裝配式柱-柱節(jié)點(diǎn)連接方式研究綜述

嚴(yán) 熔，魏文暉

(武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

裝配式建筑是指部分或者全部的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在工廠預(yù)制,施工時將預(yù)制構(gòu)件運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場進(jìn)行組建。裝配式建筑因其施工周期短、濕作業(yè)少等優(yōu)點(diǎn)逐漸得到廣泛的應(yīng)用。其中，柱子是整個建筑的重要受力構(gòu)件，因此裝配式柱成為裝配式建筑研究的重點(diǎn)對象。但是，我國大部分裝配式柱-柱節(jié)點(diǎn)連接仍采用濕式連接，干式連接在理論方面的研究還比較滯后。干式柱-柱連接節(jié)點(diǎn)有待做進(jìn)一步探討。

1 裝配式框架結(jié)構(gòu)柱-柱連接節(jié)點(diǎn)研究

1.1 國外研究

1987年，美國學(xué)者提出預(yù)制“混合型”框架結(jié)構(gòu)體系，該體系是將梁的預(yù)應(yīng)力筋和普通鋼筋穿入柱的預(yù)留孔道中,再對梁端或者柱內(nèi)的普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行搭接,最后灌漿封閉預(yù)留孔道。1995年，Loo Y C[1]等對PCI手冊中的兩類預(yù)制梁柱連接節(jié)點(diǎn)做了靜力荷載試驗(yàn)研究和單調(diào)往復(fù)荷載試驗(yàn)研究。通過研究得出，PCI手冊中的這兩類預(yù)制梁柱連接節(jié)點(diǎn)的承載力、延性和耗能能力相對高于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)。同年，對于預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆式混凝土結(jié)構(gòu)，Haluk S[2]等計(jì)算了兩者的地震響應(yīng)。通過研究得出，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)差別不大，同時，“強(qiáng)柱弱梁”可以減少兩種結(jié)構(gòu)之間的差異。2004年，James F[3]針對螺栓節(jié)點(diǎn)連接的動力性能做了相應(yīng)的研究。近年來，機(jī)械連接裝置的研發(fā)取得了很大進(jìn)步，采用機(jī)械套筒連接鋼筋能有效用于水平和豎向構(gòu)件。對于預(yù)制柱，先將套筒埋入預(yù)制柱內(nèi)，然后灌入專用高強(qiáng)、無收縮灌漿料，達(dá)到高于鋼筋母材強(qiáng)度的連接效果。

1.2 國內(nèi)研究

2006年，黃祥海[4]總結(jié)了干式連接的種類，并做出相應(yīng)的改進(jìn)，同時對全預(yù)制裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)提出了新的思路。2008年，羅青兒[5]等對榫式連接接頭進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對傳統(tǒng)的縱筋的連接方式和榫頭的材料作了改進(jìn),將柱縱筋的焊接連接改為滾軋直螺紋套筒連接,同時用鋼管混凝土榫頭代替鋼筋混凝土榫頭。通過反復(fù)荷載試驗(yàn)得到，這種改進(jìn)后的榫式接頭的承載力和延性與整澆柱相差不大，安全可靠，可用于實(shí)際施工。2013年，王建[6]等提出了結(jié)合高強(qiáng)螺旋箍筋和鋼板筋設(shè)計(jì)的套筒灌漿連接柱，并對該柱和現(xiàn)澆鋼筋混凝土柱作了低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，最后采用有限元模擬。通過試驗(yàn)對比可得，套筒灌漿連接柱的強(qiáng)度、延性和耗能性能均不低于現(xiàn)澆柱。

2 裝配式柱-柱連接節(jié)點(diǎn)種類

柱-柱連接節(jié)點(diǎn)的連接形式主要有榫式接頭、漿錨接頭、焊接接頭、螺栓接頭等。

2.1 榫式接頭

榫式接頭屬于濕式連接，該接頭上節(jié)的柱底部有凸出的鋼筋混凝土榫頭，如圖1所示。制作榫式連接柱時，上、下節(jié)柱應(yīng)外伸一定長度的鋼筋，伸出的長度宜大于25倍鋼筋直徑。安裝時，對準(zhǔn)上、下節(jié)柱的外伸鋼筋，并用剖口焊加以焊接，最后在接頭處澆高強(qiáng)度混凝土。當(dāng)接頭處混凝土達(dá)到75%設(shè)計(jì)強(qiáng)度時，可進(jìn)行上一層構(gòu)件的安裝。

2.2 錨漿接頭

錨漿接頭如圖2所示，制作錨漿連接柱時，要在下節(jié)柱頂部預(yù)留孔道，孔道直徑應(yīng)大于兩倍的鋼筋直徑，孔道深度約350～700 mm，上節(jié)柱底部外伸長約300～700 mm的錨固鋼筋。安裝時，清洗下節(jié)柱的預(yù)留孔道，然后往孔道中灌入快凝砂漿，并在下節(jié)柱頂部鋪10 mm左右的砂墊層，最后將錨固鋼筋插入灌有砂漿的預(yù)留孔道中。也可以先將錨固鋼筋插入預(yù)留孔道中，隨后再對預(yù)留孔道進(jìn)行灌漿操作。

2.3 砂漿連接接頭

這種接頭不需要將上下柱縱筋焊接,柱子相對接后澆以砂漿即可,如圖3所示。安裝時，將銷釘插入下柱槽口，再往槽口灌漿直至砂漿溢出并均布在連接面上。采用鋼銷釘和定位鋼板可以方便吊裝。砂漿連接接頭是一種鉸接接頭，僅適用于全接截面不出現(xiàn)拉力的情況。

2.4 焊接接頭

焊接接頭是將上、下節(jié)柱的鋼筋和預(yù)埋鋼板進(jìn)行焊接，在上、下節(jié)柱子完成對接后，再將鋼板貼焊在預(yù)埋鋼板處。預(yù)埋鋼板和焊縫易腐蝕，需要采取保護(hù)措施。焊接接頭施工方便、簡單，不需要養(yǎng)護(hù)，有利于現(xiàn)場施工，加快施工進(jìn)度。

2008年，汪梅提出與鋼結(jié)構(gòu)連接方式相似的干式齒槽連接方法,如圖4所示。在該柱的連接處焊接鋼板，利用鋼材較好的變形性能提高柱連接區(qū)域的變形能力，同時齒槽可以抵抗一定的水平荷載。

2.5 套筒灌漿連接接頭

鋼筋套筒灌漿連接方式屬于機(jī)械連接的一種，如圖5所示。這種連接方式簡捷、方便，不需要焊接等工藝。鋼筋分別從中空型套筒的兩端穿入，安裝時直接往套筒灌漿。套筒可以對灌漿料產(chǎn)生約束作用，此時套筒內(nèi)壁與灌漿料之間出現(xiàn)正向應(yīng)力，從而使得與灌漿料接觸的帶肋鋼筋出現(xiàn)表面摩擦力，傳遞鋼筋軸向應(yīng)力。國外發(fā)達(dá)國家普遍采用鋼筋套筒灌漿連接方式，特別是在抗震設(shè)防區(qū)的高層建筑中得到廣泛的應(yīng)用。

2.6 裝配整體式鋼筋焊接接頭

裝配整體式鋼筋焊接接頭是在蘇聯(lián)廣泛應(yīng)用的一種連接接頭,如圖6所示。根據(jù)柱子縱筋的不同數(shù)量，對柱端做出相應(yīng)的處理。例如柱端有四根鋼筋時，削去四個角的混凝土。為了使吊裝方便、準(zhǔn)確，在柱端中心處安裝定位鋼板。上、下柱對接后，焊接縱向鋼筋，然后放入箍筋，再澆筑混凝土形成剛性節(jié)點(diǎn)。

2.7 螺栓接頭

螺栓連接屬于干式連接，施工過程方便、快捷。但是螺栓接頭的承載力主要依靠螺栓的材料性能，在較大荷載作用下，容易出現(xiàn)開裂、整體撓度大等問題。

PCI手冊[7]中有三種螺栓連接方式，如圖7所示。這三種連接方式均利用預(yù)埋螺栓、預(yù)埋鋼板進(jìn)行連接，但是前面兩種連接方式過多地削弱了連接處的混凝土，對承載力造成了一定程度的影響。

3 結(jié) 語

20世紀(jì)70年代中期，美國在強(qiáng)烈地震區(qū)建立了大批預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)。但是我國在裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方面的研究和應(yīng)用都較少，沒有充分開發(fā)預(yù)制裝配式建筑施工周期短、施工便捷的優(yōu)勢。其中國內(nèi)梁-柱節(jié)點(diǎn)、柱-柱節(jié)點(diǎn)等的主要研究方向大部分是通過改變節(jié)點(diǎn)的連接形式來獲得更高的承載力，雖然節(jié)點(diǎn)形式越來越多，甚至可以做到與現(xiàn)澆一樣，但還是難以滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件”的要求。

大量的研究試驗(yàn)證明，與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的抗震性能相近的裝配式節(jié)點(diǎn)基本上都要進(jìn)行現(xiàn)場混凝土澆筑，這有悖于裝配式建筑便捷、快速的初衷。干式連接節(jié)點(diǎn)雖然大大縮短了施工周期，但與現(xiàn)澆式節(jié)點(diǎn)的抗震性能仍存在一定的差距。部分學(xué)者提出，采用高強(qiáng)混凝土可以提高節(jié)點(diǎn)的延性和抗震性能，所以可以從建筑材料方面著手，以此來提升裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的整體性。同時，減震、隔震技術(shù)也能夠大幅度提升建筑的抗震性能。因此，可以考慮將減震、隔震技術(shù)運(yùn)用到裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中。

除此之外,我國裝配式混凝土結(jié)構(gòu)仍存在許多亟待解決的問題:(1)預(yù)制的混凝土構(gòu)件質(zhì)量較大,增加了運(yùn)輸和現(xiàn)場起吊安裝的難度；(2)大部分裝配式連接節(jié)點(diǎn)處于試驗(yàn)階段，沒有完善的技術(shù)體系，缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；(3)生產(chǎn)、運(yùn)輸和安裝過程不規(guī)范，建筑質(zhì)量得不到保證。

我國裝配式的發(fā)展是一個漫長的過程，必須從點(diǎn)到面逐步完善，達(dá)到試驗(yàn)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工和安裝的一體化要求。不僅僅追求產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化，同時注重發(fā)展產(chǎn)品的多樣化，拓寬發(fā)展的渠道。同時，國家相關(guān)部門應(yīng)制定完善、合理的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，落實(shí)裝配式建筑設(shè)計(jì)施工過程中的各個要求，用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范我國的裝配式行業(yè)。

[1] Loo Y C,Yao B Z.Static and Repeated Load Test on Precast Concrete Beam-to-column Connections [J].Journal of Precast/Prestressed Concrete Institute,1995,40(2):106-115.

[2] Haluk S.Effect of Connection Rigidity on Seismic Response of Precast Concrete Frames[J].Journal of precast/prestressed Concrete Institute,1995,40(1):94-103.

[3] James F W,Eric G C.The Dynamics of Loosely Jointed Structures[J].International Journal of Non-Linear Mechanics,2004,39:503-514.

[4] 黃祥海.新型全預(yù)制裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)的研究[D].南京：東南大學(xué)，2006.

[5] 羅青兒，張仟朋，程文瀼，等.裝配整體式鋼筋混凝土框架柱榫式接頭的試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑，2008，38(10)：48-52.

[6] 王 建.套筒漿錨連接鋼筋混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2013.

[7] Prestressed ConcreteInstitute．PCI Design Handbook[M]．Second Edition.Chicago:the Precast/Prestressed Concrete Institute,1978.