預制裝配混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點連接方式研究綜述

秦童 劉英利

摘 要：隨著我國建筑工業(yè)化的發(fā)展，預制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)得到了快速的發(fā)展。本文對比了預制混凝土與現(xiàn)澆混凝土的優(yōu)缺點，總結(jié)了預制裝配混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點連接方式的分類，分析了各種梁柱節(jié)點連接方式的研究現(xiàn)狀，探討了需要進一步研究的關(guān)鍵問題和未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：預制裝配混凝土；梁柱節(jié)點；連接方式

0 前言

在我國，建筑行業(yè)成為了能耗大戶，建筑行業(yè)能耗至少占全社會能耗的1/3，而建設(shè)階段的能耗又占了建筑總能耗的1/2以上。針對建筑行業(yè)現(xiàn)存的作業(yè)方式傳統(tǒng)、工業(yè)化水平低、能耗高污染大等弊端，國家提出建筑節(jié)能減排和住宅產(chǎn)業(yè)化的國家發(fā)展戰(zhàn)略，力圖消除制約建筑工業(yè)化發(fā)展進程的瓶頸。所謂建筑工業(yè)化是指采用集約化、工廠化的流水線作業(yè)方式完成大部分構(gòu)成建筑的構(gòu)件、部件、設(shè)備的預制生產(chǎn)，然后運至施工現(xiàn)場進行整體裝配集成的一種現(xiàn)代建筑方式。歐美等發(fā)達國家從上世紀40年代開始就已經(jīng)逐步推進建筑工業(yè)化進程，特別是日本，其建筑工業(yè)化率已經(jīng)超過70%，擁有系統(tǒng)的、先進的、成熟的技術(shù)支持。

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)具有建造工期短、產(chǎn)品質(zhì)量高、能源損耗低、環(huán)境污染小等優(yōu)勢，是實現(xiàn)建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。而裝配式混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展的一個重要制約因素是節(jié)點連接問題。對于裝配式框架結(jié)構(gòu)，梁柱節(jié)點更是尤其重要，它對裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能有直接的影響。

1 預制混凝土與現(xiàn)澆混凝土的優(yōu)劣分析

即使現(xiàn)澆混凝土憑借其優(yōu)越性在當今大多數(shù)工程施工中扮演著重要的角色，但也不可否認其在工程實施中暴露的缺陷。當遇到耗費勞動力多，勞動效率比較低，工程質(zhì)量難以保證[1]等問題時，預制混凝土的優(yōu)勢便顯現(xiàn)出來了。

預制混凝土，區(qū)別于現(xiàn)澆混凝土，是指澆筑地點并不在施工現(xiàn)場，而是先在其他地點將混凝土澆鑄成單個的構(gòu)件后運至施工現(xiàn)場后進行拼接或組裝成建筑結(jié)構(gòu)。預制混凝土如今已經(jīng)在全世界的范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，如在洪都拉斯San Pedro Sula市的預制預應(yīng)力混凝土懸索行人橋[2]，美國北卡洛林娜州Charlotte市IJL金融中心[3]等。下面是預制混凝土與現(xiàn)澆混凝土的對比，見下表。

2 梁柱節(jié)點的連接類型

框架結(jié)構(gòu)的梁柱連接也稱為梁柱節(jié)點或框架節(jié)點，主要指框架梁與框架柱相交的節(jié)點核心區(qū)及靠近核心區(qū)的梁端和柱端[4]。根據(jù)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的施工方式，其節(jié)點連接可以劃分為濕連接和干連接兩種。在兩連接構(gòu)件之間灌注水泥漿或現(xiàn)澆混凝土的連接方式為濕連接。而干連接則不需現(xiàn)澆混凝土，它的連接是通過預埋在構(gòu)件內(nèi)的鋼板或者某些鋼部件，經(jīng)過焊接或螺栓連接而成的。

2.1 預制裝配式框架的干連接

2.1.1 牛腿連接

牛腿憑借較高承載力并且能夠可靠的傳遞豎向力，是應(yīng)用較為普遍的一種干連接方式。一些大空間建筑，如單層或多層廠房等，需要承載力較高的連接方式而對美觀性方面要求較低，故多采用有較高承載力的明牛腿。而對于建筑要求比較高的民用住宅或者商業(yè)用房中多將牛腿做成不影響美觀的暗牛腿[5]。目前應(yīng)用的暗牛腿連接方式有很多種，常見的有型鋼暗牛腿、混凝土暗牛腿等。

（1）明牛腿連接。在預制裝配式多層廠房中明牛腿節(jié)點的連接方式占了很大的比重，如圖1所示。明牛腿節(jié)點有很多優(yōu)點，其承載力大，節(jié)點剛性好，在安裝方面也方便快捷。應(yīng)用明牛腿的連接方式有兩種，即可剛接又可鉸接，構(gòu)造細節(jié)是不一樣的。但是由于明牛腿主要考慮的是承載力等性能而忽視了美觀并且相對來說占用空間較大，所以明牛腿只應(yīng)用于對美觀要求較低的建筑，如廠房和吊車梁支座等。

（2）暗牛腿連接。當民用住宅或商業(yè)用房對于建筑美觀有較高要求時，往往把柱子的牛腿做成既不影響美觀又不影響空間的暗牛腿，如圖2所示。由于考慮構(gòu)件的美觀使得構(gòu)件的力學性能會受影響，尤其是對構(gòu)件的動力特性不利。梁端與牛腿的配筋有時會很復雜。比如用一半的梁高度來承擔剪力，而另一半的梁高度用來做出柱子的牛腿，還要牛腿的邊緣在梁邊緣的范圍內(nèi)時，配筋就會比較復雜。所以這樣的節(jié)點連接方式仍然有局限性。

（3）型鋼暗牛腿連接。型鋼牛腿適用于剪力較大的情況，此時梁高的一半已經(jīng)不足以承受全部的剪力。遇到此種情況應(yīng)該減小暗牛腿的高度，來增加梁端缺口處梁的高度，這樣其抗剪能力就能大大提高了[6]。有些型鋼暗牛腿在制作過程中把型鋼用混凝土包裹起來，這種牛腿在外觀上與普通現(xiàn)澆牛腿基本相同。而不用混凝土包裹的牛腿，可以直接把型鋼伸出來，也可以把型鋼伸到梁端的內(nèi)部。當型鋼伸到梁內(nèi)部時，連接處側(cè)面的接縫，可以隱藏起來。但是考慮到明火和腐蝕的情況，安裝后的灌縫工作必須仔細的完成，如圖3所示。

2.1.2 鋼吊架式連接

鋼吊架式連接的用鋼量比較少。鋼吊架式連接區(qū)別于其他干連接的一其顯著優(yōu)點是其柱子的模板制作較為簡單。在實際工程中，偶然出現(xiàn)的偏心荷載會引起梁的扭曲，鋼吊架式連接恰好可以阻止此種情況的發(fā)生。如圖4就用了位于鋼吊架下方外伸的插銷來阻止這種情況發(fā)生。

該連接方式的缺點是連接構(gòu)件較多且承受能力相對較弱，從而構(gòu)造相對復雜，相應(yīng)的也就對施工質(zhì)量和安裝精度有較高的要求。所以鋼吊架式連接不能承受比較大的荷載[7]。

2.1.3 焊接連接

焊接連接的優(yōu)點是避免了傳統(tǒng)濕連接等方式的灌漿和養(yǎng)護環(huán)節(jié)從而節(jié)省了工期。缺點是焊接連接方法中無明顯的塑性鉸設(shè)置，焊接縫在反復地震荷載作用下容易發(fā)生脆性破壞，故該連接方式的抗震性能不理想[8]。但是對于塑性鉸設(shè)置良好的焊接接頭，其優(yōu)點非常顯著，故當前干式連接構(gòu)造的發(fā)展方向包括開發(fā)變形性能較好的焊接連接構(gòu)造。在施工中應(yīng)該充分安排好相應(yīng)構(gòu)件的焊接工序從而減小焊接的殘余應(yīng)力并使焊接有效。如圖5所示。

2.1.4 螺栓連接

螺栓連接的優(yōu)點是安裝快速利落。其缺點是在預制時的制作精度要求較高，不允許出現(xiàn)偏差，而且必須極為小心的保護來避免運輸及安裝過程中出現(xiàn)的受彎、受損和污染，一旦出現(xiàn)了破壞，其更換或維修的施工操作將比較復雜[9]。圖6所示連接為牛腿和螺栓連接的組合應(yīng)用，圖6（a）所示為明牛腿和預制梁用螺栓連接的情況，圖6（b）為暗牛腿的方式。6（a）和圖6（b）連接方式可以抵抗較小的梁端彎矩和扭矩，屬于鉸接。

2.2 預制裝配框架的濕連接[10]

濕連接是指通過現(xiàn)澆混凝土將預制構(gòu)件或預制構(gòu)件與現(xiàn)澆構(gòu)件連接在一起形成框架結(jié)構(gòu)。圖 7為常用的幾種濕連接形式。

圖7（a）中，梁為預制混凝土梁，預制樓板放在預制梁上，在梁和樓板的表面，梁柱節(jié)點的核心區(qū)域及柱內(nèi)布置鋼筋，然后澆搗混凝土，預制梁與面層現(xiàn)澆混凝土通過鋼筋連接作用形成疊合梁共同工作。這樣做減少了現(xiàn)場模板的工作量，但是梁底外伸的縱向鋼筋在節(jié)點核心部分的錨接施工比較困難，所以柱子的尺寸要比梁的大一些。此外由于梁柱節(jié)點核心區(qū)配筋比較密實，所以這部分混凝土不容易澆搗密實。

圖7（b）與圖7（a）不同的是，梁、柱均為預制構(gòu)件，在預制梁、板的表面和梁柱節(jié)點核心區(qū)澆搗混凝土，上下柱內(nèi)的縱筋則是穿過金屬套筒，然后灌漿連接在一起。這種方式現(xiàn)場澆搗工作量少，但也無法避免梁底縱筋錨固和節(jié)點核心區(qū)混凝土澆搗的問題。

3 結(jié)論

（1）預制混凝土框架結(jié)構(gòu)是一種非常重要的框架施工方法，相對于其它方法，其優(yōu)點有構(gòu)件制作精確、施工較為簡易、施工周期短、減免濕作業(yè)等諸多優(yōu)點。在未來建筑業(yè)的發(fā)展中，預制混凝土結(jié)構(gòu)將會扮演非常重要的角色。

（2）由于梁柱節(jié)點連接形式的多樣性，目前預制混凝土結(jié)構(gòu)并沒有較為成熟的連接方式，規(guī)范不同也導致不同的連接形式分類，希望盡快出臺將梁柱節(jié)點連接分類形式統(tǒng)一劃分的更完整的規(guī)范以便于今后研究人員能進行更深入的研究。

（3）國內(nèi)外關(guān)于預制混凝土梁柱節(jié)點連接的研究還處于探索階段，但隨著建筑產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我們需要加快對于預制混凝土框架節(jié)點連接的研究并盡快做到深入和完善，這樣才能與時俱進并使建筑行業(yè)發(fā)展的更快更好。

參考文獻：

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[10]雎文靜.預制混凝土框架結(jié)構(gòu)的連接方法概述[J].四川建材，2011（06）：38-41.

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51278164）。

作者簡介：秦童（1990-），女，河北唐山人，在讀研究生，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。