一種榫卯式裝配結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的研制及抗剪性能研究*

吳澤民 董劍玲 孟文萱 陳艷

江蘇大學京江學院 江蘇 鎮(zhèn)江 212000

1 裝配式建筑中柱節(jié)點的連接形式研究現(xiàn)狀

裝配式建筑因為加工的過程基本是在建筑工業(yè)化視域下進行的，所以建筑材料的利用率也得到了最大化，有效抑制了建造垃圾的產(chǎn)生，很大程度上提高了資源利用率[1]。預(yù)制施工也是我國綠色建筑的發(fā)展方向之一。其施工速度快、能耗低的特點能夠促進裝配式建筑的快速發(fā)展。對比國內(nèi)外預(yù)制構(gòu)件的發(fā)展情況。通過文獻查閱和問卷調(diào)查，確定了制約裝配式建筑發(fā)展的五個主要因素。之后，以政府和市場為主體，從需求、技術(shù)、成本等方面提出促進裝配式建筑發(fā)展的對策。

施工第一次作業(yè)現(xiàn)場的濕作業(yè)量減少，降低了灰塵和噪聲的影響，不太受到天氣因素的干擾，很大程度提升了建筑行業(yè)的建設(shè)效率，減短了建設(shè)的周期，大幅度降低了建設(shè)的生產(chǎn)所需的成本，同時還能夠履行節(jié)能減排和綠色環(huán)保的建筑理念[2]。

我國目前對建筑的需求量較大，因此為了能夠改良傳統(tǒng)建筑的建造方式和建筑質(zhì)量，我國無數(shù)學者對預(yù)制結(jié)構(gòu)進行了系列性研究。2004-2005年，范力等研究了梁柱節(jié)點處采用螺栓和橡膠墊連接的單層3跨混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能和破壞形式[3]。2010年，韓建強等對現(xiàn)澆框架以及預(yù)應(yīng)力組裝框架進行了模擬靜力試驗研究[4]。2018年，胡小強在混合連接梁柱節(jié)點的基礎(chǔ)上，提出了根據(jù)分階段屈服裝配式混合連接框架節(jié)點，并運用數(shù)值模擬方法分析了節(jié)點區(qū)域的整體受力性能[5]。裝配式建筑中柱節(jié)點的連接形式是設(shè)計和施工的重點探究的對象，它的最主要結(jié)構(gòu)是承受建筑物中的荷載以及傳遞荷載，但是柱的端部是建筑結(jié)構(gòu)主要負重點和比較輕易遭到地震等自然災(zāi)害損壞的脆弱點。柱端分別有水平方向的梁柱連接點和垂直方向的柱柱連接點[6]。

由于我國裝配式建筑持續(xù)推進，隨之而來的裝配式水泥建筑工程的大量實踐過程和建造過程當中的問題就顯露出來，如現(xiàn)裝配式混凝土關(guān)于節(jié)點連接、預(yù)埋吊裝等專業(yè)技術(shù)不成熟等，其中，裝配式混凝土及其節(jié)點研究最為關(guān)鍵，預(yù)制柱之間的連接往往關(guān)系到整體結(jié)構(gòu)的抗震性能和結(jié)構(gòu)抗倒塌能力，是框架結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的最后一道防線。

2 一種新型裝配式梁柱節(jié)點形式的設(shè)計和制作

本研究設(shè)計了一種新型裝配式梁柱節(jié)點形式，包括梁柱節(jié)點連接以及梁柱節(jié)點連接。采用干連接方式，保留了節(jié)點剛度，并解決了以往施工中的難題以及鋼構(gòu)件防腐防火的問題。

2.1 設(shè)計理念

新型裝配式梁柱、柱柱連接節(jié)點本節(jié)點結(jié)合傳統(tǒng)木質(zhì)建筑榫卯節(jié)點的建筑設(shè)計理念，采用傳統(tǒng)榫卯連接方式已達到吊裝簡單且強度與現(xiàn)澆節(jié)點近似的目的。

相似理論采取的方法是對日常生活中以及自然界中類似的物理實驗現(xiàn)象和本質(zhì)進行模擬研究，它相比較于其他理論最大的亮點就是模擬和仿真，采用對一些自然現(xiàn)象的本質(zhì)觀察，總結(jié)出其實際理論框架，然后進行模擬、對比，并且應(yīng)用到我們實際生產(chǎn)生活需要的各方面領(lǐng)域。在當代的機械工程領(lǐng)域當中，相似理論被大量應(yīng)用于指導工程的方方面面進程的模擬，并對其進行進一步深入探索，以此來確定所需要采用的策略并且解決問題。

相似量的表達可以分為幾何相似、載荷相似、時間相似、質(zhì)量相似、邊界條件相似以及初始條件相似。相似原理由5個不同的性質(zhì)定理、5個推論、1個判定定理組成。在實際的工程中，各個定理互相配合使用。

從形式上看，相似準則是一個單項式的等式，即若現(xiàn)象相似，那么現(xiàn)象的邊界單值條件就可以采用相應(yīng)的原則，來組成一組沒有量綱的因式，而依據(jù)因式與因式之間的等量關(guān)系則可以構(gòu)成一個無量綱的等式 ，每一個無量綱的等式都能夠反映系統(tǒng)不同側(cè)面的特征。這種無量綱的等式稱為相似準則，這種無量綱因式的值π稱為相似準數(shù)。相似準則是由理論推導而來，相似準數(shù)是通過試驗數(shù)據(jù)整理得到的。從這個意義上講，試驗研究的最終方向就是求出相似準則的具體數(shù)值，即相似準數(shù)。

例如，影響榫卯結(jié)構(gòu)主要因素是梁與梁之間的抗彎剛度，長度以及作用在跨中的集中力。他們的量綱分別是：

Wmax=【L】，EI1+EI2=【FL2】，c=【L】，l=【L】，P=【F】

能夠描述該問題的數(shù)學函數(shù)應(yīng)為：

Wmax=F′（EI1+EI2，c，l，P）

截面應(yīng)力問題的主要物理量有n=5個，基本量綱為k=2。所以無量綱組合πi′（i=1，2，...）的數(shù)為3個。

π1′=Wmax/lπ2′= Pl2/（EI1+EI2）π3′= l/c

2.1.1 設(shè)計尺寸。

表1 構(gòu)件的理論尺寸

2.1.2 實際尺寸。

表2 構(gòu)件的實際尺寸

柱縱向受力鋼筋采用4根直徑4mm，箍筋采用直徑2mm間距50。

裝配式梁上下兩側(cè)鋼筋采用2根直徑4mm，箍筋采用直徑2mm間距50。

鋼筋型號為HPB300?；炷捎肅35強度等級。

節(jié)點分為垂直方向柱柱連接部位和水平方向梁柱連接部位。

本節(jié)點采用干連接方式，節(jié)點的預(yù)制構(gòu)件主要分為預(yù)制柱和預(yù)制梁，梁端設(shè)計用古代木質(zhì)建筑榫牟節(jié)點中的燕尾榫模式與柱端連接，因為燕尾榫是一類榫頭根部窄、端部寬，形似燕尾的榫卯連接。至于柱柱連接，主要是通過左右梁進行連接使其上下為一體，且由自身重力加以固定，如圖1所示。

圖1 裝配式建模和澆筑樣品

圖2 現(xiàn)澆式節(jié)點建模和澆筑樣品

2.2 梁柱節(jié)點BIM模型可視化

如圖1所示，裝配式梁柱節(jié)點模型的外形采用CAD圖形制作，主要包括柱模型和梁模型的輪廓。柱、梁模型采用Revit中的柱和梁模型，鋼筋主要通過放樣產(chǎn)生：繪制鋼筋截面尺寸后，輸入長度繪制路徑，將其傳遞到項目中的鋼筋族中，并根據(jù)要求調(diào)整鋼筋間距。本項目通過BIM建模平臺，建立了一批常用的裝配式建筑構(gòu)件節(jié)點模型，并利用三維模型對二維節(jié)點進行可視化表示，從而提高對新型裝配式梁柱節(jié)點的簡單理解，有利于節(jié)點生產(chǎn)裝配的順利開展，提高工作效率。

3 點加載與實驗結(jié)果

3.1 試件加載示意圖

圖3為試件的加載裝置與U型反力架位置示意圖，節(jié)點的上柱不施加壓力，只在U型槽上端施加壓力進而將壓力傳遞之梁上。

圖3 加載裝置示意圖

3.2 實驗內(nèi)容及結(jié)果

因為做的是裝配式的和現(xiàn)澆式的，我們一共用了兩次進行混凝土的澆筑。兩次澆筑時，我們都需要另外澆2個尺寸為150×150×150mm的立方體試塊，所有的試塊和構(gòu)件所用材料均相同，配比也相同，全都養(yǎng)護28d。混凝土試驗在江蘇大學京江學院結(jié)構(gòu)實驗室進行，萬能試驗機進行標準立方體抗壓強度試驗，裝配式梁柱節(jié)點抗剪試驗和現(xiàn)澆式梁柱節(jié)點抗剪試驗。一共有4個標準試塊和4個節(jié)點試塊。準備實驗的時候，需要使萬能試驗機的底板是保持干凈的，試塊放上去之后承壓板和試塊的中心要在一條軸線上。正式加載時，應(yīng)緩慢地擰開送油閥，使得加載的速度盡量保持不變，到試件破壞后就停止。

試驗后所得的試驗數(shù)據(jù)取這兩組標準立方體抗壓強度的平均值當作試件的實際抗壓強度，立方體構(gòu)件和節(jié)點構(gòu)件的破壞狀態(tài)如圖4所示。

圖4 實驗裂紋現(xiàn)象

最終試驗結(jié)果如表3所示。

表3 實驗數(shù)據(jù)

4 實驗結(jié)果分析

從表3中可以得出澆筑的混凝土強度達到了預(yù)設(shè)的C35混凝土的強度。

現(xiàn)澆式混凝土節(jié)點的抗剪強度高于裝配式混凝土節(jié)點的抗剪強度0.337MPa，整體的抗壓強度實驗數(shù)據(jù)中不難看出，采用榫卯結(jié)構(gòu)的裝配式零件的抗剪強度與整體現(xiàn)澆式構(gòu)件的抗剪強度基本持平。

本試驗由于時間和條件的限制，做的實驗組數(shù)較少，還需通過大量試驗來進行驗證能否應(yīng)用到實際生產(chǎn)活動中，若驗證一致，可用裝配式結(jié)構(gòu)部分代替建筑中的現(xiàn)澆筑結(jié)構(gòu)，提高整體房屋建筑的效率，同時節(jié)約資源。

5 結(jié)束語

本試驗設(shè)計的新型裝配式梁柱節(jié)點與國內(nèi)外其他形式的梁柱節(jié)點相比，具有以下特點：

與干式或者濕式裝配式梁柱節(jié)點相比，本新型裝配式梁柱節(jié)點采用干連接方式，減少了現(xiàn)場澆筑等施工作業(yè)，與其他裝配式梁柱節(jié)點連接相比更加簡易方便。也等同了現(xiàn)澆混凝 土節(jié)點的剛度，還提高了安裝工作效率，降低了成本。

這種新型裝配式梁柱節(jié)點，可顯著降低現(xiàn)場模板和鋼筋安裝的工作量，有利于降低人工成本。構(gòu)件的預(yù)制和吊裝，依托BIM技術(shù)和自動化生產(chǎn)技術(shù)，可以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

本新型裝配式梁柱節(jié)點的施工過程相對于其他裝配式節(jié)點來說較為方便，也對預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量更容易把控，吊裝施工也更安全，整體作業(yè)效率也更高。其他力學性能還有待研究，具有良好的應(yīng)用和推廣前景。

節(jié)約了建造的成本并且縮短了建造的工期，有利于減少建筑工程的拆除和改造工作對建筑材料的不必要浪費，同時也節(jié)省了二次設(shè)計的時間和費用。

更加適應(yīng)社會的發(fā)展趨勢，把古人智慧和現(xiàn)代科技相結(jié)合，有利于中國傳統(tǒng)工藝的發(fā)揚與傳承。