 代棒棒. 黄诗梦. 王庆磊. 浅谈推进装配式钢结构建筑的发展和应用[J].建材发展导向,2018,16(24):35-37.
[4]陈赛国. 周红霞. 唐振兴. 实例探析装配式建筑结构设计与施工要点[J].建材与装饰,2018(22):100-101.
[5]. Prefabricated Building Components LLC; Patent Application Titled "Prefabricated Building Components Based On Municipal And County Codes" Published Online (USPTO 20200265120)[J]. Politics & Government Week,2020.