钢结构框架与预制楼板连接节点的应用与研究现状

陶诗怡 TAO Shi-yi；白利婷 BAI Li-ting；李芮迪 LI Rui-di

（嘉兴南湖学院建筑工程学院，嘉兴 314001）

0 引言

二十一世纪以来，随着建筑产业工业化、数字化的推行，采用钢结构作为装配式住宅主体结构形式，已被广泛应用于各类建筑中。在欧美日等发达国家，钢结构早已被广泛应用于建筑行业，成为主导的建筑结构体系，并编制了比较完善的工厂化作业、现场拼装的钢结构建筑体系技术规程及标准，其中在各围护体系的规程与标准方面，日本建筑协会编制了轻质混凝土外墙等围护结构体系技术规程等，欧美等国家也已经颁布了相应的技术标准。但在国内由于起步较晚，相关的标准并未颁布。虽然钢结构作为结构主体与传统混凝土结构相比，在设计方面、施工方面、使用功能方面及综合经济性能方面均具有绝对优势，但是在当前社会环境下以钢结构作为建筑主体结构难以发展的原因主要为以下两点：①缺乏与钢结构主体结构体系相配套的围护体系。②尽管此类建筑形式的试点工程已在部分地区实施，同时也赢得了市场的好评，但是对于如何推进此种建筑体系的发展还缺乏较为系统的研究，若推广钢结构为主体结构的建筑形式，各围护结构与钢框架主体结构的有效连接就尤为重要。

从字面意思来看，装配式建筑是指将建筑结构的部分或全部构件，经工厂加工制造后运输到现场，通过牢固的连接方式安装而成。因而连接节点的强度和刚度是保证装配式建筑能否很好地抵抗外力作用和变形的关键因素，不同形式的连接节点对装配式建筑的整体质量的影响差异较大。外力作用下，连接节点若首先破坏就会引发楼屋面板与钢结构框架脱离，造成建筑结构整体强度变小，刚度减弱。同时，由于楼屋面板的脱落还会带来次生灾害，例如建筑内的人、物会被脱落的楼屋面板砸伤、砸坏。因此对连接节点的性能进行进一步的研究和开发是很有必要的。

1 国内对于钢结构框架与预制楼板的连接节点的研究现状

图1为同济大学建筑设计研究院有限公司提出的一种新型预制楼屋面板与钢结构框架的连接节点形式，该节点样式包括外部钢框架和内部预制楼板两部分，钢结构框架设置在预制楼屋面板的外围，钢结构框架为矩形框架结构，钢结构框架包括位于矩形四个顶角位置的钢结构框架柱，水平方向的两个钢结构框架柱之间连接有钢框架的第一根梁，垂直方向的两个钢框架柱之间连接有钢框架的第二根梁，钢框架的第一根梁和框架的第二根梁分别通过螺栓与预制楼屋面板相连接。这种连接形式不仅能够避免湿作业施工实现预制楼屋面板与钢结构框架之间的完全装配，还能保证连接部位结构的受力可靠，同时能够方便现场的施工安装。螺栓连接相对于结构现浇连接来说受力性能更好，根据调整螺栓扭矩的大小，变换连接节点的支座形式，根据建筑物所在地区的抗震等级调整铰接、固接连接节点。

图1 连接节点一

图2为某建筑企业提出的预制楼屋面板与钢结构框架的连接形式，在楼屋面板与钢结构框架梁的连接部位处做了特殊的结构处理，从而加强楼屋面板与钢结构框架梁的连接性能，提高结构的整体抗震性能。为了保证现楼屋面板板与钢结构框架梁之间的整体性和抗震性，在工字型钢结构框架梁的侧面凹槽处嵌入一道小型的钢筋混凝土叠合小梁，混凝土小梁与原钢结构框架梁形成钢-混凝土组合梁并与叠合楼屋面板结构一起整浇，从而很好地实现了整体性的想法。混凝土小梁内的纵向受力钢筋和箍筋可与楼屋面板板面的分布钢筋可设计成规格统一的钢筋，都采用直径为6mm-8mm的热轧带肋钢筋，目的是使整个施工过程简单，避免因钢筋种类过多带来的采购成本的增加和施工成本的增加。混凝土小梁内的箍筋与钢结构框架梁采用焊接连接-点焊的方法进行连接，楼屋面板的板面分布钢筋、板底受拉钢筋插入混凝土小梁内，插入长度满足规范规定的锚固长度并延伸至工字形钢结构框架梁的腹板处。钢结构框架梁上部沿梁的长度方向每隔250mm-300mm左右布置一些抗剪钢筋，以增加楼屋面板的整体抗震性能，抗剪钢筋的一端与钢结构框架梁上翼缘板焊接连接（焊缝长约30mm-50mm），另一端斜向下伸入楼屋面板内。这种连接形式巧妙的将钢结构框架与混凝土楼屋面板的连接转换成了与传统现浇施工形式及其相似的梁板整体现浇的建筑，从而更好的保证建筑的整体性，并提高建筑结构的强度和刚度。

图2 连接节点二

图3为浙江工业大学工程设计集团有限公司提出的预制楼屋面板与钢结构框架的连接形式，预制屋面板采用预应力混凝土空心板，预应力钢筋的外伸段分别穿过钢结构框架梁上的表面两块连接短板的预留孔中，短板与钢结构框架梁采用焊接连接的形式进行固定，拉直、切断钢筋后在两连接短板内侧用专门的钢筋扣紧夹头夹紧，钢筋扣紧夹头为适合小直径（中直径≤14mm）钢筋连接的零件，钢筋扣紧夹头是一个内壁刻有牙痕，外表面有机械压痕的钢制套筒，根据所扣紧的钢筋直径（小直径、中直径）有不同的规格，当两根所需扣紧的钢筋套入后，用强力液压钳将套筒压扁，达到将两根钢筋扣紧连接的目的；板底钢筋中的非预应力钢筋的连接方式与板的预应力钢筋的连接方式相似，只是将预应力钢筋扣紧夹头取消，而直接采用焊接连接的方式将非预应力钢筋焊接在连接短板两侧即可，以起到锚固、连接为整体的作用。该种连接方式减少了湿作业，保证了施工现场的环境整洁度；使用了专用连接件，促进了装配式建筑工业化、标准化的发展；采用机械连接的方式接长部分钢筋，消化掉了由于化学性能不好而无法使用的缺陷钢筋，满足了节约资源，打造绿色建筑的思想；解决当前钢结构建筑推广困难的问题，同时为改变当前钢结构建筑中钢结构安装工程与混凝土现浇两大工程的不协调的问题，使钢结构主体与混凝土预制结构相配合，实现钢-混凝土组合结构的工业化建筑，尽量减少现场混凝土浇筑量，同时保障建筑结构的抗震、稳定等功能。

图3 连接节点三

2 国外对于钢结构框架与预制楼板的连接节点与研究现状

图4为日本建筑学会提出的铺设钢筋法。铺设钢筋法是指在预制楼屋面板与预制楼屋面板之间长边的板缝处设置的凹槽，在短边板缝处设置固定的金属平板连接件，将铺设的钢筋穿入预制楼屋面板长边的凹槽和预制楼屋面板短边的平板连接件孔洞内，插入长度满足规范要求，之后在预制楼屋面板长边的凹槽内采用砂浆灌缝处理，根据预制楼屋面板所在位置（中间板、边跨板）的不同选择不同的金属连接件，如R形金属的连接件、圆形金属连接件等固定预制楼屋面板。这种连接形式将预制楼屋面板的侧面开槽，不在楼屋面板开洞不仅对板的整体性没有影响还能避免由于开洞引发的残余变形，能够更好地满足预制楼屋面板的整体性。该种连接节点安装过程种湿作业较少，连接构件工业化生产，可以提高施工速度。同时经过实验验证，采用该种连接节点的建筑，整体结构的强度和刚度会随着金属平板连接件孔洞直径的变化而变化，长孔洞连接件比圆孔洞连接件受力性能更好。由于外力作用下预制楼屋面板在小震作用时可以很好地抵抗外力，中、大震作用下楼屋面板的连接钢筋可以在连接件孔洞中随着主体框架的变形而变形。

图4 连接节点四

图5为日本建筑学会提出的螺栓连接安装法。螺栓连接安装法是指在预制楼屋面板与预制楼屋面板之间长边的板缝处设置的凹槽，在短边板缝处设置金属平板并在平板上预先焊接钩头螺栓，预制楼屋面板预先四角留设孔洞，后面将螺栓插入孔洞内，最后在预制楼屋面板长边的凹槽处及钩头螺栓顶部内采用砂浆灌缝处理，根据预制楼屋面板所在位置（中间板、边跨板）的不同选择不同金属连接件，如钩头螺栓连接件、圆形金属连接件等固定预制楼屋面板。这种连接形式将预制楼板的侧面开槽能够更好地满足预制楼板的整体性，同时采用螺栓连接使节点安装过程湿作业进一步减少，施工速度很快。

图5 连接节点五

3 结论与建议

通过对国内外现有的预制楼屋面板与钢结构建筑的连接节点对比总结发现，预制楼屋面板与钢框架的连接节点能否保证外力作用下装配式建筑的整体性，对提高整体框架的抗震性能有重要的影响。

①不同形式的预制楼屋面板对提高整体结构的抗震性能有一定的影响。

②不同形式的连接节点、不同数量的连接节点、不同位置的连接节点等都对装配式结构的承载力以及抗震性能有一定的影响。

③连接节点的强度、刚度越强，装配式结构的抵抗外力的强度、刚度越强；对提高结构整体强度、刚度影响越显著。仅靠连接节点的自身的强度、刚度来抵抗外力作用，对提高装配式建筑整体抗震性能影响不大，但是，如果连接节点样式为可跟随外力的作用的变形而变形的样式，则对提高装配式建筑整体抗震性能有显著的影响。

④在开发新的连接样式时应尽可能地将连接节点设计成一个整体，避免过多拆分，可以减少一些削弱强度的影响因素，对提高装配式建筑的抗震性能有重要的影响。装配式结构的连接节点研究有助于装配式结构的发展。