裝配式鋼筋混凝土框架結構梁柱節點創新研究

周繼忠 陳少敏 鄭蓮瓊 顏桂云

(1.福建省土木工程新技術與信息化重點實驗室 福建福州 350118； 2.福建工程學院土木工程學院 福建福州 350118)

0 引言

2016年9月27日，國務院辦公廳發布《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》，要求按照適用、經濟、安全、綠色、美觀的要求，推動建造方式創新，大力發展裝配式混凝土建筑和鋼結構建筑，不斷提高裝配式建筑在新建建筑中的比例[1]。

框架結構具有建筑平面布置靈活，梁柱等構件易于標準化、定型化、預制率高等優點，是裝配式結構中研究和應用較為廣泛的一種結構體系。相比現澆鋼筋混凝土框架結構，裝配式鋼筋混凝土框架結構各預制構件間的連接是保證結構整體性的關鍵，其存在也將影響該類結構在地震作用下的力學性能。

本文在總結國內外裝配式鋼筋混凝土框架結構梁柱節點研究現狀基礎上，分析該類結構研究與應用中存在的問題，并提出一種全預制裝配式鋼管約束框架節點和防屈曲金屬板耗能阻尼器，最后對該新型裝配式梁柱連接節點的結構原理和抗震性能進行了初步分析。

1 預制裝配式鋼筋混凝土框架梁柱節點連接方式及研究現狀

各次大地震的震害調查表明，在整體倒塌的預制裝配式鋼筋混凝土建筑物中，預制梁、柱構件破壞較輕，而倒塌的主要原因是框架結構內各個構件間的連接破壞。因此，預制構件的連接及節點是裝配式結構的薄弱環節，也是裝配式結構抗震研究的重點及結構整體抗震研究的前提和基礎。預制裝配式鋼筋混凝土框架結構梁柱連接及節點，可以分為等效現澆(emulation monolithic)和整體裝配式(jointed precast)。其中，等效現澆包括預應力拼接和后澆整體式連接，整體裝配式包括螺栓連接和焊接連接等。

1.1 等效現澆梁柱節點研究現狀

后張預應力式梁柱節點，是利用預應力的夾持作用將梁、柱拼接到一起的一種節點形式。美國科學技術協會(NIST)1987年啟動的關于新型預制鋼筋混凝土梁柱節點的項目以及20世紀90年代美國和日本聯合進行的 PRESSS項目(Precast Seismic Structural Research Program)對這種節點形式進行了系列研究[2-4]，結果表明：后張預應力式梁柱節點具有良好的強度、剛度以及延性，在地震作用下構件的破壞較小，并且殘余變形很小，具有良好的恢復能力。但是，該類型節點單周和累積耗能能力較弱。雖然 Stone 等[5]對這種節點進行了相應的改進，使其耗能能力有明顯提高，但是與現澆結構相比仍然有一定的差距。

后澆整體式節點，采用局部二次澆灌混凝土連接預制構件的方式，具有操作簡單、對構件制作及安裝精度要求較低的特點。

Restrepo 等[6]進行了后澆整體式預制混凝土框架節點的反復加載試驗研究。試驗時，預制構件先在梁中進行搭接連接或焊接連接，然后澆混凝土。試驗表明: 梁中節點連接的具體構造對試件的整體受力性能影響不大，不同構造的試件在強度、耗能和延性等方面都表現良好。

趙斌等[7]進行了預制高強混凝土結構后澆整體式梁柱組合件抗震性能試驗研究，結果表明：預制后澆整體式高強混凝土梁柱節點在破壞形態、滯回曲線、位移延性等抗震性能與現澆高強混凝土梁柱節點相同。

閆維明等[8]對裝配式預制混凝土梁-柱-疊合板邊節點進行了抗震性能的試驗研究，結果表明：對于此類連接裝配式混凝土框架邊節點，與整體現澆節點具有相當的抗震性能，并建議采取增加梁底鋼筋在節點后澆處的錨固長度或者采取其他措施，減小拼縫處的開裂寬度，從而保證剪力鍵的抗剪能力，進而保證結構的整體性能。

我國現行規范《裝配式混凝土結構技術規程》(JGJ1-2014)[9]給出了裝配式鋼筋混凝土框架結構后澆整體式梁柱節點的設計方法和構造要求。

1.2 整體裝配梁柱節點研究現狀

整體裝配式[10]是指預制柱和預制梁的連接均通過灌漿套筒連接或在預制構件內預埋鋼元件，然后以牛腿、焊接或螺栓的形式連接達到等強連接的目的。

螺栓連接是一種干連接方式。范力[11]對采用單層和雙層橡膠墊螺栓連接的預制鋼筋混凝土裝配式框架梁柱節點進行試驗研究，其抗震性能不同于現澆節點。該類節點轉動剛度小、彈性變形能力大、耗能差、延性低、彎矩-轉角滯回曲線呈非線性彈性特征，力學模型可以采用簡化的轉動彈簧模型表示。

郭子雄[12]提出了一種應用于裝配式鋼筋混凝土柱-鋼梁(RCS)框架節點的新型螺栓連接方式即螺栓一鋼板桶連接，如圖1所示，并對該連接方式進行4個1/2比例的框架節點進行了低周反復加載試驗研究，分析了節點區加勁腹板厚度及開洞對節點抗震性能的影響。研究結果表明：采用該型連接方式具有良好的可靠性，節點的剪切變形較小，加勁腹板開洞對節點受力性能影響不大，但加勁腹板對節點抗剪承載力的貢獻程度有待進一步研究。

圖1 新型RCS混合節點構造[12]

根據功能需求不同，牛腿連接可以設置成明牛腿連接和暗牛腿連接，如圖2所示。

(a)明牛腿節點 (b)暗牛腿節點 圖2 牛腿連接的裝配式框架梁柱節點[13]

明牛腿連接承載力高，我國裝配式多層廠房結構大都采用預制長柱明牛腿框架型式。蔣永生[13]進行了鋼筋混凝土框架節點梁端抗震性能的試驗研究，研究了明牛腿節點在反復循環荷載作用下的受力性能。研究結果表明：這種剛性節點在地震荷載作用下具有較大的承載能力，耗能能力較強，并且具有較好的延性，總的來說，抗震性能較好。但是，明牛腿的做法，由于在建筑上影響美觀和占用空間，應用不是很普遍。

暗牛腿應用于對空間美觀要求較高的住宅建筑中，能避免影響空間和利于建筑美觀，為連接處外形構造和設備使用等創造了良好的條件。但是，暗牛腿施工較為復雜，且不利于結構靜力和動力性能的設計；此外，暗牛腿節點還存在局壓現象，局部混凝土壓碎可能會影響節點的承載力[14]。

焊接連接在施工中避免了現場澆筑混凝土，對環境污染小，典型的焊接連接方式如圖3 所示。

圖3 焊接連接的裝配式框架梁柱節點

1993年，Ersoy[15]研究了框架梁跨中焊接連接節點的抗震性能。Ersoy在框架梁跨中的連接中采用頂板、底板和側板的焊接連接方法。這種連接方式剛度大，施工快捷，Ersoy進行了5個焊接節點和2個現澆節點的對比試驗。結果表明：焊接節點的強度、剛度、耗能都與現澆節點相當。連接側板對該焊接節點具有重要意義，沒有側板的節點承載能力將會大大下降，變形也會顯著增加。

黃祥海[16]通過建立有限元模型對圖4所示企口連接梁柱節點進行了分析，結果表明：新型節點的承載能力與同等條件下的整澆混凝土梁柱節點的承載能力相當，且變形能力要好于整澆節點。同時說明，提出的新型干式節點為強節點，通過合理設計的鋼板蓋可以較好地實現整體連接的良好受力和變形性能。

朱筱俊[17]等利用剪切摩擦和拉壓桿模型理論，對企口連接斜企口梁進行分析，并推導出極限承載力公式，與試驗數據對比得出極限承載力公式無較大偏差。

圖4 企口連接裝配式框架梁柱節點[16]

Ertas 等[18]分別對4種類型節點進行了低周反復加載試驗研究，包括現澆節點、螺栓連接節點、焊接節點和后澆整體節點。試驗結果表明：螺栓連接節點和后澆整體式節點的抗震性能同等于現澆節點。螺栓節點的耗能能力、位移延性及剛度和強度退化等抗震性能優于其他預制節點。

上述研究結果表明，預應力拼接裝配式節點及連接的強度和剛度，能夠接近或達到等效現澆節點的水平，但其耗能能力低于現澆節點。后澆整體式節點的力學性能和抗震性能，則接近或達到現澆節點的相應性能水平，其中疊合梁、板的做法減少了現場模板的工作量，但是節點核心區的鋼筋連接密集和混凝土澆筑難度較大，施工質量難以保證。焊接連接節點的整體性和強度較接近于現澆節點水平，但焊接連接節點的現場施工質量較難控制，且在反復地震荷載作用下容易發生脆性破壞，在地震作用下可能無法形成塑性鉸，耗能低。螺栓連接節點及連接剛度相對較弱，整體性相對較差，但螺栓連接節點適合于裝配式結構的現場施工。

1.3 新型全預制裝配式干連接節點研究現狀

近年來，新型全預制裝配式干連接節點形式成為裝配式建筑研究的熱點。

孫巖波[19]進行了4個型鋼混凝土框架節點試件的低周反復加載試驗，包括一個裝配式型鋼混凝土框架中節點、一個裝配式型鋼混凝土框架邊節點、兩個相應現澆混凝土框架節點。試驗結果表明：裝配式與現澆節點具有相近的破壞形態，且4個節點均實現了梁端塑性鉸破壞機制，兩個裝配式節點與其相應的現澆對比試件的剛度退化規律基本一致。裝配式型鋼混凝土框架節點與現澆對比試件具有相近的抗震性能，實際工程中可參照現澆型鋼混凝土框架結構。非線性有限元計算模型得到的整體變形、破壞形態與試驗結果基本一致。

苗小燕[20-21]采用高強螺栓將裝配式節點的預制梁和預制柱通過預埋型鋼連接在一起。首先，通過足尺試驗方法與現澆混凝土梁柱節點進行對比，研究了這種新型裝配式框架節點的滯回曲線、骨架曲線、延性、剛度、耗能能力等受力機理和抗震性能。試驗研究結果表明：這種新型裝配式框架連接節點，可以獲得與傳統現澆節點相當的抗震性能。

張亨通[22]設計一個截面配筋尺寸完全相同的裝配式型鋼混凝土梁柱中節點與現澆式型鋼混凝土梁柱中節點，對這2個節點的梁端采用相同制度的低周反復荷載的加載形式，從它們的破壞形態、應力分布、滯回曲線、骨架曲線、極限荷載等多方面進行了比較分析。結果表明：裝配式型鋼混凝土框架節點與現澆式型鋼混凝土框架節點，在破壞形態與滯回曲線等方面基本保持一致。基此表明，裝配式型鋼混凝土連接處的承載力，基本可以等效于整澆型鋼混凝土梁柱節點。

韋諱[23]提出了暗牛腿-法蘭連接、榫式-法蘭連接全預制裝配式混凝土結構梁柱節點構造，并基于ABAQUS軟件建立了榫式-法蘭連接梁柱節點連接與現澆梁柱節點有限元分析模型，計算結果表明，新型連接構件的承載能力比同條件下的現澆構件有所提高，延性相當。同時，計算分析了螺栓個數、鋼板厚度、榫頭長度對新型梁柱節點承載力及變形的影響，提出了相應的設計構造建議。

目前，全預制裝配式框架梁柱干連接節點主要存在以下問題：

(1)節點處的連接沒有改變傳統鋼筋混凝土結構的構造，僅在原來節點處通過螺栓連接或預埋鋼構件實現節點連接，前者使節點核心區的混凝土受到削弱，后者使得節點在原配筋的基礎上增加了大量的鋼材，節點核心區的配筋率大大增加，且預制梁柱節點核心區鋼筋密集，增大了混凝土澆筑振搗難度。

(2)裝配式框架節點采用螺栓連接時，由于梁端剪力通過螺栓傳遞給核心區混凝土，與栓桿接觸處的混凝土容易出現局部受壓破壞，且其傳力的可靠性受螺栓質量及施工質量限制，使其抗剪能力不能得到保證。在核心區內設置豎向鋼板并與外圍鋼板桶連接形式，梁端剪力首先傳遞給鋼板桶，通過鋼板桶剪力是傳遞給核心區內部的混凝土還是豎向鋼板尚不明確，且外側鋼板桶對下柱外側混凝土出現剪壓作用，不利于荷載傳遞。

(3)目前預制梁內為了滿足連接要求，多采用型鋼混凝土，工字鋼上下翼緣較寬，又有縱向鋼筋與箍筋，增加框架梁預制過程中混凝土澆筑振搗難度，使預制梁質量無法保證。

(4)一些梁柱節點的連接面在柱邊，安裝拆卸過程施工難度大，對承載能力影響較大。

此外，裝配式結構大部分研究，集中于增強結構本身的抗震能力，其中利用耗能減震技術來相應提高裝配式結構的抗震能力研究相對較少，強震作用下結構產生的損傷和破壞給修復和后續使用帶來困難。

針對上述問題，有必要對裝配式鋼筋混凝土框架結構的連接形式及節點進行創新性研究，從而滿足更高抗震性能目標要求。基此，本研究提出一種新型全預制裝配式鋼管約束框架節點，并在框架結構預制梁與預制節點核心區外伸梁段，采用往復彎曲耗能鉸連接，實現傳統梁柱拼裝連接節點的外移，消除拼裝薄弱環節，保護節點核心區的完整性，且連接節點具有良好的耗能能力和塑性可控特性。

2 新型全預制裝配式鋼管約束框架節點

2.1 新型節點構造及加工

本研究提出的全預制裝配式鋼管約束框架節點，包括核心區內骨架、約束鋼管和梁端鋼筋骨架，其中，核心區內骨架由平行于梁縱向鋼筋設置的橫隔板以及穿設于橫隔板的穿筋套管組成，橫隔板上設置有注漿孔和排氣孔，如圖5所示。核心區內骨架安裝于約束鋼管內，梁端縱筋和鋼腹板焊接于約束鋼管外；焊接時，為確保傳力路徑明確，梁縱向鋼筋應與橫隔板處于同一水平面。考慮到節點兩側梁高設置不同時，可調整中橫隔板與另一側梁底縱筋處于同一水平面。梁端鋼筋骨架另一端部焊接固定一連接鋼板和鋼梁，鋼梁上按要求設置螺栓孔用于連接預制梁或阻尼器。

(a)預制節點骨架結構 (b)核心區內骨架圖5 全預制裝配式鋼管約束框架節點結構示意圖

全預制裝配式鋼管約束框架節點梁段澆筑混凝土并養護至符合要求后，運至裝配現場通過圖6所示耗能阻尼器與預制梁連接。防屈曲翼緣金屬板耗能阻尼器的主體分為內核單元、約束單元和無粘結層，其構造如圖6(b)所示。內核單元采用屈服強度低、延性好的金屬板，常采用低屈服點鋼或軟鋼，為主要受力耗能元件。內核單元金屬板端部設有螺栓孔，通過摩擦型高強螺栓與預制梁中預埋鋼梁相連。為防止內核單元在受壓過程中的屈曲，采用鋼板制作成矩形套筒作為約束單元，并在約束單元與內核單元之間填充薄橡膠層或類似無黏結材料，防止外圍約束單元通過摩擦或黏結，與內核單元共同承受軸向荷載。

(a)預制節點與預制梁連接

(b)防屈曲翼緣金屬板耗能阻尼器構造圖6 金屬耗能阻尼器

預制節點外伸梁段預埋H型鋼腹板與預制鋼筋混凝土梁端預埋H型鋼腹板截面對齊后，兩側各設置1片連接鋼腹板，通過螺栓連接，確保中心傳力。連接鋼腹板中部區域一側預留方形或弧形缺口，設備管道可從腹板連接板預留孔穿過，增加對室內凈空高度的建筑使用功能要求。

2.2 新型預制裝配式框架結構安裝

使用全預制裝配式鋼管約束節點的框架結構裝配施工順序如下：

(1)新型節點與下柱連接，如圖7a所示，預制鋼筋混凝土下柱安裝完成后，吊裝全預制裝配式鋼管約束節點就位，使下柱縱筋穿過節點的穿筋套管，再往注漿孔中注入灌漿料，灌漿料填充預制柱與上橫隔板間預留空間后從穿筋套管溢出，形成連接層。

(2)新型節點與上柱連接，將步驟(1)中穿過節點的下柱縱筋與上柱內預埋的灌漿套筒進行灌漿連接。

(3)將預制節點外伸梁段端部預埋H形鋼梁，通過耗能阻尼器與預制鋼筋混凝土梁連接。

(a)新型節點與下柱連接示意圖

(b)新型節點與預制梁連接示意圖

2.3 新型預制裝配式框架結構原理及特色

新型預制裝配式框架結構中，梁端彎矩產生的縱向鋼筋拉力，通過與其處于同一水平面的上下橫隔板傳遞至節點核心區。梁端剪力由高強腹板連接板承擔，并通過節點約束鋼管傳遞給橫隔板，再由橫隔板傳遞到節點核心區混凝土，節點荷載傳遞路徑明確，便于受力分析。新型節點在核心區外設置約束鋼管，能夠提高節點側向約束，混凝土的強度和延性，實現強節點、弱構件的抗震概念。

該節點連接在正常使用與小震時表現為剛性行為。在中、大震作用下，由于阻尼器采用低屈服鋼，且在內核單元的金屬板截面進行一定區域長度的局部削弱，因此率先屈服，在框架梁上形成塑性鉸耗能，主體梁柱構件可以在設計的位移水準下幾乎沒有損傷。防屈曲翼緣金屬板耗能阻尼器設置在距離梁柱連接節點根部一定距離，實現塑性鉸從柱面外移從而減少對節點核心區的損傷，避免整體節點失效，震后修復工作較少，僅為更換防屈曲翼緣金屬板耗能阻尼器。

圖5所示的節點形式具有以下特點：

(1)節點核心區骨架構造采用橫向隔板，使得節點荷載傳遞路徑明確，便于受力分析，梁端剪力通過約束鋼管傳遞給橫隔板，再由橫隔板傳遞到節點核心區混凝土，從而將荷載傳遞給柱子。

(2)節點核心區混凝土內鋼筋通過穿筋套管進行約束，無需配制箍筋，便于節點制作及混凝土澆筑。

(3)梁端預埋件不改變現有鋼筋混凝土梁的配筋情況，便于澆筑混凝土，且在梁內加入豎向鋼板增加梁端抗剪承載力，實現“強剪弱彎”。

(4)采用被動耗能阻尼器的減震技術應用于裝配式混凝土框架結構體系中，可控制結構的失效模式，使結構在安裝耗能阻尼器處集中變形耗能，減輕主要結構構件的損傷。

(5)全預制裝配式鋼管約束框架節點與預制梁通過螺栓連接，施工方便，且能夠實現震后可修復、可更換。

3 結論

裝配式鋼筋混凝土結構的優勢眾多，能夠投入使用并得到推廣的關鍵，即保證預制裝配式構件與構件之間連接是否能發揮抗震優異性的同時，又有施工方便、價格低廉、性能穩定以及可修復性等特性。本研究的新型預制裝配式框架，不僅有效發揮抗震性能且施工方便，能夠實現震后可修理、可更換，結構造價經濟，性能穩定。

[1] 郝際平，孫曉嶺，薛強，等.綠色裝配式鋼結構建筑體系研究與應用[J].工程力學，2017，34(1):1-13.

[2] CHEOK G S， LEW H S.Model precast concrete beam-to-column connections subject to cyclic loading[J]．PCI Journal, 1993, 38(4):80-92．

[3] CHEOK G S，LEW H S.Performance of precast concrete beam-to-column connections subject to cyclic loading[J]．PCI Journal，1991，36(3):56-67．

[4] PRIESTLEY M J N，MACRAE G A．Seismic tests of precast beam-to-column joint subassemblages with unbonded tendons[J].PCI Journal, 1996, 41(1):64-81.

[5] STONE W C, CHEOK G S, STANTON J F．Performance of hybrid moment-resisting precast beam-column concrete connections subjected to cyclic loading[J].ACI Structural Journal, 1995, 92(2):229-249．

[6] Resrepo J.I., Park R., et al.Tests on Connections of Earthquake Resisting Precast Reinforced Concrete Perimeter Frames of Buildings [J].PCI Journal, 1995, 40(4): 44-60.

[7] 趙斌，呂西林，劉海峰.預制高強混凝土結構后澆整體式梁柱組合件抗震性能試驗研究[J].建筑結構學報，2004，25(6):22-28.

[8] 閆維明，王文明，陳適才.裝配式預制混凝土梁-柱-疊合板邊節點抗震性能試驗研究[J].土木工程學報，2010，43(12):56-61.

[9] 楊旭.裝配式整體式混凝土框架節點抗震性能試驗研究[D].北京:北京建筑大學碩士學位論文，2014.

[10] JGJ1-2014 中華人民共和國行業標準.裝配式混凝土結構技術規程[S].北京：中國建筑工業出版社，2014.

[11] 范力.裝配式預制混凝土框架結構抗震性能研究[D].上海：同濟大學，2008.

[12] 郭子雄，朱奇云，劉陽，等.裝配式鋼筋混凝土柱-鋼梁框架節點抗震性能試驗研究[J].建筑結構學報，2012(7):98-105.

[13] 蔣永生,藍宗建,馮紀寅.鋼筋混凝土框架節點梁端抗震性能的試驗研究[J].南京工學院學報,1980,(4):32-39.

[14] 廖振，梁書亭．全裝配式混凝土框架型鋼暗牛腿節點受力性能分析[R]．南京:東南大學，2010.

[15]Ersoy U， Tankut T.Precast concrete members with welded plate connections under reversed cyclic loading[J].PCI Journal， 1993， vol.38(4):94-100.

[16] 黃祥海.新型預制裝配式混凝土框架節點的研究 [D].南京：東南大學，2006.

[17] 朱筱俊，吳見豐，武川川，等.新型全預制裝配框架體系中斜企口梁的受力性能分析[J].工業建筑，2011，41(01):64-67.

[18] Ertas，Onur，Sevket Ozden，et al．Ductile Connections Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting Vol.34 ，No.4 2012in Precast Concrete Moment Resisting Frames[J]．PCI Journal，2006，vol.(3):66-76.

[19] 孫巖波.裝配式型鋼混凝土框架節點抗震性能試驗研究[D].北京：北京建筑大學,2010.

[20] 苗小燕.裝配式混凝土框架結構新型梁柱型鋼連接節點研究[D].北京：北京建筑大學，2016.

[21] 程蓓，苗小燕，徐建偉.一種新型裝配式混凝土框架結構連接節點試驗研究[J].工業建筑，2015，45(12):94-98，199.

[22] 張亨通.裝配式型鋼混凝土梁柱連接處抗震性能研究[D].合肥：安徽建筑大學，2016.

[23] 韋瑋.全預制裝配式混凝土結構節點研究[D].沈陽：東北大學，2014.