装配式钢结构住宅预制构件节点设计

装配式钢结构住宅预制构件节点设计

摘要：与传统住宅建筑相比，装配式钢结构住宅实现了对建设材料的循环利用，符合现代化绿色建筑节能减排要求。装配式钢结构住宅建筑的建设需要用到诸多预制构件，由于这些构件的连接节点受力复杂，会受到诸多因素的影响，所以必须严格遵守模数化和标准化设计原则。本文结合工程实例，重点分析装配式钢结构预制构件梁柱、支撑及楼板连接节点的设计要点，以保证装配式钢结构设计的稳固性和安全性。

关键词：装配式；钢结构；住宅建筑；预制构件；节点设计

1装配式建筑及钢结构建筑概述

1.1 装配式建筑

装配式建筑即在施工现场由预制构件拼装而成的建筑，其和传统建筑主要区别于施工方式和施工流程，传统建筑主要的施工作业都是在现场完成，而装配式建筑则将作业地点从现场转移到了工厂，先在工厂中制作好工程建设所需的预制构件，然后运送到现场进行装配。

装配式建筑体现出以下五个方面的特征：（1）标准化设计。针对共性构件制定统一的模式和标准，扩大其适用范围。（2）工厂化生产。提前在工厂加工好各类预制构件。（3）装配化施工。将以往的现浇作业模式转变为现场装配施工。（4）一体化装修。同时开展建筑主体施工和装饰装修作业，实现一次性到位。（5）信息化管理[1]。基于BIM等现代化信息技术开展工程设计与施工，有效提高信息的传递效率，保证信息的精准性。

1.2 钢结构建筑

钢结构建筑即建筑主体结构材料以钢材为主，主要构件包括钢柱、钢梁及钢桁架，这些构件都是由钢板和型钢所制成，并利用纯锰磷化、硅烷化、水洗烘干即镀锌等手段进行防锈处理。

钢结构建筑体现出以下三个方面的特征：（1）可以循环利用、污染小、环

保性能好。（2）整体组织均匀，强度高、稳定性好、重量小、抗震性好、不容

易受外界环境影响。（3）可塑性强，韧性好，抗变形能力强。

2装配式钢结构住宅预制构件节点设计

2.1 工程概况

某装配式钢结构住宅建筑工程共10栋楼，都是地上14层，地下一层，地面

上建筑的高度为39.2米，可以抵御六级地震。工程主体为钢框架支撑结构，为

了提升水平承载力，还设置了横向钢支撑。

2.2 预制构件制作

该工程建设需要矩形钢管柱、H型钢框梁、肋板及钢支撑等预制构件，钢管

混凝土柱的抗震等级为三级，钢支撑和钢梁为四级。所有预制构件的加工制作都

必须严格满足《钢结构工程施工质量验收规范》相关规定。

2.3 节点设计

由于钢材料自身特征的原因，钢结构自由度有所限制，这就要求在设计装配

式钢结构预制构件节点的时候，设计人员应对节点的受力变形问题引起重点关注，采取最为科学合理的设计方式，避免发生位移现象，同时确保连接节点抗震性能

满足工程总体设计要求。

2.3.1 梁柱连接节点设计

梁柱节点是指钢柱和钢梁的连接交汇点，其主要作用是将承载力传递给钢柱

和钢梁，属于装配式钢结构住宅预制构件中非常重要的一种节点。实际运用中，

梁柱节点的刚度和强度会受到多方面因素的影响，受力较为复杂。该工程属于抗

震设防高层住宅建筑，所以最终选用的刚性梁柱连接模式，设计的时候还需综合

考虑受剪承载力、柱水平加劲肋板厚度、受弯承载力以及节点域抗剪强度，并准

确验算相关数值，同时还要保证梁柱节点承载力要高于构件截面承载力，具体应

满足以下公式要求：

Mu≥1.2Mp

Vu≥1.3(2Mp/l)

在该公式当中，Mu表示极限最小强度下梁柱节点的最大受弯承载力，Vu表

示极限最小强度下梁柱节点的最大受剪承载力，Mp表示梁贯通时柱构件的和梁构

件的全塑型受弯承载力。L表示梁净跨。

该工程的应力主要集中于钢梁的上下翼缘削弱处，所以该位置在实际使用过

程中更加容易受到破坏发生位移。为了规避此类问题的出现，设计的时候应尽量

减小梁跨弯矩，最好采取柱贯通栓焊混合连接方式，即在柱翼缘和梁翼缘之间采

用坡口焊接连接方式，柱翼缘和梁腹板之间采取M22高强螺栓连接。

该工程的柱临近螺栓承担了绝大部分载荷，如果螺栓出现较大程度的位移就

会导致柱面套板和螺栓杆接触，进一步产生局部压应力，使螺栓孔壁和螺栓杆接

触而使螺栓受剪。此时就需要适当加宽梁翼缘端部，以实现对其的有效补强，降

低螺栓剪应力。

2.3.2 支撑连接节点设计

支撑作为装配式钢结构建筑中最为关键的一个传力部件，其能够对预制构件

起到很好的临时校正和固定作用。由于钢结构柱面附近梁上存在较大的塑性铰，

会对柱翼缘材料的厚度方向造成一定程度的应变，同时对周围热影响区和焊缝金

属的塑性变形都具有较高的要求，如若设计不够科学合理势必会破坏构件的脆性。为了避免这一问题的出现，必须合理设计塑性铰的位置，确保构件的应用过程的

可靠性。而利用钢支撑能够实现对塑性铰有效转移，将支撑节点原有的破坏点从

梁端转移到了钢筋桁架。该设计方案中充分融入了抗震和强节点，弱构件的设计

理念，具体设计中支撑节点的受力需满足以下公式要求：

Nubr≥1.2Anfy

在上述公式当中，Nubr表示最小极限强度下支撑节点的最大承载力，An表

示支撑的净截面积，fy表示支撑钢材的屈服强度。

无论是支撑翼缘和钢柱之间，还是和钢梁之间的节点部位，都应根据实际情况合理增设加劲肋板，以有效增强支撑节点的承载能力。具体设置过程中，还需对支撑轴心力对钢柱和钢梁的横向和竖向作用力进行准确计算，否则很容易因为加劲肋板设置不合理影响整体结构的牢固性。如果不设置加劲肋板的话，应结合实际需求适当增大支撑节点的设计荷载。

综合考虑多方面实际情况，最终选用了偏心支撑结构体系，该体系能够使工程整体结构在正常使用期间和小型地震情况下处于弹性范围之内，即使在强震作用下也可以利用耗能梁端的非弹性变形降低破坏。装配式钢结构住宅通常情况下设置的加劲肋板间距应符合我国钢结构建筑技术规程和要求。

2.3.3 楼板节点设计

以往传统的楼板不管是设计还是施工中都存在一定的欠缺，装配式钢结构建筑形式的出现，要求采取更为简洁的施工方法，此时钢筋桁架楼承板就应运而生了。钢筋桁架楼承板其实就是一种一体化的装配式构件，主要包括钢筋桁架和楼板两大部分。这种楼板形式的采用，将传统住宅建筑的混凝土楼板改成了钢筋结构，大幅度降低了工程正负弯矩区的混凝土拉应力，同时也降低了结构裂缝的发生概率。

2.3.4 BIM辅助设计

BIM是一种三维建筑信息模型，利用该模型能够仿真建筑工程各项信息，是近些年在建筑领域广泛应用的一种新型技术。比如，借助计算机能够对装配式钢结构住宅建筑的各部分内容进行如实地呈现，构建出虚拟的建筑模型，使设计人员和施工人员都能够更加清楚了解工程具体情况[2]。BIM技术在装配式钢结构住宅预制构件节点设计中的应用，较以往传统的设计方式达到了事半功倍的效果，同时可以在模型上对各预制构件节点进行不断深化和优化处理。

结束语

总而言之，装配式钢结构的出现及其在建筑领域中的应用，对我国建筑工业化进程起到了很大的推动作用，钢结构预制构件节点设计是装配式住宅工程建设