裝配式梁-柱節(jié)點研究綜述

潘潭魯,尹洪濤,嚴(yán) 熔

(1.武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點實驗室，武漢 430070；2.中南電力設(shè)計院，武漢 430070)

由預(yù)制部品部件在工地裝配而成的建筑，稱為裝配式建筑。在裝配式建筑中柱和梁是整個建筑的重要受力構(gòu)件，因此梁柱成為裝配式建筑研究的重點對象。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點在設(shè)計時一般要符合受力合理、整體性好、施工方便等要求，其中它們的連接方式主要分為干式連接和濕式連接兩種，我國主要采用濕式連接，而干式連接在我國應(yīng)用不夠廣泛且技術(shù)尚不成熟。

1 裝配式框架結(jié)構(gòu)梁-柱連接節(jié)點研究

1.1 國外研究

Loo Y C和Yao B Z[1]對兩種預(yù)制鋼筋混凝土梁柱連接的強度和變形行為進(jìn)行了實驗研究，比較研究表明，兩種類型的預(yù)制混凝土連接表現(xiàn)令人滿意，因為它們的彎曲強度無一例外高于整體連接。此外，預(yù)制連接的延展性和能量吸收能力通常優(yōu)于其單片對應(yīng)物。梁柱連接的銷釘類型在歐洲是比較常見的，然而關(guān)于其抗震性能的知識是不完整的，并且知之甚少。Zoubek B[2]等學(xué)者為了分析銷釘機構(gòu)的失效，使用實驗研究的結(jié)果定義和校準(zhǔn)了FEA軟件ABAQUS中的數(shù)值模型,分析了循環(huán)以及單調(diào)響應(yīng)。

1.2 國內(nèi)研究

徐曉珂[3]提出了一種適用于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的高性能節(jié)點連接技術(shù)，介紹了這種新型連接節(jié)點裝置的構(gòu)造、工作原理和優(yōu)點，并對一22 層裝配式框架-核心筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力性能分析。程蓓等[4]等對高強螺栓型鋼連接節(jié)點進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗以考察其受力特性，利用有限元軟件ABAQUS 建立數(shù)值分析模型并與試驗結(jié)果進(jìn)行驗證對比，進(jìn)而利用有限元模型進(jìn)行參數(shù)分析，研究法蘭板厚度、肋板長度、肋板厚度等參數(shù)對螺栓型鋼連接節(jié)點的受力性能的影響，同時給出了針對這種連接節(jié)點的設(shè)計方法。吳從曉等[5]對裝設(shè)扇形鉛粘彈性阻尼器的預(yù)制裝配式混凝土框架梁柱節(jié)點進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，并與試驗結(jié)果進(jìn)行了對比，還對比分析了普通預(yù)制節(jié)點與消能減震梁柱節(jié)點的抗震性能，并分析了不同設(shè)計參數(shù)對消能減震節(jié)點構(gòu)件抗震性能的影響。章一萍等[6]設(shè)計了3 種新型后澆整體式梁柱節(jié)點，并對4個足尺梁柱節(jié)點進(jìn)行了低周往復(fù)試驗，發(fā)現(xiàn)這3種節(jié)點在強度和剛度方面能夠等同現(xiàn)澆節(jié)點。高向玲等[7]針對裝配式混凝土框架節(jié)點的連接方式，進(jìn)行了現(xiàn)澆節(jié)點、型鋼連接節(jié)點、套筒連接節(jié)點以及改進(jìn)的型鋼連接節(jié)點在低周反復(fù)荷載作用下的力學(xué)性能試驗，結(jié)果表明：改進(jìn)的型鋼連接節(jié)點的滯回環(huán)更加飽滿，極限承載力和耗能能力也是最優(yōu)的。

2 裝配式梁-柱連接節(jié)點種類

梁-柱連接節(jié)點的連接形式主要有明牛腿連接、暗牛腿連接、整體澆灌式連接、預(yù)應(yīng)力裝配式框架節(jié)點連接等。

2.1 明牛腿連接

明牛腿連接多用于單層或多層廠房中。這種節(jié)點承載力大，受力可靠，節(jié)點剛性好，施工安裝方便。

裝配式施工方法的早期，提出了暗銷明牛腿連接，如圖1所示。此種連接方式由牛腿處預(yù)埋鐵銷，梁端預(yù)留孔洞。預(yù)制梁和柱通過鐵銷連接之后，再進(jìn)行澆灌。該節(jié)點由于需要鐵銷和孔洞準(zhǔn)確對上，故對于施工和預(yù)制梁柱的制作都有較高的要求。東南大學(xué)周宇凌提出了一種混合裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架節(jié)點連接形式。該節(jié)點由預(yù)制梁、柱通過無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋拼裝而成。梁柱結(jié)合面采用PVA纖維混凝土砂漿灌縫連接。耗能角鋼通過高強螺栓分別與預(yù)制梁、預(yù)制柱連接，為防止張拉螺栓引起混凝土柱的局部壓碎，在耗能角鋼與柱構(gòu)件間設(shè)置鋼墊板。梁端一定長度內(nèi)及牛腿中設(shè)置了加密的焊接鋼筋網(wǎng)片，提高延性。預(yù)應(yīng)力明牛腿式連接形式如圖2所示。

2.2 暗牛腿連接

在住宅或商業(yè)用房中，牛腿應(yīng)盡量滿足建筑的要求，此時常把牛腿做成不影響美觀的暗牛腿。通過鐵銷連接的暗牛腿連接如圖3所示。在暗銷暗牛腿連接的基礎(chǔ)上，提出了型鋼暗牛腿連接，如圖4、圖5所示。型鋼可以減小暗牛腿的高度，相應(yīng)地增加梁端缺口梁的高度，以增加缺口梁梁端的抗剪能力。

2.3 整體澆灌式連接

在實際工程應(yīng)用中有一種比較常見的裝配式節(jié)點，即根據(jù)設(shè)計要求，僅預(yù)制梁、整根柱子和樓板通過現(xiàn)場澆筑混凝土來形成整體的裝配式節(jié)點，節(jié)點核心區(qū)的鋼筋采用彎折錨固和焊接連接，屬于半裝配式結(jié)構(gòu)。這樣的做法可以保證節(jié)點核心區(qū)混凝土的質(zhì)量，但鋼筋現(xiàn)場焊接質(zhì)量很難保證，同時由于現(xiàn)場澆筑量較大，致使施工周期長，同時需要臨時支撐和支模，加大了施工成本。在現(xiàn)澆柱預(yù)制梁節(jié)點的基礎(chǔ)上，又提出了分別預(yù)制梁和柱，而樓板和節(jié)點核心區(qū)現(xiàn)澆的連接方式，如圖6所示。該節(jié)點的不足之處是穿過節(jié)點核心區(qū)的梁下部鋼筋密集排布，施工困難，不利于核心區(qū)混凝土澆筑時充分振搗。當(dāng)采用與普通現(xiàn)澆方式相同梁截面寬度時，梁下部鋼筋在節(jié)點區(qū)錨固連接且密集排布，對另一方向梁的截面有效高度削弱較大。

同濟大學(xué)薛偉辰等進(jìn)行了一組裝配式混凝土框架節(jié)點擬靜力試驗，如圖7所示。相較于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆節(jié)點，新型現(xiàn)澆節(jié)點的預(yù)制梁端部設(shè)置了榫頭，提高了新舊混凝土的協(xié)同工作。試驗結(jié)果表明4個節(jié)點試件破壞形態(tài)均為梁端受彎破壞且剛度退化程度相同，節(jié)點核心區(qū)有少數(shù)細(xì)裂縫。這種裝配式節(jié)點設(shè)計的現(xiàn)場濕作業(yè)較多，相對應(yīng)的支撐模板數(shù)量也會增加。

2.4 預(yù)應(yīng)力裝配式框架節(jié)點連接

為了探索預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能，美國和日本共同開展了“PRESS”計劃，通過對1/3比例的梁柱節(jié)點進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗，研究了預(yù)制梁柱只有預(yù)應(yīng)力筋連接(圖8(a)、圖8(b))、普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋共同連接(圖8(c))等類型的預(yù)制預(yù)應(yīng)力節(jié)點，試驗發(fā)現(xiàn)只有預(yù)應(yīng)力筋連接的節(jié)點殘余變形小但耗能特性差，而由普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力筋連接的節(jié)點—“混合”連接節(jié)點表現(xiàn)出更好的耗能特性?！癙RESS”計劃結(jié)果表明這類用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋和普通鋼筋連接預(yù)制構(gòu)件的節(jié)點或體系，震后梁柱、墻體基本沒有破壞，預(yù)應(yīng)力筋始終保持彈性，節(jié)點能回復(fù)到原來位置，殘余變形小。這種震后可回復(fù)到原來位置的結(jié)構(gòu)體系經(jīng)過不斷的發(fā)展，形成了一種新的預(yù)制裝配式體系——自復(fù)位體系。

3 結(jié) 語

裝配式建筑由于其具有建筑周期短、施工簡單、節(jié)約材料等優(yōu)點，是促進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)化與綠色建筑的重要結(jié)構(gòu)形式，在未來的建筑行業(yè)中一定有著重要的地位。裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)是目前國內(nèi)外應(yīng)用和研究最多的工業(yè)化結(jié)構(gòu)體系之一，其核心部位為梁柱連接節(jié)點。連接節(jié)點的構(gòu)造方式及其抗震性能不僅影響裝配式結(jié)構(gòu)的施工效率而且直接決定了框架結(jié)構(gòu)整體的抗震表現(xiàn)。我國對預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的研究不足，致使尚無完整規(guī)范來指導(dǎo)設(shè)計與施工。而且相比現(xiàn)澆整體式結(jié)構(gòu)，目前的預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的造價還是比較高的，高造價也阻礙了預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)的發(fā)展。關(guān)于裝配式建筑梁柱節(jié)點連接的相關(guān)研究不夠完善，需更進(jìn)一步的深入研究以解決當(dāng)前研究中存在的一些問題。