淺談新型裝配式混凝土梁柱節(jié)點連接技術(shù)研究進(jìn)展

嵇廣宇，李雪晨，樊 煜，鄭宇涵，王潤民，常育豪

（1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

自20世紀(jì)60年代以來，裝配式建筑結(jié)構(gòu)因其便捷性、高效性與環(huán)保性在全世界得到大力推廣。在中國，裝配式建筑規(guī)劃自2015年以來密集出臺。2015年末發(fā)布《工業(yè)化建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》，決定于2016年在全國全面推廣裝配式建筑。國務(wù)院總理李克強(qiáng)于2016-09-14主持召開國務(wù)院常務(wù)會議，決定大力發(fā)展裝配式建筑，推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級，裝配式建筑作為新時代社會土木工程建設(shè)的發(fā)展重點受到了空前的關(guān)注。由于中國受地震影響的面積廣，且國內(nèi)目前所使用的傳統(tǒng)裝配式混凝土梁柱節(jié)點的連接方法存在弊端，使得裝配式建筑的結(jié)構(gòu)性能參差不齊，抗震性能有著重大缺陷。為了提升裝配式建筑的整體性、抗震性，本文引入國外最新的slotted beam技術(shù)，通過新型開槽梁的結(jié)構(gòu)連接設(shè)計，改善裝配式建筑結(jié)構(gòu)普遍存在的整體性、結(jié)構(gòu)性與抗震性的問題，對當(dāng)前全面發(fā)展普及裝配式建筑、推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級有著非凡的意義。

1 國內(nèi)外裝配式節(jié)點設(shè)計發(fā)展概況

裝配式結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點可以大致分為預(yù)應(yīng)力拼接節(jié)點、后澆整體式連接節(jié)點、螺栓連接節(jié)點和焊接節(jié)點。目前國內(nèi)關(guān)于“裝配式建筑節(jié)點連接問題”的研究還未達(dá)到詳盡的程度，經(jīng)總結(jié)，存在以下幾點不足。

該技術(shù)的研究仍未成熟，缺乏完善的設(shè)計理論、裝配式節(jié)點試驗數(shù)據(jù)庫，對規(guī)范的制訂沒有數(shù)據(jù)支撐。且對于各參數(shù)對節(jié)點承載力、位移的定量分析不足，對節(jié)點初始剛度計算模型和節(jié)點各構(gòu)件的屈服時序缺少更深入的研究。

各已有的裝配式梁柱連接節(jié)點的形式均存在一定的缺陷。以下將對幾種較常見的連接節(jié)點形式的缺陷作出說明：①傳統(tǒng)的梁柱剛性連接節(jié)點。形式一般為栓焊混合連接、全焊接、全栓接。而前兩種連接形式由于受到環(huán)境和工人施工水平等因素的影響，焊接質(zhì)量難以穩(wěn)定控制，給節(jié)點連接受力性能埋下安全隱患；第三種費(fèi)工費(fèi)料，工程中鮮有采用。且這些連接裝配化程度不高，無法滿足真正意義上的裝配建筑的要求。②套筒式裝配式梁柱連接節(jié)點[1]。該連接形式是一種半剛性連接形式，結(jié)構(gòu)在地震作用下底部剪力明顯減小，動力響應(yīng)與剛性節(jié)點相比存在很大差異。③內(nèi)套筒裝配式梁柱連接節(jié)點[2]。對于該種節(jié)點，當(dāng)內(nèi)套筒厚度取值過大時，節(jié)點力學(xué)性能提升不顯著；內(nèi)套筒長度增加，對拉螺栓對T形件約束能力減弱，T形件翼緣彎曲變形增加，節(jié)點的抗彎承載力降低。④裝配式外套筒-外伸端板組件梁與柱連接節(jié)點[3]。該形式由于柱與外伸端板采用對拉螺栓連接，滯回曲線在位移加載控制初期會出現(xiàn)一段滑移。

對節(jié)點連接技術(shù)的應(yīng)用范圍的研究不夠全面，具體表現(xiàn)為：①目前對于裝配式節(jié)點的研究多為常溫狀態(tài)的研究，對于火災(zāi)或高溫作用下的節(jié)點構(gòu)件的損傷時序研究較少[4]；②對螺栓與螺栓孔及板件之間因節(jié)點發(fā)生變形、接觸發(fā)生變化時的應(yīng)力重分布缺少進(jìn)一步研究；③對節(jié)點在地震、風(fēng)荷載作用下的抗側(cè)力性能缺少完備的研究，應(yīng)結(jié)合減、隔震技術(shù)，對雙向地震作用下的框架抗倒塌性能做進(jìn)一步的研究；④應(yīng)將對裝配式梁柱連接節(jié)點的研究擴(kuò)展到新材料、新工藝的應(yīng)用上，提高結(jié)構(gòu)震后的可修復(fù)性，采取一些易于維修加固的構(gòu)造措施等。由此可見，傳統(tǒng)的裝配式結(jié)構(gòu)連接方式在實際應(yīng)用中均存在不足，無法滿足當(dāng)前對建筑安全性能和結(jié)構(gòu)性能的更高要求。一個新型的、完善的裝配式建筑節(jié)點連接方式的應(yīng)用前景是廣闊的。

采用國外最新的slotted beam技術(shù)，通過新型開槽梁的結(jié)構(gòu)連接設(shè)計，改善裝配式建筑結(jié)構(gòu)普遍存在的整體性結(jié)構(gòu)性抗震性問題，對當(dāng)前全面發(fā)展普及裝配式建筑，推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級有著非凡的意義。

2 新型裝配式混凝土梁柱節(jié)點優(yōu)點

2.1 低破壞性

與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土梁相比，在相同的位移水平下，開槽梁在連接處和樓板處的開裂和損壞要少得多。

2.2 可忽略不計梁伸長

這意味著對相鄰樓板的損壞顯著減少，并且減少了樓板對梁彎曲超強(qiáng)的貢獻(xiàn)。這也允許減少地板單元的座位寬度。

2.3 較小的柱彎矩要求

因為與傳統(tǒng)鋼筋混凝土梁相比，板對梁超強(qiáng)彎矩的貢獻(xiàn)要小得多，所以在帶槽梁的框架中，柱彎矩要求較小。

2.4 更低的殘余變形

由于更大的阻尼和更大的屈服后剛度，帶槽梁的框架表現(xiàn)出更小的殘余變形。

2.5 建造方法與傳統(tǒng)方式相同

由于開槽梁與傳統(tǒng)鋼筋混凝土梁非常相似，因此可以使用新西蘭常用的相同預(yù)制仿真方法建造。這使得開槽梁成為傳統(tǒng)鋼筋混凝土梁的實用替代品。

鋼筋混凝土開槽梁能夠提高地震作用下鋼筋混凝土框架的性能和安全性。開槽梁可以顯著減少對建筑物框架和地板的損壞，同時保持當(dāng)前的建造成本。

3 新型裝配式混凝土梁柱節(jié)點缺點

3.1 更大的柱深需求

由于開槽梁的黏結(jié)條件更為苛刻，因此需要更大的柱深來為底部梁縱向鋼筋提供足夠的黏結(jié)。

3.2 低周疲勞

由于底部縱向鋼筋的塑性應(yīng)變累積比常規(guī)鋼筋混凝土梁大兩三倍，開槽梁更容易發(fā)生低周疲勞破壞。

3.3 較大的頂部縱向鋼筋需求

為了限制混凝土頂部鉸鏈的伸長和開裂，需要較大的頂部縱向鋼筋。

3.4 更多的梁柱節(jié)點鋼筋需求

由于連接到梁柱節(jié)點的開槽梁底部沒有混凝土壓力，需要額外的水平節(jié)點箍筋來支撐節(jié)點中的對角混凝土支撐機(jī)構(gòu)[5]。因此，盡管需要一些改變來解決與開槽鋼筋混凝土梁相關(guān)的設(shè)計問題，但考慮到在低損傷和可忽略的梁伸長方面的諸多好處，這一概念無疑是傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的可行替代物。

4 新型裝配式混凝土梁柱結(jié)點進(jìn)一步研究

4.1 研究目標(biāo)

研究目標(biāo)具體如下：①借鑒新西蘭的預(yù)制裝配式開槽梁的施工理念，構(gòu)建開槽梁物理模型進(jìn)行試驗；②利用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行Standard數(shù)值計算，進(jìn)行荷載承載能力分析，從而得以模擬裝配式混凝土梁柱節(jié)點梁端的位移荷載加載試驗，并確定裝配式混凝土梁柱節(jié)點整體性和抗震性的影響因素分析；③綜合研究成果設(shè)計一套符合中國規(guī)范的新型裝配式開槽梁設(shè)計方案。

4.2 承載能力分析

承載能力分析具體如下。

對新型裝配式連接節(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。模型上側(cè)邊界面施加固定約束，下側(cè)邊界面耦合在參考點上，于參考點上施加滑動約束，約束其X、Y向的位移和轉(zhuǎn)角以及Z向的轉(zhuǎn)角，并在耦合點處施加沿連接件Z向的荷載，以實現(xiàn)對連接件的均勻加載。荷載的施加分兩步完成：第一步對預(yù)緊單元施加1 kN預(yù)緊力，第二步加荷載。加載方法與試驗加載方法保持一致。

結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的剛度會出現(xiàn)退化的現(xiàn)象，剛度退化實質(zhì)是反映了結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下的累計損傷，是結(jié)構(gòu)抗震性能分析的一個重要指標(biāo)。

通過節(jié)點的骨架曲線能夠了解到構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、延性、耗能及抗倒塌能力等，能夠定性地比較和衡量構(gòu)件的抗震性能。

試件的荷載位移曲線反映了試件在往復(fù)荷載作用下荷載和位移的關(guān)系，由于鋼筋混凝土的彈塑性性質(zhì)，當(dāng)加載的荷載進(jìn)入彈塑性階段后，在卸載時試件會產(chǎn)生殘余變形，即荷為零而試件位移不為零，此類現(xiàn)象稱為位移滯后荷載現(xiàn)象，當(dāng)荷載經(jīng)過正負(fù)循環(huán)后，即會形成一個荷載位移滯回環(huán)。典型的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件滯回環(huán)形狀一般有四種：梭形滯回環(huán)說明滯回曲線的形狀非常飽滿，整個結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件塑形變形能力很強(qiáng)，具有較高的耗能能力；弓形滯回環(huán)反映了試件具有“捏縮”效應(yīng)，說明試件受到了一定的鋼筋滑移影響，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的塑形變形能力較梭形滯回環(huán)弱，但仍具有較好的耗能能力；反S形滯回環(huán)反映了構(gòu)件或結(jié)構(gòu)受到了較大的鋼筋黏結(jié)滑移的影響，此類試件吸收地震能量較差；Z形滯回環(huán)表明試件在反復(fù)荷載作用下，鋼筋黏結(jié)滑移較嚴(yán)重，在荷載加載過程中甚至出現(xiàn)一段較長的“零剛度”段，此類試件的抗震性能最差。將所有的滯回環(huán)連起來，即得到荷載位移滯回曲線，它是研究構(gòu)件抗震性能的一個重要載體，也是進(jìn)一步研究構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、延性、耗能等抗震指標(biāo)的基礎(chǔ)。

4.3 創(chuàng)新特色

基于新西蘭開槽梁新技術(shù)的現(xiàn)有理論、實驗數(shù)據(jù)及工程實例，設(shè)計開發(fā)出適用于中國地質(zhì)條件，符合中國建筑施工規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的新型裝配式結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的連接方式，該成果可彌補(bǔ)現(xiàn)有裝配式結(jié)構(gòu)整體性不足、抗震性能差的缺陷，在地震中減少對建筑物框架和地板的損壞，同時保持當(dāng)前的建造成本。

針對現(xiàn)行裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計和施工的不完善之處，結(jié)合開槽梁理論以及預(yù)制模擬的施工方法進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)，該成果可以對現(xiàn)行的普遍方法進(jìn)行補(bǔ)充發(fā)展，整體提高節(jié)點連接施工技藝，對促進(jìn)裝配式建筑在國內(nèi)的普及有著重要的價值。

利用ABAQUS有限元分析法，構(gòu)建開槽梁在裝配式建筑結(jié)構(gòu)中的受力性能分析模型，該成果能夠填補(bǔ)國內(nèi)當(dāng)前新型梁柱節(jié)點連接方式的空白，得到可運(yùn)用于實際生產(chǎn)施工中的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

本論文的研究旨在討論一種簡單的無撕裂樓板框架連接，可作為傳統(tǒng)鋼筋混凝土設(shè)計的替代品，而開槽鋼筋混凝土梁是一種可能的解決方案。它由一個傳統(tǒng)的鋼筋混凝土梁組成，在柱表面有一個狹窄的垂直槽，大約延伸到梁深度的3/4。槽的存在允許地震圍繞剩余混凝土的“頂部鉸鏈”發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而通過縫隙的打開和關(guān)閉來適應(yīng)變形。這能把傳統(tǒng)鋼筋混凝土梁中出現(xiàn)的梁伸長量降至最低，并將變形集中在遠(yuǎn)離樓板的位置，從而將對相鄰樓板的損壞降至最低。