新型裝配式框架干式連接節(jié)點連接方式

張力濱 張洪澤

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

1 概述

傳統(tǒng)建筑的連接節(jié)點延性較差，一旦發(fā)生自然災(zāi)害，無法耗散能量，難以承受較大的承載力等，造價也極高[1]。受到地震，洪災(zāi)等自然因素的影響，傳統(tǒng)的建筑技術(shù)已經(jīng)漸漸的不能滿足社會生活的日常需求。與國產(chǎn)混凝土節(jié)點的力學(xué)性能研究相比，國外有更先進的設(shè)計方法。國外技術(shù)是通過組裝預(yù)制構(gòu)件來構(gòu)造鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)[2]。由于中國這方面起步較晚，技術(shù)缺乏，實驗研究和理論研究都存在一定的差距。本項目的目的是研究新型框架干接縫的力學(xué)性能以及新型預(yù)制混凝土框架節(jié)點的結(jié)構(gòu)與承載力分析之間的關(guān)系[3]，設(shè)計方案旨在改進裝配式框架節(jié)點干式牛腿梁柱的理論體系和設(shè)計方法。

因為施工方法的不同，可將混凝土結(jié)構(gòu)分為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)。現(xiàn)澆式混凝土結(jié)構(gòu)因抗震性好、性能強等優(yōu)點，在建筑施工中使用頻率高，但是存在混凝土材料笨重、制作工序繁雜、施工周期較長的問題[4]。預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)可以解決現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)施工中的問題[5]。預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)件施工方法可分為兩個階段，即預(yù)制構(gòu)件階段和施工現(xiàn)場安裝階段[6]。20世紀60年代的時候,在工業(yè)發(fā)展較好的國家中，由于建筑物的造價比工業(yè)產(chǎn)品造價的增長速度要快許多，而傳統(tǒng)的施工中一般使用的都是勞動力手段，需要花費大量的勞動力和時間，成為建筑成本高的主要因素之一[7]。隨著科技的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的建筑施工方法和技術(shù)造就的高造價建筑物無法適應(yīng)現(xiàn)階段工程建筑的發(fā)展，只能瀕臨淘汰。為了解決建筑行業(yè)的發(fā)展問題，國內(nèi)外許多的學(xué)者、科研人員等花費了大量的人力物力，在研究裝配式混凝土結(jié)構(gòu)。許多研究表明，混凝土結(jié)構(gòu)實際上是一個很好的建筑系統(tǒng)，具有傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)無法比擬的許多優(yōu)點。現(xiàn)階段在國外發(fā)達國家已經(jīng)投入使用，并且許多發(fā)展中國家也在開始使用預(yù)制混凝土技術(shù)，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)為當(dāng)下建筑行業(yè)的發(fā)展提供了方向[8]。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展在我國起步較早，我國在1950年初步對裝配式混凝土結(jié)構(gòu)進行了解，1970年開始真正意義上的研究[9]。盡管如此，中國對混凝土結(jié)構(gòu)的研究和一些發(fā)達國家存在一定的差距[10]。裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)具有環(huán)保、施工效率高等優(yōu)勢[11]。但這一結(jié)構(gòu)也存在無法應(yīng)用于多地震地區(qū)建筑的缺陷，即節(jié)點連接處可靠性能較弱。而正是因為這些問題的存在，我國許多的研究人員正在針對裝配式結(jié)構(gòu)框架的連接方式進行改造，多角度對裝配式框架干式連接點的受力性能進行分析，從而找到合適的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于建筑工程中。

2 裝配式框架的干式連接形式

2.1 牛腿連接

鋼筋混凝土明牛腿連接具有承載力較大，節(jié)點剛性較好，受力可靠等優(yōu)點，因此在眾多的裝配式鋼筋混凝土多層廠房中使用頗多。但明牛腿并非在建筑施工上普遍應(yīng)用，明牛腿會影響建筑的美觀以及空間的使用，因此只能應(yīng)用在較為普通的建筑上，如圖1所示。裝配施工中，根據(jù)構(gòu)造細節(jié)的不同，明牛腿的作法可以是鉸接連接，也可以是剛接方式。鋼筋混凝土暗牛腿相較于明牛腿而言，能夠使用在較美觀的建筑上，能夠為建筑的連接處創(chuàng)造較好的外形構(gòu)造等條件，但無法使用在靜力和動力性能的建筑設(shè)計上，所以其使用也是有限制的。如圖2所示，梁的中間被劃分，使得梁的一部分受到剪切。為避免其輪廓突出，需要十分的注重梁端和牛腿的配筋。型鋼暗牛腿主要用于一半梁高無法承受全部梁高的剪力中，型鋼暗牛腿能夠減小暗牛腿的高度，增加缺口梁梁端的抗剪性能。如圖3所示，在日常建筑中,利用混凝土包裹型鋼再進行暗牛腿的連接，實質(zhì)上與現(xiàn)澆的普通的配筋牛腿相似，可以直接伸到梁端的內(nèi)部，也可以不用混凝土包裹，但是這種做法一般需要在施工人員檢查仔細后方可灌縫，從而保證連接處側(cè)面沒有明顯的接縫。

如圖4所示為加拿大建筑中使用的型鋼暗牛腿鉸接連接方法，圖5為常見型鋼暗牛腿剛接連接方式，所示型鋼暗牛腿能夠彌補建筑中使用明牛腿而造成的建筑不美觀的缺點，同時型鋼暗牛腿的承載力較強，但型鋼暗牛腿也存在造價高的缺點。

2.2 鋼懸掛連接

鋼吊架式連接制作簡單，在北美洲國家使用較為廣泛。其中鋼軌型或者是工字型鋼的牛腿使用少。為了防止梁出現(xiàn)扭曲的情況，可以利用偏心荷載來阻止。如圖6所示，采用了外伸插銷方式來避免梁出現(xiàn)扭曲，外伸插銷置于鋼吊架的下方。鋼吊架式連接能夠做出柱子與梁的剛性連接，但是這一方法的構(gòu)造復(fù)雜，對施工的質(zhì)量要求，安裝精度很高，而且這種連接方式的承載力不足，故不適合承受高強度的荷載。

2.3 焊接連接

如圖7所示的焊接接頭缺點是容易發(fā)生脆性損傷。該方法沒有明顯的塑性鉸設(shè)置，抗震性能較差。在反復(fù)的地震荷載作用力下則會被損壞。但采用焊接連接的方法無需后期進行養(yǎng)護措施，也不用在施工時現(xiàn)澆混凝土。因此相較而言，焊接連接的方法能夠在一定程度上縮短施工的時間。施工所使用的良好的塑性鉸的焊接接頭是目前干式連接的未來研究方向。一般在建筑施工的時候，應(yīng)該充分安排好相應(yīng)構(gòu)件的焊接工序以減小產(chǎn)生的應(yīng)力。

2.4 螺栓連接

如圖8所示，螺栓連接的牛腿和預(yù)制梁(鉸接連接)為比利時的連接方式，采用組合式的連接，但圖8a)是開放式支架連接，而圖8b)為暗支架連接。比利時的連接方法可以抵抗較小的梁端彎矩和扭轉(zhuǎn)。

如圖9所示為螺栓連接方式，圖9a)為企口連接，圖9b)為螺栓連接的梁，此處可以傳遞剪力和彎矩，但是材料的屬性將會決定承載力大小，當(dāng)荷載較大時，螺栓連接較易開裂。因此這種連接方式不能長期適用，而是主要用于臨時性或者修補等用途。

2.5 其他連接方法

除了上述四種干式連接方式外，還有其他的連接方式，如圖10所示的連接方法，此時梁支撐于柱子上面的缺口，梁總承受豎向荷載力降低幅度不會太大，但是這樣的梁柱連接方法存在對柱子的整體動力性能產(chǎn)生影響的弊端，柱子的缺口處抵抗剪力的能力會下降，同樣所能夠承受的抗彎矩也不能太大，這種梁柱連接方法大多為鉸接連接，在預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較少。如圖11所示，在實際施工中，柱頂與梁的連接并不完美。

3 結(jié)論與展望

本文采用理論，對新型裝配式干式連接節(jié)點核心區(qū)承載力進行分析，主要研究了以下內(nèi)容，并得出結(jié)論:

1)對鋼筋混凝土暗牛腿進行受力分析，根據(jù)規(guī)范通過建立拉壓桿模型方法，確定拉壓桿和節(jié)點區(qū)的有效混凝土強度公式，建立平衡方程推導(dǎo)得到最大配筋率值，利用摩擦抗剪理論對鋼筋混凝土暗牛腿抗剪承載力進行驗算，確定拉壓桿和節(jié)點區(qū)有效混凝土強度公式;

2)對型鋼暗牛腿進行受力分析，對型鋼暗牛腿承載力進行計算，先后分別研究了國內(nèi)外和PCI規(guī)范中提到的三種柱中混凝土局部承壓驗算，并進行假定：埋入混凝土內(nèi)的型鋼應(yīng)力連續(xù)變化，且不計翼緣對暗牛腿應(yīng)力是否產(chǎn)生影響，推導(dǎo)出新的柱中混凝土局部承壓驗算公式;

3)進一步分析嵌入構(gòu)件在動載荷作用下的受力；根據(jù)連接構(gòu)件以及形成的塑性鉸不同，探究更多的干式連接方法；繼續(xù)深入探究連接構(gòu)造的變形情況和剛度問題。