裝配式鋼結構新型節點研究

許劍峰，李 立

(山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590)

0 前 言

《中國建筑能耗研究報告(2017)》[1]中指出：“房屋建筑在全壽命周期中消費了大量資源和能源，對生態文明建設產生巨大影響”。據統計，建筑能耗約占總能耗的30%，已成為我國三大能耗之一。而建筑領域綠色低碳發展是實現“美麗中國”目標的重要路徑，傳統建筑已無法適應“綠色中國”的發展要求。裝配式建筑作為綠色建造技術，具有降成本、控污染、保節能的優勢。顯然，裝配式建筑順應時代發展要求，有助于提高城市建設質量，推動生態建設的工作進程。

1 裝配式鋼結構的發展

自“十三五”以來，鋼結構在我國的建筑工程中占比增大。鋼結構“輕質高強”的特點與裝配式建筑的發展理念完美契合。首先，鋼結構可以將2/3以上的工作放進工廠，將露天作業移至室內，大大改善了施工環境；其次，構件的工廠化生產，降低了施工誤差，使得工程質量得到更大的保證；最后，鋼結構各部件可以現場機械化吊裝與拼接，便于施工，提高安裝和施工效率。裝配式鋼結構充分體現了自重輕、抗震好、工期短、效益高的優勢，具有集成化、工業化、標準化的特點，通過工廠精細化制造，現場高質量安裝，施工信息化管理可實現建筑高品質、低污染的目標，符合可持續發展理念，因而裝配式鋼結構是一種適應建筑發展趨勢的綠色建筑體系[2]。裝配式鋼結構的優勢使其在未來建筑市場中具備很大的潛力。

2 裝配式鋼結構新型節點研究

2.1 設計理念

裝配式鋼結構的突破式發展是我國建筑業創新發展路徑的標志，然而傳統的鋼筋混凝土建筑模式仍占據主導地位。因此，在國家推進裝配式鋼結構住宅的大環境下，合理地將混凝土結構融入，持續發展“裝配式鋼結構+混凝土板”的設計理念，整合鋼結構與混凝土結構的優勢，充分汲取各部分的最大價值，使效果達到整體最優化，這對于我國建筑業的發展具有重要意義。目前，這種組合結構在歐美國家應用廣泛，我國對此的研究起步較晚，但近些年也取得了很大的進展。

2.2 技術方案

節點的構造形式對節點的強度、剛度以及整體結構的受力和變形均有直接影響，對施工進度和鋼結構建造成本也會產生直接影響。合理地選擇裝配式鋼結構節點形式對鋼結構建筑設計和施工具有重要意義[3]。然而，在裝配式鋼結構的實際施工中，如何將鋼梁與外墻板高效率、低成本地連接，這就需要對節點進行優化設計，以期滿足在精度、難度、強度上的要求。

這種新型節點由連接板與垂直栓釘組成。連接板是由一對組合結構構成(如圖1所示)，結構外形上均呈現“U”字形，“U”型構件開口尺寸與螺桿直徑相同，即僅可供一根螺桿從開口穿入。構件體型較小，構造簡單，便于加工生產。外墻板為預埋入螺桿的預制混凝土板，其在工廠加工制作即可。

圖1 裝配式鋼結構新型節點構造示意圖

新型節點的技術方案是:工廠預制鋼筋混凝土外墻板，將螺桿預埋入外墻板；工廠制作鋼梁，在H型鋼上翼緣內側根據外墻板尺寸每間隔一段距離預焊1號構件，“U”型開口向外(如圖2所示)；鋼梁與預制板就位后，將預制板吊起使外露鋼筋末端的螺桿從1號構件開口穿過，然后將2號構件開口向內緊貼1號構件安裝，使得組合構件將螺桿緊緊夾住，最后現場用螺母鎖緊連接板，使鋼梁與預制外墻板緊密連接(如圖3所示)。

圖3 裝配式鋼結構節點連接示意圖

裝配式鋼結構新型節點連接方式僅僅通過連接板與螺栓，便能實現鋼梁與預制板的連接，此種連接方式精度高、成本低、速度快，充分契合了裝配式建筑的優點，實現了鋼梁與外墻板的快速連接。此種節點構造簡單，安裝與拆卸方便，不僅在安裝施工上可以實現梁板的快速連接，對于后期的維修保養也具有很大的意義。

3 新型節點實施方案

預制組裝技術是當今國際建筑發展的一種實現可持續發展的建筑潮流，它是將建筑的各個構件在工廠進行設計、生產、養護，然后運輸到施工現場[4]，在現場進行干式工法將各個預制構件進行組裝的技術。這種施工技術可實現構件精細化、施工簡便化、建筑產業化，提升建筑質量與施工效率，節約資源，減少污染，符合當今綠色建筑的發展趨勢。

3.1 預制外墻板

預制墻板作為預制組裝技術的組成部分，其對于整個建筑具有十分重要的意義。預制墻板作為建筑的外圍護結構，不僅要承擔自重，也要滿足對建筑強度、保溫、隔聲等的功能方面的要求。同時預制裝配式墻體還可以最大限度地提高室內凈使用面積，對于同等條件下普通建筑形式下的外墻具有十分顯著的優勢。

預制外墻板的加工工藝流程為：利用預先設計好的模板，先粘貼面磚后再將綁扎好的鋼筋吊到模板內進行安裝，然后將保溫板、門窗框等構件安裝固定，再進行混凝土的澆筑及蒸汽養護，最后拆模吊運[5]。根據不同的施工工藝，流程也會有一些變化。

針對本文所介紹的鋼梁與外墻板的連接節點，因其體積小，構造簡單，在預制外墻板加工制作過程中，應盡可能地減小外墻板的自重，這便需要采用材質較輕的建筑材料。外墻板輕質澆筑材料的研究，也是當前建筑業比較關注的話題。

3.2 預制鋼梁

本文梁板連接節點所采用的鋼梁為H型鋼。H型鋼是一種截面面積分配更加優化、強重比更加合理的經濟斷面高效型材[6]。由于H型鋼的各個部位均以直角排布，因此，H型鋼在各個方向上都具有抗彎能力強、施工簡單、節約成本和結構重量輕等優點[6]。

鋼梁的工廠加工要嚴格按照圖紙要求進行操作，鋼梁的規格尺寸必須滿足《鋼結構設計規范》(GB50017—2017)等規范要求。“U”型組合構件宜采用市面上強度較高的鋼材進行精細加工，其在鋼梁上的外伸長度不宜大于外墻板厚度，其口徑應只容許一根螺桿恰好穿入。預埋件的埋設間距應等同于預埋入外墻板的螺桿間距。在“U”型組合構件的生產上，在生產滿足建筑要求的套數的基礎上加大生產量，以防在現場施工時產生數量不匹配與構件損壞等問題的發生。

3.3 預制構件的連接

預制構件就位后，將預制外墻板吊起，使其垂直上升，使預埋入外墻混凝土板的螺桿穿入預埋件開口并緊貼凹槽口。2號構件因需要人工安裝，故要確保組合構件夾緊螺桿，然后現場用螺母將組合連接板鎖緊，從而便實現了鋼梁與外墻板的固定連接。

3.4 其他實施方式

在預制構件工廠生產階段，圖紙的深化設計關乎到預制構件生產的精細化，甚至關乎到建筑的穩定性。因而加工圖的制作必須充分保證其精細度。

在預制構件的運輸過程中，應加強對外露螺桿的保護，避免豁口、彎曲現象的發生。

組合構件套數應高于建筑施工所需數量，最大程度減少在運輸中構件的丟失與損壞對施工所產生的影響。

在進行現場安裝時，要著重注意施工安全控制，施工前要對構件材料進行審核。施工安裝要嚴格遵循相關施工方案，切忌以施工經驗為由不按規定要求施工，同時要采取相應的優化措施以保證更好的施工質量。

4 結 論

裝配式鋼結構新型節點的設計為裝配式建筑的快速施工提供了一個新的作業模式，為“裝配式鋼結構+混凝土板”的設計理念增添了新的內容。新型節點解決了鋼梁與外墻板快速連接的問題，具備“多快好省”的突出優勢。然而，在新型節點的實際應用中還存有一些問題亟待解決:其一，必須加強高性能鋼材耐腐耐火研究；其二，加強裝配式建筑設計軟件體系的構建；其三，加強減輕預制外墻板自重的研究；最后，加快發展工業生產的數字化和智能化。

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