裝配式鋼結構建筑結構設計在實際工程中的應用

韋婉，李晨光

（1.中國建筑科學研究院有限公司，北京100013；2.北京首創高科技發展有限公司，北京100089）

1 引言

裝配式鋼結構主要以預制構件的形式進行施工作業，因此其設計涵蓋施工全過程，同時可借助信息化技術，實現工程建造的信息平臺化搭建，將傳統的建筑設計及施工轉變成為“工廠化、自動化”形式，不僅符合建筑發展的先進理念，同時也順應了“綠色建筑”發展思路。本文以裝配式建筑結構設計為研究重點，對梁翼緣與柱的連接、梁腹部與鋼的連接、梁-梁節點設計等結構形式的設計，為裝配式建筑結構的設計要點及其相關內容研究提供理論支撐。

2 裝配式鋼結構建筑的結構節點設計

在結構設計中，裝配式建筑結構設計存在較多節點，結構剛度的差異化對裝配式建筑結構穩定性也會產生影響，由此在建筑設計實踐環節中，依據國際抗震設計規范和相關標準，應以滿足建筑用途需求及區域地質條件等的要求為主，開展科學合理的結構節點設計：（1）可借助工程設計軟件，對設計對象進行建模分析，以實現設計周期的縮短；（2）將裝配式建筑施工與設計相互結合，以提高生產效率；（3）在裝配式構件的標準化生產中，可高效地提高施工工業化程度，由于構件的工廠化生產模式比傳統的工藝生產更加先進，因此，可通過產品質量和性能的提升為基準，將生產后的構件結構按照施工的進度要求，安全運輸到施工現場，以完成焊接或者螺栓的配套化安裝施工[1]。

3 裝配式鋼結構建筑的結構設計在工程中的應用

裝配式鋼結構設計環節中，主要涉及主體和附屬結構2部分。其中從預制構件的設計內容上分析，主要包含有鋼梁、鋼柱及鋼節點等環節；而作為附屬結構，設計要點主要包含有加勁肋、加強板、連接板等結構，主要設計原則包含有：（1）結合持久設計工況，以完善預制構件結構的承載力、穩定性、變形及裂縫特征等，并按照設計的要求，尤其對裂縫進行控制驗算；（2）在地震結構化設計中，可對預制構件的承載力進行驗算分析；（3）在構件的制作、運輸、安放等工況設計環節，預制構件的驗算應滿足和符合國家的相關標準及規范；（4）以固定和連接件的預埋件、臨時支撐用預埋件為例，在結構設計時盡量排除在選用范圍內，除非遇到特殊情況時可使用并滿足工況的設計要求[2]。

3.1 梁- 柱節點設計

以某鋼結構大廈為例，如圖1 所示。此建筑鋼結構梁-柱節點的主要設計內容包含以下幾方面。

3.1.1 梁翼緣與柱的連接

焊縫主要采用全熔透坡口形式進行焊接，焊縫連接點為主，應及時加設對應襯板結構，并在翼緣板口兩側處設置引弧板，同時在梁腹板結構的上下端中實現扇形切角，在鋼梁結構的翼緣板處，可通過與扇形切角結構建立端部連接形式，為實現圓弧過渡，適當地增加點焊。在所有規定中，都應以滿足設計規范為主，實現梁翼緣與柱的有效連接。

圖1 某鋼結構大廈的梁柱深化設計節點模型

3.1.2 梁腹部與鋼的連接

針對焊縫的焊接，應全部選用坡口焊接方式，當鋼板的厚度＜16mm 時，應選擇采用雙面角的形式進行焊接處理，焊縫結構的厚度應＞5mm，并需要滿足強度要求；鋼板的厚度應＞16mm，并選擇使用K 字形坡口結構對焊縫進行焊接。需要特別注意的是，在裝配式鋼節點的節點區域，當板厚＞30mm 時，焊接過程中要執行預熱和后熱處理。

3.2 連接深化設計

3.2.1 梁-梁節點設計

裝配式鋼結構的截面形式設計中，可設計為工字形或者H 形。在梁-梁節點的設計中，要以剛性連接為主，其中主要的設計形式包括：（1）利用高強度螺栓，實現翼緣與腹板連接的高效性；（2）焊接縫的連接需要采用全焊透的坡口形式，腹板需要將摩擦型連接結構進行高強度的螺栓式連接[3]；（3）翼緣、腹板結構可均采用全焊透的方式，用以對接焊縫連接模式，以本文案例分析中的某鋼結構大廈梁-梁節點的設計為例，設計模型如圖2 所示。

圖2 某鋼結構大廈的鋼結構梁－梁連接設計模型

3.2.2 柱-柱節點設計

柱截面結構主要以H 形為主，利用高強螺栓實現腹板連接，在翼緣間連接處主要使用全焊透的坡口結構，用以對接焊縫。在柱截面結構的形狀主要以H 形為主時，腹板和翼緣板結構的連接主要以高強螺栓為主。在柱截面體系中，箱形截面和圓管形截面的焊縫主要以全焊接式來實現焊縫的焊接。如某鋼結構大廈，柱-柱連接的設計要點主要包含：（1）科學合理地設計箱形截面結構的鋼柱拼接位置，并在柱腳處進行承臺面的設計，主要設置在承臺面以上1.5m 附近位置；（2）在鋼柱的側板與節點位置處的連接設計，應以實現坡口的全焊接為主；（3）在鋼柱結構的連接設計中，應以全熔透焊接縫為主，采用全焊或者栓焊的連接方式，將翼緣板結構采用坡口的全熔透焊接模式，實現焊接體系的高強度螺栓焊接。

3.2.3 樓板、墻板與主體連接節點

建筑圍護結構選擇中，應以輕質、均質結構為主，將墻板結構、主體結構進行有效連接，按照設計的要點，在一定的設計原則下，對樓板、墻板及主體的連接節點進行外延與變形控制，確保圍護體系在主體受力的情況下，在不同的方位層間產生位移的協調性與穩定性，并以此條件滿足防震抗裂條件下的主體結構層間變形要求。

3.2.4 附屬結構設計

在附屬結構的設計環節中，以加勁肋和補強板設計為例，在裝配式建筑結構設計的過程中，如果對應的梁、柱節點結構不滿足對應的結構抗剪設計要求，則需要在柱腹板的梁柱節點處進行加厚設計，并對H 形鋼柱的截面體系進行加焊貼板的連接，并在貼板的邊緣結構處，伸出加勁肋外部＞150mm 的長度，在連接貼板的焊接過程中，主要以＞5mm 的角焊接縫為主，實現柱翼緣角焊縫的對接縫連接。

此外，從成本控制的角度進行分析，在裝配式鋼結構設計要點中，應結合相關設計實踐思路，重點分析裝配式鋼結構的成本控制，并在設計、安裝施工環節中，采取有效措施，實現成本最優化。尤其是裝配式結構構件的設計，應以預制鋼結構的設計水平、加工工藝、標準尺寸等的構件設計為主，以保障鋼結構構件尺寸的準確化、合理化和科學化。

4 結語

綜上所述，對裝配式建筑鋼結構設計要點進行分析，首先，要明確設計過程中存在的問題，并依據問題提出設計解決方案，結合具體項目的基本情況，精確控制鋼結構構件的設計思路、設計要點等，從而不斷優化設計方案，完善鋼結構的設計及使用性能。