装配式钢结构住宅预制构件节点设计

欧 佩，贤森荣，班立惠，罗 涛，李俊康

（广西建工集团第五建筑工程责任有限公司，广西 南宁 545001）

1 概述

近年来，我国大力发展装配式建筑，装配式建筑有利于建筑工业化的发展，可有效解决传统方式生产的建筑能耗高、物耗高、污染高的“三高”问题[1-3]。2016年，广西印发的《关于大力推广装配式建筑促进我区建筑产业现代化发展的指导意见》指出：计划到2025年底，广西装配式建筑占新建建筑的比例力争达到30%。

钢结构具有自重轻、施工简便、受气候条件制约小等特点，符合装配式建筑特点。随着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。卢俊凡等[4]对美国装配式钢结构ConXL节点进行改进，以符合我国钢结构设计规范，试验表明该节点在多种荷载作用下具有良好的受力性能；王婧[5]通过有限元软件ABAQUS模拟得出结论，斜撑的存在提高了钢节点的强度、刚度和稳定性；刘福林[6]通过ANSYS对梁柱钢节点进行应力模拟分析，得出在梁柱钢节点连接处进行加腋处理能有效改善钢节点应力集中现象；任峰[7]基于ANSYS对某会所钢节点在不同工况下的变形与应力特性进行模拟分析，结果表明荷载作用下节点区域最大Mises应力值小于材料的抗拉强度设计值，满足设计规范要求。

综上所述，通过ABAQUS、ANSYS、Midas等有限元软件对钢结构节点进行受力性能分析或改进国外钢结构节点，使其满足我国钢结构设计规范要求，可应用于实际工程项目。

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。本文结合柳州市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 预制构件设计

预制构件是装配式钢结构的基本构成要素，其构造设计和节点设计应满足结构设计要求。可借助相关结构软件设计预制构件的几何尺寸，不仅可提升尺寸修改效率，其设计模型还可直接用于预制构件生产线，有效保障预制构件的精度[8]。

2.1 构造设计

某工程位于柳州市，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GB 50205—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

在高层建筑结构设计中，钢本身的特性会限制钢结构的自由度，所以装配式钢结构预制构件节点设计应充分考虑节点的受力变形，防止产生位移，确保连接节点具有较好的抗震性能。

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，并符合式（1），（2）的要求：

式中，Mu为基于极限强度最小值的节点连接最大受弯承载力，仅由翼缘的连接承担；Vu为基于极限强度最小值的节点连接最大受剪承载力，仅由腹板的连接承担；Mp为梁构件（梁贯通时为柱）的全塑型受弯承载力；l为梁的净跨。

该工程中主梁与钢管方柱刚性接连节点如图1所示，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。

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，如图2所示。

图1 梁柱刚接节点

图2 梁翼缘端部加强大样

2.2.2 支撑连接节点

支撑作为钢结构的重要传力部件，用于预制构件的临时固定和校正。

塑性铰通常出现在柱面附近的梁上，在柱翼缘材料中厚度方向引起较大应变，并对焊缝金属及其周围热影响区的塑性变形要求较高，这些情况可能导致构件发生脆性破坏[9]。因此，控制塑性铰的位置能有效提高构件的可靠性。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。

对于抗震设防的高层装配式钢结构，支撑连接应符合式（3）要求：

式中，Nubr为基于极限强度最小值的支撑连接最大承载力；An为支撑的净截面面积；fy为支撑钢材的屈服强度。

该工程中钢梁与方柱截面的支撑连接节点如图3所示，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。

图3 支撑连接节点

该工程中耗能梁段位于支撑与钢柱之间的连接节点如图4所示。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，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。HJELMSTAD KD等[10]经试验得出，未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。在JGJ 99—2015《高层民用建筑钢结构技术规程》中，加劲肋间距s的取值为：当耗能梁段净长a≤1.6Mp/Vp时；当耗能梁段净长a≥2.6Mp/Vp时。

图4 耗能梁段与柱翼缘的连接

2.2.3 楼板节点

目前，传统的建筑楼板在设计、施工方面存在较多问题，钢筋桁架楼承板性能较好，施工方便，能有效解决传统楼板带来的问题。

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 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，以保障我国装配式钢结构工程的质量。