裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點特性及設(shè)計要求

張 聰

（中哲國際工程設(shè)計有限公司 南京210019）

0 引言

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)建筑根據(jù)預(yù)制結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接方式的不同，可以分為全裝配式和裝配整體式等類型［1］。全裝配式建筑通常采用干式連接節(jié)點，而裝配整體式建筑采用濕式連接節(jié)點。對于這兩種裝配式建筑，由于都存在構(gòu)件的不連續(xù)，為滿足結(jié)構(gòu)體系整體及局部上“等同現(xiàn)澆”以及“強節(jié)點、弱構(gòu)件”等要求，其連接節(jié)點的性能就顯得至關(guān)重要。國內(nèi)對此也有許多研究［2～4］。

連接節(jié)點設(shè)計時應(yīng)考慮由混凝土收縮、蠕變以及外界溫度變化、沉降差、重力、風(fēng)、地震等各種內(nèi)外部因素引起的內(nèi)力，以及不同連接構(gòu)件的剛度、強度以及延性。此外，還要考慮生產(chǎn)、安裝等的容差情況。

1 節(jié)點連接方式

1.1 節(jié)點連接分類

對于裝配整體式結(jié)構(gòu)，預(yù)制構(gòu)件之間的連接與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相似，都是通過混凝土以及鋼筋的連接來實現(xiàn)的。其中，混凝土的連接通過在節(jié)點處后澆混凝土、坐漿或灌漿來實現(xiàn)。而鋼筋的連接有多種方式，既有傳統(tǒng)的機械連接、焊接以及綁扎搭接等方式，也有如套筒灌漿連接、漿錨連接、鋼錨環(huán)連接等專用新型連接方式。

連接節(jié)點按照所連接構(gòu)件類型的不同可以分為：墻-墻連接節(jié)點、墻-梁連接節(jié)點、墻-板連接節(jié)點、柱-柱連接節(jié)點、柱-梁連接節(jié)點、梁-梁連接節(jié)點、梁-板連接節(jié)點、板-板連接節(jié)點等；按照連接節(jié)點的傳力方向可以分為豎向連接節(jié)點、水平連接節(jié)點及混合連接節(jié)點；按照連接構(gòu)件的預(yù)制與否可分為預(yù)制-預(yù)制連接節(jié)點、預(yù)制-現(xiàn)澆連接節(jié)點；按照傳力類型的不同又可以分為傳遞軸力、傳遞剪力以及傳遞彎矩等連接節(jié)點等。不同預(yù)制構(gòu)件之間的連接方式具體如表1所示。

1.2 節(jié)點連接特點

表1 不同類型預(yù)制構(gòu)件之間的連接方式Tab.1 Connections for Different Types of Prefabricated Units

1.2.1 節(jié)點工作機制

裝配整體式結(jié)構(gòu)中主要存在兩類接縫：一類是預(yù)制構(gòu)件之間的連接接縫，另一類是預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆或后澆混凝土之間的結(jié)合面。具體而言，包括剪力墻豎向及水平接縫、柱端接縫、梁端接縫、板端及板間接縫等。接縫承受的壓力通過后澆混凝土或坐、灌漿料傳遞；拉力由連接鋼筋或預(yù)埋連接件承擔(dān)；剪力的傳遞稍微復(fù)雜一些，根據(jù)相關(guān)研究［5］，它是由結(jié)合面處混凝土的粘結(jié)力，穿縫鋼筋及預(yù)留鍵槽或粗糙面的摩擦抗剪作用以及穿縫鋼筋的銷栓抗剪作用等承擔(dān)。此外，當(dāng)接縫處于受壓或受彎狀態(tài)，如預(yù)制柱或預(yù)制剪力墻底的水平接縫，則靜力摩擦也可以承擔(dān)部分剪力。

1.2.2 混凝土及鋼筋連接方式

對于裝配整體式結(jié)構(gòu)節(jié)點，混凝土的連接主要通過在結(jié)合面處的預(yù)制構(gòu)件上設(shè)置有一定凹凸度的粗糙面和鍵槽來實現(xiàn)與后澆混凝土的連接。對于鋼筋而言，傳統(tǒng)的連接方式如綁扎搭接、機械連接和焊接等雖然也可以用于裝配整體式結(jié)構(gòu)，但綁扎搭接由于需要預(yù)留足夠長度的后澆段以保證鋼筋的搭接長度，因此現(xiàn)場濕作業(yè)量較大，目前僅用于剪力墻的豎向接縫及疊合板的后澆帶等特定節(jié)點處。而機械連接和焊接都需要逐根連接，現(xiàn)場作業(yè)量大，也不太符合快速裝配的要求，并且無論焊接或機械連接都對操作空間有一定要求，在實際應(yīng)用中受到一定的限制。目前裝配整體式結(jié)構(gòu)的豎向連接主要采用套筒灌漿連接以及漿錨連接。

1.2.3 主要節(jié)點連接方式比較

對于套筒連接方式，其抗拉承載力主要由套筒與鋼筋之間高強灌漿料的粘結(jié)力提供。套筒連接可以看成一種特殊的機械連接方式，其在日美等國有多年的應(yīng)用，且經(jīng)受了地震的考驗，是一種相對比較可靠的連接方式。但是也存在一些缺點：對生產(chǎn)和施工精度要求相對較高；灌漿質(zhì)量難以保證，且檢測較為困難；灌漿效率相對較低，對施工人員的技術(shù)要求較高。此外，套筒和配套灌漿料價格較高，經(jīng)濟性不如其他連接方式。漿錨連接屬于搭接連接方式，鋼筋和鋼筋之間的抗拉承載力主要由灌漿料、成孔材料以及混凝土之間的粘結(jié)力來提供。漿錨連接在歐洲有很多年的應(yīng)用經(jīng)驗，但在我國目前應(yīng)用尚不夠廣泛，且缺乏關(guān)于相關(guān)連接接頭的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。套筒灌漿連接與漿錨連接相比，區(qū)別在于：①傳力機制和性能不同：套筒連接屬于一種特殊的機械連接，而漿錨連接屬于搭接連接；套筒連接可以達(dá)到Ⅰ級接頭性能，漿錨連接也能夠滿足鋼筋傳力的要求；②破壞模式不同：根據(jù)試驗［6-7］，套筒連接預(yù)制構(gòu)件破壞方式與現(xiàn)澆構(gòu)件相似，均為邊緣構(gòu)件的縱筋屈服，墻體底部區(qū)域的混凝土受壓破壞；漿錨連接可以有效傳遞鋼筋的應(yīng)力，滯回曲線飽滿，但其破壞形態(tài)與現(xiàn)澆構(gòu)件有所區(qū)別；③連接長度不同：套筒連接的總長度由套筒長度決定，根據(jù)文獻(xiàn)［8］要求，鋼筋伸入套筒的長度不宜小于8d，因此套筒長度不應(yīng)小于16d+20，考慮到生產(chǎn)及施工誤差，總長度要大于此值，通常在25～45 cm 之間；漿錨連接的總長度由預(yù)留孔道的長度確定，根據(jù)實驗結(jié)果及規(guī)范要求，漿錨連接長度可按受拉鋼筋（抗震）錨固長度確定［9］；④適用范圍不同：套筒連接對結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)高度及連接使用部位均無限制，僅由于套筒本身規(guī)格的要求，對連接鋼筋的直徑有一定的要求；對于漿錨連接，有一定的適用范圍，如文獻(xiàn)［1］要求不宜用于房屋高度大于12 m或?qū)訑?shù)超過3層的框架結(jié)構(gòu)預(yù)制柱的縱筋連接，不宜用于一級抗震等級剪力墻及二、三級抗震等級底部加強部位剪力墻邊緣構(gòu)件豎向鋼筋等。此外，直徑大于20 mm的鋼筋不宜采用漿錨連接。

2 連接節(jié)點設(shè)計要求

2.1 節(jié)點連接驗算

對裝配整體式結(jié)構(gòu)的變形及破壞控制區(qū)域如梁柱箍筋加密區(qū)以及剪力墻的底部加強部位等，按照“強剪弱彎”、“強節(jié)點弱構(gòu)件”等設(shè)計原則，接縫需要采用強連接以避免發(fā)生破壞，確保結(jié)構(gòu)不會發(fā)生嚴(yán)重的安全問題。這就要求這些部位接縫的承載力設(shè)計值大于其所連接的預(yù)制構(gòu)件的承載力設(shè)計值與相應(yīng)的強連接系數(shù)即接縫受剪承載力增大系數(shù)的乘積［1］。同時，與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相似，此承載力設(shè)計值也應(yīng)大于該處的設(shè)計內(nèi)力以確保連接的安全。對于非控制區(qū)域的連接接縫，在保證其安全的基礎(chǔ)上，可根據(jù)需要設(shè)計采用延性連接方式［10］，使其產(chǎn)生一定的塑性變形以消耗地震能量。

連接接縫處的后澆混凝土、灌漿料或坐漿料的強度等級一般高于預(yù)制構(gòu)件。當(dāng)接縫截面的配筋不小于構(gòu)件配筋且其構(gòu)造符合相關(guān)規(guī)范要求時，接縫的正截面承載力一般不會低于其所連接的構(gòu)件。因此，可以不進行正截面承載力驗算。

由于后澆混凝土、后灌漿料與預(yù)制構(gòu)件混凝土澆筑溫度不同以及收縮硬化不同步等原因，其結(jié)合面的粘結(jié)抗剪強度一般較構(gòu)件自身混凝土抗剪強度低。因此，為了確保接縫的安全，需要對其進行受剪承載力計算。具體而言，對于裝配整體式框架結(jié)構(gòu)，應(yīng)計算預(yù)制柱底水平接縫、疊合梁端部豎向接縫以及梁柱節(jié)點核心區(qū)的受剪承載力。對于裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)計算剪力墻水平接縫以及疊合連梁端部接縫的受剪承載力。

2.2 節(jié)點連接設(shè)計要求

2.2.1 節(jié)點鋼筋連接型式選擇及連接要求

對于整體式連接節(jié)點，鋼筋的連接方式及相應(yīng)連接要求等是設(shè)計的重點。對于裝配整體式框架結(jié)構(gòu)，預(yù)制柱的縱筋宜采用套筒灌漿連接，現(xiàn)場濕作業(yè)量較其他濕式連接方式為少，施工相對簡便。此外，在無法保證灌漿質(zhì)量的情況下，也可以考慮采用擠壓套筒連接等機械連接方式。疊合梁底部縱筋的連接可根據(jù)連接部位、現(xiàn)場施工技術(shù)條件等選擇采用機械連接、焊接、綁扎搭接或套筒灌漿連接。裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)中，預(yù)制剪力墻的豎向鋼筋可根據(jù)部位的不同，分別采用套筒灌漿連接、漿錨搭接連接、U 型套箍連接或混合連接等，水平分布鋼筋可采用綁扎搭接、鋼錨環(huán)連接或焊接等。

不同結(jié)構(gòu)體系及節(jié)點型式的鋼筋具體連接要求如表2所示。

表2 不同連接節(jié)點鋼筋設(shè)計要求Tab.2 Design Demands of Rebar for Different Connections

2.2.2 裝配整體式框架結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計要求

當(dāng)由于起吊重量、長度等原因需要對梁分段預(yù)制時，應(yīng)在預(yù)制梁的對接部位處設(shè)置后澆段，梁下部縱筋在后澆段內(nèi)可采用綁扎搭接、機械連接、焊接及套筒灌漿連接等，預(yù)留的后澆段長度應(yīng)能滿足縱筋連接作業(yè)的操作空間要求。如對于套筒灌漿連接，為便于施工，一般采用全灌漿套筒連接，預(yù)留后澆段長度不應(yīng)小于1.5 倍套筒長度+20 mm。采用機械連接時，為達(dá)到Ⅰ級接頭的性能要求，可采用加長絲扣型直螺紋接頭，預(yù)留后澆段長度不應(yīng)小于200 mm［11］等。預(yù)制主梁和預(yù)制次梁連接時，可采用在預(yù)制主梁上設(shè)后澆段（主梁混凝土全部或部分?jǐn)嚅_）的方法。次梁下部縱筋錨入主梁后澆段內(nèi)。

對于預(yù)制梁柱整體式連接節(jié)點，梁縱筋應(yīng)伸入后澆節(jié)點區(qū)內(nèi)錨固或連接。節(jié)點的受力和變形性能與具體的錨固或連接方式相關(guān)。預(yù)制梁柱構(gòu)件深化設(shè)計時應(yīng)按等面積代換的原則盡可能采用較大直徑較大間距的鋼筋排布方式以利于降低造價并方便節(jié)點的施工，保證施工質(zhì)量。同時還應(yīng)考慮安裝的可行性如鋼筋避讓關(guān)系、吊裝順序等來合理確定梁柱截面尺寸及相互位置關(guān)系，鋼筋的排布方式等。應(yīng)特別注意盡量避免對同一節(jié)點的兩個方向的梁同時預(yù)制，以免鋼筋排布困難。當(dāng)無法避免時，宜將兩方向的梁設(shè)計為不同的高度，且高差宜取100 mm。同方向兩側(cè)梁縱筋同時在節(jié)點區(qū)錨固時，其中一側(cè)的鋼筋應(yīng)采用水平或豎向彎折避讓的方式。當(dāng)柱截面較小、梁下部縱筋在節(jié)點區(qū)連接困難時，可將后澆段設(shè)置在節(jié)點區(qū)外。由于鋼筋連接接頭處無法產(chǎn)生足夠的塑性變形，為了保證梁端能順利出鉸，接頭應(yīng)避開塑性鉸區(qū)域，設(shè)置在距梁端不小于1.5 倍梁截面有效高度處，且宜位于梁受力較小的部位?，F(xiàn)澆柱-疊合梁連接節(jié)點做法與預(yù)制柱-疊合梁節(jié)點做法相似。由于柱為現(xiàn)澆，其鋼筋的布置可相對靈活，對梁的制作精度和施工要求相對也要低些。

對于疊合梁-疊合板連接節(jié)點，通常采用將單方向或兩方向板底筋伸入梁內(nèi)錨固的方式。預(yù)制剪力墻-疊合板連接與疊合梁-疊合板連接方式相同。

預(yù)制樓板-預(yù)制樓板連接可采用分離式或整體式接縫。對于分離式接縫，應(yīng)于接縫處且垂直接縫的方向設(shè)置附加筋。整體式接縫一般采用后澆帶形式，后澆帶宜沿板短跨方向設(shè)置且宜避免設(shè)置在長跨中點等最大彎矩截面處。

2.2.3 裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計要求

預(yù)制剪力墻的豎向受力筋采用套筒灌漿連接時，由于底部鋼筋連接區(qū)域容易出現(xiàn)多且密集的裂縫，是影響結(jié)構(gòu)安全的重要隱患，因此應(yīng)對該區(qū)域水平筋進行加密以提高墻板的抗剪能力和抗震耗能能力。根據(jù)試驗及分析結(jié)果，加密區(qū)范圍設(shè)定為套筒及其頂部往上不小于300 mm 的范圍。同一樓層內(nèi)的相鄰預(yù)制剪力墻板應(yīng)采用整體式濕式接縫連接。墻肢端部的約束或構(gòu)造邊緣構(gòu)件可以根據(jù)設(shè)計需要與墻身一起預(yù)制?？v橫墻交接處的邊緣構(gòu)件宜采用后澆，且應(yīng)在邊緣構(gòu)件內(nèi)形成封閉箍筋，以保證后澆邊緣構(gòu)件作為預(yù)制構(gòu)件錨固端的自身可靠性。設(shè)置于非邊緣構(gòu)件位置的后澆連接段的長度不應(yīng)小于墻厚及200 mm 的較大值。相鄰樓層的預(yù)制墻板間的水平后澆接縫宜在整個樓層平面內(nèi)封閉連續(xù)，以保證結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性。水平后澆帶的高度不應(yīng)小于樓板厚度，并配置不少于2根直徑不小于12 mm的縱向連續(xù)鋼筋。對于屋面層及立面收進的樓層，應(yīng)在預(yù)制墻板和樓板連接處設(shè)置封閉的后澆圈梁以提高結(jié)構(gòu)的整體性。水平圈梁的高度不宜小于樓板厚度及250 mm 的較大值，并配置不少于4 根直徑不小于12 mm 的縱向連續(xù)鋼筋。對于同一位置上下相鄰的預(yù)制墻板，預(yù)制邊緣構(gòu)件內(nèi)的縱筋應(yīng)逐根相接以保證邊緣構(gòu)件內(nèi)受力筋分布的均勻性，避免出現(xiàn)由于局部破壞導(dǎo)致邊緣構(gòu)件失效的情況。其余部位的豎向鋼筋，可采用相對較大直徑的鋼筋進行等面積代換，以減少連接套筒的數(shù)量，有利于施工，并且連接接頭數(shù)量太多導(dǎo)致墻體變形能力下降，不利于抗震。一般要求同側(cè)的連接鋼筋間距不大于600 mm。此外應(yīng)設(shè)置非連續(xù)鋼筋以滿足豎向分布鋼筋最大間距要求。

3 結(jié)論

本文對裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點進行了闡述，對目前常用的連接節(jié)點的構(gòu)造及力學(xué)特點進行了比較，對裝配式整體式框架結(jié)構(gòu)和裝配式整體式剪力墻結(jié)構(gòu)連接節(jié)點的主要設(shè)計要求進行了總結(jié)，以期能為相關(guān)設(shè)計和研究人員在具體設(shè)計時提供參考。