純干裝配式混凝土節(jié)點性能研究綜述

程東輝 田曄環(huán) 許鵬程

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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純干裝配式混凝土節(jié)點性能研究綜述

程東輝 田曄環(huán) 許鵬程

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

闡述了純干裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，并從預(yù)壓裝配式節(jié)點、混合裝配式節(jié)點、后澆整體式節(jié)點以及新型節(jié)點等方面，分析了純干裝配式混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點形式的優(yōu)缺點，指出優(yōu)化節(jié)點形式是今后預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。

混凝土結(jié)構(gòu)，純干法，裝配式，節(jié)點形式

0 引言

2003年10月，“混凝土具有未來——在21世紀用混凝土預(yù)制構(gòu)件進行建設(shè)”這一觀點首次在第三屆國際混凝土工廠大會中提出，并受到廣泛關(guān)注。2000年3月，我國建筑混凝土預(yù)制構(gòu)件可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研討會中同樣指出“混凝土預(yù)制行業(yè)必將承擔(dān)中國混凝土施工現(xiàn)代化的重任”[1]。由此可知，21世紀以來，建筑工業(yè)化發(fā)展將成為當(dāng)前世界建筑技術(shù)發(fā)展趨勢之一。

混凝土結(jié)構(gòu)就其施工建造方式而言，可分為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)，而這兩類混凝土結(jié)構(gòu)的根本區(qū)別在于梁、板、柱等預(yù)制構(gòu)件的節(jié)點連接形式。對于預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，其受力薄弱環(huán)節(jié)在于節(jié)點，節(jié)點不同導(dǎo)致了整體結(jié)構(gòu)性能的差異，影響預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展。因此，深入研究預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的連接方式對建筑工業(yè)化的發(fā)展有著重要意義。

預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)施工方法具有提高機械化水平、降低勞動強度、加快施工進度、無現(xiàn)場濕作業(yè)、減少建筑垃圾和施工噪聲對環(huán)境的不良影響，有效節(jié)約資源和能源等優(yōu)點，有利于環(huán)境保護[2]。

1 純干裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

純干法裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，相較于現(xiàn)澆式而言，如下：

1)產(chǎn)品質(zhì)量好。構(gòu)件在工廠預(yù)制，產(chǎn)品在強度、防水性、耐久性、密實度等方面均比施工現(xiàn)場現(xiàn)澆的混凝土構(gòu)件質(zhì)量有保障，同時工廠預(yù)制的混凝土構(gòu)件造型豐富，尺寸、形狀多種多樣，更能滿足建筑曲面多樣性的要求。

2)生產(chǎn)效率高。裝配式混凝土構(gòu)件大多在工廠預(yù)制完成，再運到現(xiàn)場吊裝、就位后裝配成整體。不論是工廠預(yù)制或施工現(xiàn)場裝配，多采用機械化、自動化的方式，而且現(xiàn)場混凝土濕作業(yè)少，大大減小了工人的勞動強度和現(xiàn)場混凝土的養(yǎng)護時間，施工周期縮短，對周圍生活工作影響減小。

3)對環(huán)境影響小。構(gòu)件在工廠預(yù)制時，可以嚴格控制廢水排放和噪聲污染，現(xiàn)場安裝時不需要或只需要很少的濕作業(yè)，縮短了工期，對改善施工現(xiàn)場環(huán)境有利。周圍自然環(huán)境污染減少，施工擾民現(xiàn)象得到改善。

2 純干裝配式混凝土的節(jié)點形式

2.1 預(yù)壓裝配式節(jié)點

合肥工業(yè)大學(xué)柳炳康等人[3-8]進行了預(yù)壓裝配式混凝土框架節(jié)點的一系列研究。梁柱均在工廠預(yù)制，為了方便裝配及考慮受力形式，預(yù)制柱設(shè)置暗牛腿。梁柱預(yù)制時在相應(yīng)部位預(yù)留預(yù)應(yīng)力筋孔道，待框架安裝就位將預(yù)應(yīng)力筋穿過孔道，在缺口梁和暗牛腿處用環(huán)氧樹脂砂漿拼接，并進行預(yù)應(yīng)力筋張拉，達到設(shè)計強度完成預(yù)壓作用，后進行孔道灌漿，形成框架整體。具體做法如圖1所示。

研究結(jié)果表明：塑性鉸首先出現(xiàn)在預(yù)壓裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁端，符合“強柱弱梁”的抗震要求。框架梁在反復(fù)的加載卸載過程中表現(xiàn)出了較強的變形恢復(fù)能力，殘余變形也很小；滯回曲線豐滿，耗能能力較好；梁端截面轉(zhuǎn)動能力良好，適當(dāng)進行彎矩調(diào)幅；裝配式節(jié)點由于雙向壓力的存在，具有較大的剛度，同時對柱子的變形起到了限制作用，從而使其抗側(cè)剛度得到提高；預(yù)應(yīng)力筋的預(yù)壓作用存在，使得結(jié)構(gòu)變形恢復(fù)能力增加，震后修復(fù)能力得到提高。

由于梁端截面是由牛腿和缺口梁組成的組合截面，暗牛腿和缺口梁處配筋復(fù)雜，且僅依賴預(yù)應(yīng)力筋承受彎矩，所以梁端截面破壞嚴重，優(yōu)化梁端設(shè)計是今后研究的重點。

2.2 混合裝配式節(jié)點

美國華盛頓大學(xué)的John Stanton等[9]、北京工業(yè)大學(xué)李振寶等[10]對混合裝配節(jié)點進行了試驗研究，具體形式見圖2。梁柱均在工廠預(yù)制，在梁柱截面形心處預(yù)埋PVC管，后穿無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，在梁上下邊緣預(yù)埋波紋管，后穿非預(yù)應(yīng)力鋼筋。為限制壓區(qū)混凝土變形，梁端設(shè)置螺栓箍筋。在梁柱節(jié)點處用水泥砂漿拼接，并向非預(yù)應(yīng)力筋預(yù)留孔道灌漿，當(dāng)水泥砂漿達到設(shè)計要求時張拉預(yù)應(yīng)力筋，形成框架整體。

研究表明：混合裝配節(jié)點作為直接裝配節(jié)點的進化，后穿的普通鋼筋在荷載作用下起到了重要的作用，通過自身的拉壓屈服變形，來耗散能量，承擔(dān)一部分荷載作用；無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋起到一定的預(yù)壓作用，對框架梁、柱施加擠壓力，提高框架節(jié)點的抗剪能力，承擔(dān)框架結(jié)構(gòu)的彎矩，提高結(jié)構(gòu)的受彎承載力，提供彈性恢復(fù)力，抵抗水平荷載作用下的變形，使殘余變形減小。混合裝配節(jié)點耗能能力較低，但恢復(fù)能力強，殘余變形和損傷、強度損失也較小，震后修復(fù)方便。

2.3 后澆整體式節(jié)點

我國制定的《預(yù)制裝配整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中，給出了后澆整體式預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的連接方式，包括混凝土疊合板、混凝土疊合梁與預(yù)制混凝土樓梯連接。其中縱向鋼筋連接包括焊接、機械連接、套筒連接等。

2.4 新型節(jié)點

隨著預(yù)制裝配式混凝土研究的逐漸深入，越來越多的新型節(jié)點連接形式被提出。

同濟大學(xué)范力等[11]以預(yù)制裝配式梁柱節(jié)點為研究對象，節(jié)點采用橡膠墊螺栓連接，通過后澆整體式節(jié)點與現(xiàn)澆節(jié)點對比，可知：橡膠墊螺栓連接的節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度小，彈性變形能力大，強度、延性和變形能力與其他兩種節(jié)點相當(dāng)，但剛度衰減較早且較快，耗能稍差。

廣州大學(xué)吳從曉等[12]提出了一種新型預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系，其組成為預(yù)制裝配式混凝土框架和扇形鉛粘彈性阻尼器的組合，并進行了試驗研究，結(jié)果表明：通過扇形鉛粘彈性阻尼器的往復(fù)剪切變形參與節(jié)點的滯回耗能，該節(jié)點滯回曲線飽滿，具有良好的耗能能力；明顯提高了位移延性和節(jié)點承載力；扇形鉛粘彈性阻尼器的存在，增強預(yù)制裝配式梁柱節(jié)點的抗側(cè)力和抗側(cè)剛度，改變節(jié)點受力模式，使塑性鉸區(qū)從梁端后澆區(qū)外移至預(yù)制梁與阻尼器連接外側(cè)，實現(xiàn)了“強剪弱彎，強節(jié)點弱構(gòu)件”的要求。

3 結(jié)語

根據(jù)以上幾種預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的節(jié)點連接方式，可以得到以下結(jié)論：

1)預(yù)壓裝配式節(jié)點的框架滿足“強柱弱梁”的要求，耗能能力、變形恢復(fù)能力良好，可適當(dāng)進行框架彎矩調(diào)幅。預(yù)壓作用的存在有利于震后恢復(fù)。

2)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力裝配混凝土混合節(jié)點框架結(jié)構(gòu)與普通鋼筋混凝土現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)相比，在強度、剛度、延性等方面均相當(dāng)，且混合節(jié)點框架有較強的變形恢復(fù)能力，震后殘余變形小，抗剪性能優(yōu)于普通混凝土框架。

3)現(xiàn)有節(jié)點的連接方式與現(xiàn)澆整體式混凝土結(jié)構(gòu)相比均互有利弊，研發(fā)新的節(jié)點形式依然是今后純干裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。

[1] 吳曉泉,聞德榮.我國混凝土行業(yè)空前發(fā)展的一年2003年技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)簡要分析[J].混凝土,2004(7):7-11.

[2] Bachmann H,Steinle A.Precast Concrete Structures[M].Berlin:Wiley-VCH,2011:3-5.

[3] 柳炳康,宋滿榮,黃慎江,等.三層預(yù)壓裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架抗震性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2011(9):99-106.

[4] 柳炳康,黃慎江,宋滿榮,等.預(yù)壓裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架抗震性能試驗研究[J].土木工程學(xué)報,2011(11):1-8.

[5] 柳炳康,田井鋒,張瑜中,等.低周反復(fù)荷載下預(yù)壓裝配式PC框架延性性能和耗能能力[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2007(3):74-81.

[6] 柳炳康,張瑜中,晉哲鋒,等.預(yù)壓裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架接合部抗震性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2005(2):60-65，116.

[7] 柳炳康,黃慎江,宋滿榮,等.預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土裝配整體式框架擬動力試驗研究[J].地震工程與工程振動,2010(5):65-71.

[8] 楊曉波,柳炳康,黃慎江,等.二層二跨預(yù)壓裝配式混凝土框架節(jié)點的抗震性能研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2010(12):1830-1834.

[9] Staton John,William C Stone,Geraldine S Cheok.A Hybird Reinforced Precast Frame for Seismic Regions[J].PCI Journal,1997(2):20-32.

[10] 李振寶,董挺峰,閆維明,等.混合連接裝配式框架內(nèi)節(jié)點抗震性能研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2006(10):895-900.

[11] 范 力.裝配式預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究[D].上海：同濟大學(xué),2007.

[12] 吳從曉,賴偉山,周 云,等.新型預(yù)制裝配式消能減震混凝土框架節(jié)點抗震性能試驗研究[J].土木工程學(xué)報,2015(9):23-30.

Overview on pure dry assembly-style concrete joint performance

Cheng Donghui Tian Yehuan Xu Pengcheng

(CollegeofCivilEngineering,NortheastUniversityofForestry,Harbin150040,China)

The article introduces merits of pure dry assembly-style concrete structure, and analyzes advantages and disadvantages of pure dry assembly-style concrete joint form from aspects of preloading assembly-style joint, composite assembly-style joint, post integral joint and new joint, and finally points out that:optimizing joint form will be the development trend of pre-loading assembly-style concrete structure in future.

concrete structure, pure dry method, assembly style, joint form

1009-6825(2016)24-0035-02

2016-06-17

程東輝(1971- )，男，教授； 田曄環(huán)(1991- )，女，在讀碩士； 許鵬程(1994- )，男，在讀本科生

TU375

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