背景
研究背景
为推动供给侧结构性改革和新型城镇化发展，节约资源能源，减少建筑污染，提高劳动生产率和质量安全，改善农村人居环境，加快美丽乡村建设，各地相继出台了一系列相关政策文件，鼓励农村建筑采用装配式建筑。响应大力发展装配式建筑、改善农村居民居住环境的相关政策要求，轻钢结构因施工速度快、自重轻、可扩展、抗震性能好、环境影响小、施工周期短等特点，得到了广泛的应用。传统钢构件的连接主要采用焊接、螺栓连接。
但焊接连接技术相对复杂，需要专业的焊接技术人员，另外焊接残余应力和残余变形较大，同时对于薄壁钢材料来说，容易烧穿构件，影响构件质量。螺栓连接虽然可以克服以上缺陷，但对安装精度要求较高，稍有偏差，就很难用螺栓将8个连接件连接在一起。为此，天津大学陈志华教授提出了一种自攻螺钉节点连接的轻钢框架结构体系。该结构体系所有节点均采用自攻螺钉连接，即事先在连接件上钻孔，然后用手枪钻钻自攻螺钉，将连接件与薄壁钢构件钉在一起，实现构件间的连接，如图1所示。
a—斜梁与柱一连接；b—斜梁与柱二连接；c—次梁与斜梁连接。
图1 自攻螺钉连接梁柱节点示意图
文章结合德胜村装配式钢结构住宅，探讨了这种新型村镇轻钢框架结构体系，包括自攻螺钉连接节点、方钢管组合异形柱等，具体介绍了自攻螺钉节点连接的设计方法，并给出了相应设计、施工的关键技术，可为类似村镇住宅提供工程参考。
研究内容
研究内容
1 项目概况
德胜村装配式城镇住宅钢结构住宅是装配式城镇住宅生态结构体系研究示范项目，位于河北省张家口市德胜村，建筑高度7.75m，总建筑面积189m2，共两层，采用自攻螺钉节点连接的轻钢框架结构体系。图2为项目竣工图。
图2：德胜村装配式钢结构房屋竣工示意图
本示范项目建筑设计使用年限为70年，建筑结构安全等级为二级，抗震设防类别为丙级，抗震设防烈度为7度（0.10g），设计地震组别为Ⅱ组，防火等级为二级，建筑场地为三级，基本风压为0.55kN/m2（50年重现期）。
德胜村装配式联排别墅钢结构结构部分主要由方钢管组合异形柱、钢管柱、H型钢梁、螺旋钢桩、连接板、自攻螺钉等组成。方钢管组合异形柱由两根截面尺寸为100×200×5、100×100×5的钢柱和连接板通过自攻螺钉组装而成。其余钢管柱截面尺寸分别为150×150×4、150×200×5。H型钢梁截面尺寸分别为150×100×3.2×4.5、200×100×3.2×4.5、200×150×3.2×6。构件材质为Q235B。基础采用3m长螺旋桩，设有2个桩帽和4个桩帽。
2 钢结构及节点设计
2.1 结构设计
德胜村装配式联排别墅钢结构采用PKPM软件进行设计，方钢管组合异形柱按等主轴刚度、等截面面积两种条件采用等效截面法建模，梁柱节点、柱脚节点均为半刚性节点。考虑到等效变换后的计算模型与实际结构还是有些差别，且由于异形柱长度较大，与梁相交时梁柱搭接较大，导致梁的计算长度减少，导致荷载计算不安全。参考相关文献，根据软件计算结果对柱的内力乘以1.1左右的放大系数，适当考虑其影响。根据GB 50018-2002《冷弯薄壁型钢结构技术规范》，应力比取基本荷载组合，变形与反力取标准荷载组合。表1是该软件计算的结构指标汇总。
表 1 指标概要
2.2 节点设计
中国、北美、英国标准均对自攻螺钉的剪切承载力做出了具体的计算方法，如表2所示。根据表2中各国标准中单个自攻螺钉的剪切承载力计算方法，对自攻螺钉材料性能试验得到的螺钉实际剪切承载力进行对比（图3）。可以看出，按中国标准计算的螺钉剪切承载力与实际试验值相比，有不同的波动，误差较大；按北美标准计算的螺钉剪切承载力大于实际试验值，总体是不安全的；按英国标准计算的螺钉剪切承载力小于实际试验值，具有一定的安全储备，因此按英国标准进行节点剪力设计。
表2 各国自攻螺钉抗剪承载力设计方法
图3 自攻螺钉材料试验剪切承载力对比
中国、北美及欧洲标准均提出了单根自攻螺钉抗拔承载力的计算方法，主要考虑了板材厚度、钢材强度、螺钉直径等因素的影响，如表3所示。依据表3中各国标准中单根自攻螺钉抗拔承载力的计算方法，对自攻螺钉材料性能试验得到的螺钉实际抗拔承载力进行对比（图4）。可以看出，中国及北美标准计算得到的螺钉抗拔承载力与实际试验值相比pkpm钢结构设计系列软件应用与实例下载，有不同的波动，安全性较低；欧洲标准计算值与试验值最为接近，工程应用安全，故按欧洲标准进行节点抗拔设计。
表3 各国自攻螺钉抗拔承载力设计方法
图4 材料性能试验自攻螺钉抗拔承载力对比
考虑到自攻螺钉在工程应用中多以螺钉组连接形式存在，相关文献指出螺钉组承载力小于单钉连接承载力的n倍，即螺钉组连接存在“组缩减效应”。实际工程设计中可采用文献提出的螺钉组效率系数考虑“组缩减效应”，厚板系列取0.60～0.90，薄板系列取0.70～1.00。为保证连接具有足够的安全储备，本工程设计中缩减系数取0.7。钢构件厚度为4、5 mm，连接板厚度为3 mm，自攻螺钉型号为st5.5。通过插值可得单钉抗剪承载力设计值为7.73 kN，抗拔承载力设计值为4.43 kN。
结合PKPM软件导出的结构剪力图和弯矩图，采用等强度设计理念，根据H型钢梁的剪切和弯曲屈服强度布置节点处的自攻螺钉。梁端剪力完全由腹板处的自攻螺钉承担，梁端弯矩（即螺钉的拉拔力与螺钉到梁中和轴距离的乘积）完全由翼缘处的自攻螺钉承担。节点处自攻螺钉的布置应保证满足节点处的剪切和弯曲要求。节点设计详图如图5所示。考虑到自攻螺钉在钻孔过程中会因材料问题被钻断，在施工时在螺钉被钻断的连接板腹板处设置5mm的角焊缝，以增强结构的可靠性。
a—梁柱节点细部图；b—主梁、次梁节点细部图；c—斜梁、斜梁节点细部图。
图5 节点设计细节mm
3 设计与施工关键技术
3.1 装配式农房BIM正向设计
为了解决农家住宅缺乏设计的问题，本项目引入了装配式农家住宅结构模型智能生成方法。如图6所示，该方法将结构设计方案和计算融入建筑信息模型中，利用BIM正向设计的理念指导农家住宅的设计和建造。其核心思想是利用自动化程序和智能优化算法，用计算机代替设计师的工作，从而提供一套简便、经济、高效的农家住宅设计方法。
图6 BIM正向设计流程
选取我国自主研发的BIMbase平台，建立适用于装配式农房的结构构件库。以构件库中的构件为基本单元，通过BIMbase平台和SATWE软件的二次开发，实现BIMbase三维模型的快速建模。BIMbase三维模型与SATWE二维模型的自动相互转换及以用钢量为目标的智能结构优化如图7所示。
图7 装配式村镇房屋结构模型智能生成流程
基于BIMbase平台和pyp3d数据库，利用Python编程语言建立了一套适用于装配式农房的结构构件库，构件库中既包括几何尺寸任意可调的参数化构件，也包括符合装配式农房结构体系、可直接用于模型组装的标准化构件，以标准化构件编码为索引，可方便调用构件库中的构件进行BIMbase三维模型建模。
BIMbase三维模型与SATWE二维模型的自动转换，以组件为基本单位实现模型转换，通过Python语言提取BIMbase三维模型中的关键信息并自动转换成SATWE二维模型信息，以及SATWE可以读取的基于C#语言的SATWE二维模型源文件，实现模型的自动转换和计算分析功能。
该智能结构优化方法基于模拟退火算法，以结构总用钢量为优化目标，在保证结构满足设计要求的前提下，以构件为基本单元对结构设计方案进行优化。通过对SATWE软件进行二次开发，算法可自动调用SATWE软件计算结果并进行迭代求解，最终输出算法优化后的结构设计方案及对应的SATWE二维模型。
3.2简易施工异形柱装配技术-方钢管组合异形柱
异形柱结构采用化整为零的理念，将多根小截面单柱组合起来，可以避免框架柱在室内的突出，增加建筑的使用面积。传统异形柱多采用钢管混凝土组合异形柱。考虑到农村施工条件相对落后，农村住宅建筑体量较小，荷载简单，为避免使用大型机械设备，本项目仅在手工劳动和使用简易施工工具的条件下完成，提出了简易施工异形柱装配技术。
本简易施工异形柱装配技术采用常规截面尺寸的方形钢管，结合L型连接板、普通连接板作为异形柱的主要连接件，如图8所示。连接件具体尺寸、数量根据实际具体工程情况调整。施工简便，连接可靠，成本低廉。满足了本工程对村镇结构体系低成本、易施工的要求，便于村镇低成本装配式生态住宅的广泛推广。
a—普通连接板；b—L型连接板。
图8 方钢管组合异形柱
本工程采用两根截面尺寸为100 mm×200 mm、100 mm×100 mm的方钢柱拼装异形柱，柱脚设置16 mm厚钢板，与异形柱体采用角焊缝连接，同时在柱底部设置多根引导梁，增加连接的可靠性和稳定性。另外考虑到方钢管长度固定（通常为3 m或6 m），为了农村住宅建设标准化、简单化，异形柱以1 m等间隔布置L型连接板和普通连接板，连接板的开孔数量根据PKPM软件柱各部位内力设定。同时，可通过增大连接板尺寸、增加梁、柱脚处自攻螺钉布置等方式增加结构的可靠性。
3.3 装配式螺旋钢桩帽节点技术
考虑到德胜村地下有2m深冻土，采用新型基础——螺旋钢桩，替代传统的钢筋混凝土浇筑施工工艺，使建筑结构更加灵活。螺旋钢桩是针对扭桩反复研究开发的一种新型基础结构，施工工艺节省了地面平整、弃土处理、开挖等施工费用，大大缩短了施工工期，可应用于装配式村镇住宅基础施工。
由于实际工程中上部结构柱脚形式各异，本工程综合考虑桩间距、整体刚度、板材用量、螺栓位置配伍性等设计要点，设计提出了组装式螺旋桩帽及相应的螺旋桩与桩帽的施工安装工艺。依据DB37/T 5158-2020《地螺旋微型钢管桩技术规范》，对单根螺旋钢管桩的竖向极限承载力进行估算，见公式（1）。
式中：qsik为桩侧第i层土体极限侧阻力标准值；qpk为螺旋钢桩端极限端阻力标准值；u为桩身直杆段周长；Ap为桩端螺旋外面积；li为桩侧第i层土体厚度；βsi为连续螺纹段极限侧阻力标准值修正系数。
结合地质勘探报告及规范给出的规格表，忽略冻土提供的侧摩阻力，选用尺寸为140 mm×3 m、螺纹宽度为40 mm的螺旋钢桩，其单桩竖向极限承载力约为100 kN。螺旋钢桩由法兰、钢筋角钢和钢管组成，如图9所示。法兰与承台连接，将力传递给桩身，同时设置钢筋角钢，防止法兰变形或局部剪切。钢管有无螺纹钢管和螺纹钢管两种，前2 m为无螺纹段，用于跨越冻土区域，减少土体冻胀对地基的影响；后1 m为螺纹段，用于提供桩侧阻力。考虑柱底螺旋桩的布置及较长地梁跨中位置，根据PKPM计算的恒载加活载工况下的柱底反力确定每柱底部的桩数。为保证柱底反力传递至下部桩基础，设计四桩承台和两桩承台作为传力节点。承台由顶板、肋条、连接圆管组成，顶板采用20 mm厚钢板，肋条采用12 mm厚钢板，肋条高度为200 mm，连接圆管为φ140×6圆管。图10为本工程螺旋钢桩布置情况，图11为本工程采用螺旋钢桩承台的模型效果。
图9 螺旋钢桩
图10 螺旋钢桩位置布置图
a—两个桩帽；b—四个桩帽。
图11 桩帽模型效应
3.4简化节点连接安装技术-自攻螺钉连接节点
村镇住宅多为低层建筑，竖向荷载和水平荷载较小，一般采用轻钢结构体系即可满足设计要求。为保证构件间连接可靠，满足施工简便的要求，提高施工安装效率，应选择合理的连接方式。采用自攻螺钉连接时，用手电钻将自攻螺钉旋入薄壁钢构件较容易，同时该连接方式对安装精度要求低，不需要借助精密的测绘仪器即可完成构件的连接。
为了达到低成本、施工简便的预期目的，本工程所有框架节点均采用自攻螺钉连接，如图12所示，即在连接件上预先钻孔，然后用手钻打入自攻螺钉，将连接件与薄壁钢构件钉在一起，实现构件间的连接。除框架梁柱节点外，主梁与次梁、次梁与檩条间也采用自攻螺钉连接。结合梁柱跨度及结构动静载大小，楼面板、屋面板选用24mm厚纤维水泥压板，采用自攻螺钉固定，可在其上进行二次施工。该节点简化连接安装技术具有绿色环保、方便快捷、节省成本等多方面的优势，满足了当前农村居民的住房需求。
a—地梁与柱连接节点；b—首层梁与柱连接节点。
图12 自攻螺钉框架连接节点
综上所述
结论
本文以德胜村钢结构房屋为例，从村镇交通、施工条件落后的角度，对村镇装配式房屋生态结构设计与建造技术进行研究，得出以下结论：
1）本工程为自攻螺钉节点连接的轻钢框架结构体系，采用PKPM软件进行结构设计及校核，设计指标满足相关规范要求。通过对比各国规范中螺钉承载力计算方法，按英国规范进行节点抗剪设计，按欧洲规范进行节点抗拉设计，可为相关工程设计提供参考。
2）本项目在设计阶段采用了装配式农居建筑BIM正向设计技术，基本实现了农居结构设计全过程的自动化、免图纸化，为农居结构设计提供了简便、经济、高效的解决方案。
3）本项目在施工阶段，采用了简易施工异形柱装配技术、装配式螺旋钢桩基础节点技术、简化节点连接安装技术，满足了新型农村住宅建筑绿色环保、施工简便、经济效益优良的内在要求，具有良好的发展前景。
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关于作者
陈志华
天津城建大学副校长
天津大学二级教授、讲座教授、博士生导师
《钢结构》（中英文版）编委
博士
国家十万人才、天津市杰出人才、天津市杰出学者、国务院特殊津贴专家、天津市科协常委、全国百篇优秀博士论文指导老师、首届中国钢结构杰出人才、天津市工程勘察设计大师，荣获2019年中华人民共和国成立70周年奖章。现任天津大学土木工程学院钢结构研究所所长，兼任中国建筑金属结构协会铝结构分会理事长、中国钢结构协会专家委员会副主任、中国建筑业协会钢木分会副理事长、天津市钢结构学会会长、天津市钢结构协会会长。发表SCI论文126篇，EI论文216篇。作为负责人获得国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步一等奖6项、发明专利36项，研究成果应用于十三运会系列场馆、天津文化中心重点工程、国家会展中心（天津）等百余项大型基础设施建设项目。
周婷
天津大学建筑学院副教授、博士生导师
1984年出生，中共党员，毕业于天津大学土木工程学院结构工程专业。现为天津大学建筑学院副教授，兼任天津市钢结构学会副秘书长。主持国家自然科学基金等科研项目14项，发表论文60余篇，其中SCI收录论文（第一/通讯）20篇，授权专利31项，获省部级科技奖6项。入选第二批天津市青年人才支持计划、天津市“131”创新人才、天津大学“北洋学者·青年骨干教师”。主要从事钢结构住宅建筑体系研究。作为主要研究人员之一，研制出一种矩形钢管混凝土组合异形柱结构，通过一系列试验研究和理论分析，明确了该体系的力学性能pkpm钢结构设计系列软件应用与实例下载，建立了一套完整的设计方法，研制出了一种支撑围护体系和建筑结构。作为主要起草人之一，将体系研究成果纳入T/CECS 825-2021《矩形钢管混凝土组合异形柱结构技术规范》，目前该体系已应用于20余万平方米住宅项目，荣获天津市专利奖金奖，入选“建筑业十大新技术（2017年版）”。
闫翔宇
天津理工大学教授、硕士生导师
博士
兼任天津市钢结构协会副秘书长、中国钢结构协会专家委员会专家委员。从事预应力钢结构、空间结构、装配式住宅钢结构、海上光伏清洁能源布局选择优化与结构智能化建造技术的技术研发、推广应用和人才培养工作。主持或参与国家和地方科研项目十余项，负责完成2022年冬奥会冰上比赛场馆、沧州富康家园钢结构住宅楼等数十项大跨度空间结构工程和装配式钢结构住宅工程。获国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步特等奖2项、一等奖4项、专利金奖1项；获行业优秀设计奖一等奖2项、二等奖4项、省部级优秀设计奖一等奖10余项；主持或参与编制国家、地方标准、图集等17项，获得授权专利22项，出版著作2部，在国内外期刊发表学术论文80余篇，培养研究生10余名，荣获2019年度天津大学优秀硕士学位论文指导老师、第十五届天津市青年科技奖等荣誉称号。
