装配式建筑结构体系设计要点

装配式钢框架结构设计应满足现行国家标准《钢结构设计规范》《建筑抗震设计规范》《高层民用建筑钢结构技术规程》《装配式钢结构建筑技术标准》等要求。在设计中，为尽量减少工地现场的焊接工作量和湿作业，提高施工质量和装配程度，在规范的基础上结合最新的研究成果，提出一些需要注意的设计要点。

1）梁柱节点的连接

为保证结构的抗侧移刚度，框架梁与钢柱通常做成刚接，满足强节点弱杆件的设计要求；梁柱连接节点的承载力设计值，不应小于相连构件的承载力设计值；梁柱连接节点的极限承载力应考虑连接系数大于构件的全塑性承载力，《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ 99—2015）对钢框架抗侧力结构构件的连接系数要求见表5-2所示。与《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）规定相比，对构件采用Q345钢材的梁柱连接的连接系数值略高；对箱型柱和圆管柱的柱脚连接系数值略低。要求箱型柱的柱脚埋深不小于柱宽的2倍，圆管柱的埋深不小于柱外径的3倍。

表5-2　钢构件连接的连接系数

注：括号内的数字用于箱型柱和圆管柱。

考虑建筑空间和使用要求，梁柱连接形式一般为内隔板式或贯通隔板式。内隔板式常用于焊接钢管柱，贯通隔板式用于成品钢管柱。对节点区设置有横隔板的梁柱连接计算时，弯矩由梁翼缘和腹板受弯区的连接承受，剪力由腹板受剪区的连接承受。工程中为满足节点计算的强连接要求，必要时梁柱可采用加强型连接或骨式连接，以达到大震作用下梁先产生塑性铰并控制梁端塑性铰的位置的目的，避免节点翼缘焊缝出现裂缝和脆性断裂，见图5-14所示。图5-14（a）、（b）为焊接钢管混凝土柱内隔板式，图5-14（c）、（d）为成品钢管混凝土柱贯通隔板式，隔板上浇筑孔的开设根据柱中是否浇筑混凝土而定。另外需要注意的是，与同一根柱相连的框架梁，在设计时应合理选择梁翼缘板的宽度和厚度，使节点四周的钢梁高度尽量统一或相差在150 mm（＜150 mm）范围内，满足节点区设置两块隔板的传力条件，否则需设置三块隔板，加大构件制作的工作量，见图5-15和图5-16所示。

图5-14、图5-15和图5-16中梁柱连接采用的均是梁翼缘与柱焊接，腹板与柱高强螺栓连接，这也是现阶段工程中最为常见的梁柱刚性连接方式。为减少现场的焊接工作量，避免焊接引起的热影响对构件的不利影响，当有可靠依据时，梁柱也可采用连接件加高强螺栓的全螺栓连接，如外套筒连接、外伸端板连接或短T型钢连接等，见图5-17和图5-18所示，其中外套管连接首先要将四块钢板围焊、与柱壁塞焊连接后，再将梁柱通过高强螺栓和连接件连接，在工程中已有应用；外伸端板加劲连接是《装配式钢结构建筑技术标准》推荐的全螺栓节点连接；而短T型钢加劲连接是刚度较大的全螺栓节点连接。这种全螺栓的连接方式由于连接本身不是连续的材料，在节点受力过程中，各单元之间会产生相互的滑移和错动，节点连接的刚度和连接件厚度、柱壁厚度、高强螺栓直径和节点的加劲措施等因素相关。美国AISC-LRFD规范认为完全约束的刚性节点应满足连接刚度与梁的刚度比值不小于20的条件，当节点连接的刚度不能满足刚性连接的刚度要求时，设计时应对半刚性螺栓连接节点预先确定连接的弯矩-转角特性曲线，以便考虑连接变形的影响。同时由于钢管柱为封闭截面，为实现螺栓的安装，必须在节点区域柱壁上预先开设直径较大的安装孔，待螺栓安装完毕后再将安装孔补焊好；或采用具有单侧安装、单边拧紧功能的单边螺栓，现阶段工程中应用较多的单边螺栓主要产自美国、英国或澳大利亚等国家。

图5-14　梁柱节点加强型连接形式示意图

图5-15　两侧梁高不一致梁柱节点连接

图5-16　梁柱节点连接现场施工图

图5-17　外套筒式连接

图5-18　梁柱全螺栓连接

2）主次梁的连接

次梁与主梁之间一般采用铰接连接，次梁与主梁仅通过腹板螺栓连接，见图5-19（a）所示；当次梁跨度大、跨数较多或荷载较大时，为减少次梁的挠度，次梁与主梁可采用栓焊刚性连接，见图5-19（b）所示；次梁与主梁也可采用全螺栓连接，见图5-19（c）所示。当主次梁高度不同时，应采取措施保证次梁翼缘力的传递，如设置纵向加劲肋或设置变高度短牛腿；对于仅一侧设有刚接次梁的主梁，应增设一定的加劲肋来考虑次梁对主梁产生的扭转效应。对于两端铰接的钢次梁，设计时可考虑楼板的组合作用，将次梁定义为组合梁，节省用钢量，按组合梁设计时应注意钢梁上翼缘栓钉的设计要求。

图5-19　主次梁连接示意图

3）楼板与钢梁的连接

为保证楼板的整体性以及楼板与钢结构连接的可靠性，楼板与钢结构之间可通过设置抗剪连接件连接。钢筋桁架楼承板组合板与钢梁的连接构造见图5-20所示。当梁两侧的楼板标高不一致需要降板处理时，可在降板一侧的梁腹板上焊角钢；桁架钢筋混凝土叠合板与钢梁的连接构造见图5-21所示。图中给出了较为典型的两种连接做法，分别为单向板铺板不到支座的构造做法，以及单向板非受力边和双向板搭接的构造做法，单向板受力方向的支座连接同双向板支座构造。

图5-20　钢筋桁架楼承板与钢梁连接

图5-21　桁架钢筋混凝土叠合板与钢梁的连接

4）外墙板与主体结构的连接(www.xing528.com)

外墙板与主体结构的连接应构造合理、传力明确、连接可靠，并有一定的变形能力，能和主体结构的层间变形相协调，不应因层间变形而发生连接部位损坏失效的现象。

预制混凝土夹心保温外墙板与主体结构一般采用外挂柔性连接，常用的外挂柔性连接方式一般为四点支承连接（包括上承式和下承式），连接件的设计应综合考虑外墙板的形状、尺寸以及主体结构层间位移量等因素确定，具体的连接构造大都是预制混凝土夹心保温板生产企业自主研发的，现有的国家规范和图集还未给出统一的构造措施。图5-22是实际工程中外挂混凝土墙板的连接照片。

蒸压加气混凝土外墙板与主体结构的连接可采用内嵌式、外挂式和内嵌外挂组合式等形式，外挂式的连接见图5-23所示。一般来说，分层外挂式传力明确，保温系统完整闭合；内嵌式能最大限度地减少钢框架露梁、露柱的缺点，但需要处理钢梁柱的冷（热）桥问题。

图5-22　预制混凝土外挂墙板与主体结构的连接照片

图5-23　蒸压加气混凝土外墙板与钢梁的连接

5）钢柱与基础的连接

对抗震设防为6、7度地区的多层钢框架结构，采用独立基础时，结构柱脚的设计一般选择外包式刚接柱脚。当基础埋深较浅时，钢柱宜直接落在基础顶面，基础顶面至室外地面的高度应满足2.5倍钢柱截面高度的要求，如图5-24（a）所示；当基础埋深较深时，为节省用钢量，可将基础做成高承台基础，抬高钢柱与承台的连接位置，如图5-24（b）所示。外包式钢柱脚锚在基础承台上，基础承台的设计应满足刚度和平面尺寸要求，承台柱抗侧刚度不小于钢柱的2倍，钢柱底板边距承台边的距离不小于100 mm。

6）预制阳台板、空调板与主体结构的连接

鉴于钢结构构件装配连接的特点，可以很方便地实现悬挑次梁与主梁和钢柱的刚性连接，因此在钢结构建筑中，阳台板一般可与楼板同时铺设施工，无须预制。当采用预制阳台板时，与预制空调板类似，可首先通过预留钢筋与主体结构的楼板钢筋绑扎连接或焊接连接，然后浇筑混凝土与主体结构连为整体；预留负弯矩钢筋（上排钢筋）伸入楼板的水平长度搭接连接时不得低于1.1la。

图5-24　外包刚接柱脚与基础连接

7）其他需注意的设计要点

（1）考虑经济性和施工的方便性，钢框架结构的设计一般层数不多，对高度不超过50 m的纯钢框架结构，多遇地震计算时，阻尼比可取0.04，风荷载作用下的承载力和位移分析，阻尼比可取0.01，有填充墙的钢结构可取0.02，舒适度分析计算时，阻尼比可取0.01～0.015。

（2）为防止框架梁下翼缘受压屈曲，《建筑抗震设计规范》要求梁柱构件受压翼缘应根据需要在塑性区段设置侧向支撑杆即隅撑，见图5-25所示的主梁侧向隅撑，当钢筋混凝土楼板与主梁上翼缘有可靠连接时，只需在主梁下翼缘平面内距柱轴线1/8～1/10梁跨处设置侧向隅撑。

图5-25　隅撑布置图

图5-26　加劲肋布置图

实际工程中，由于建筑使用以及室内美观的要求通常会限制侧向支撑（隅撑）的设置。对明确不能设置隅撑的框架梁，首先可对钢梁受压区的长细比以及受压翼缘的应力比进行验算，若长细比λy≤60，或应力比σ/f≤0.4，则不设置侧向隅撑，否则可采用在梁柱节点框架梁塑性区范围内增设横向加劲肋的措施来代替隅撑，见图5-26所示。

（3）考虑P-Δ重力二阶效应，为保证钢框架的稳定性，钢框架结构的刚度应满足下式要求：

式中：Di——第i楼层的抗侧刚度（KN/mm），可取该层剪力与层间位移的比值；

　　　hi——第i楼层层高；

　　　Gj—第j楼层重力荷载设计值（KN）。取1.2倍的永久荷载标准值与1.4倍的楼面可变荷载标准值的组合值。

对组合框架，考虑钢管内混凝土开裂而导致的刚度折减，建议设计时组合框架的刚度满足Di≥7.5Gj/hi的要求。

（4）对于钢结构，框架梁的梁端弯矩一般不进行调幅设计，调幅系数取值1.0；但除却与支撑斜杆相连的节点、柱轴压比不超过0.4的节点以及柱所在楼层的受剪承载力比相邻上一层的受剪承载力高出25%的节点，钢框架节点处也应满足“强柱弱梁”原则。在工程设计中，应注意柱距的布置宜均匀，避免因柱距过大导致梁截面尺寸过高，在柱截面尽量统一的原则下，“强柱弱梁”难以实现的现象。

（5）当框架柱采用矩形钢管混凝土柱时，应注意需按空矩形钢管进行施工阶段的强度、稳定性和变形验算。施工阶段的荷载主要是混凝土的重力和实际可能作用的施工荷载。