裝配整體式框架結(jié)構(gòu)節(jié)點連接設(shè)計

閆帥

摘要：在裝配整體式框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，各種預(yù)制構(gòu)件之間的有效連接，是保證框架結(jié)構(gòu)剛度、承載能力、變形能力、耗能能力的關(guān)鍵因素，直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)的整體受力性能及地震時的抗倒塌能力。本文結(jié)合某具體的工程實例，詳細(xì)介紹了裝配整體式框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中的各種節(jié)點連接方法，可為后續(xù)相關(guān)工程的設(shè)計提供技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：裝配整體式框架;梁板節(jié)點;梁柱節(jié)點;柱柱節(jié)點;連接設(shè)計

1 引言

近年來，為了響應(yīng)政府綠色、低碳的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，建筑業(yè)逐步由現(xiàn)場澆筑混凝土模式向工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼裝模式轉(zhuǎn)變。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)具有工廠批量化生產(chǎn)、構(gòu)件成型質(zhì)量高、施工質(zhì)量可控等優(yōu)點，是推進(jìn)整個建筑產(chǎn)業(yè)由傳統(tǒng)粗放模式向現(xiàn)代集約方式轉(zhuǎn)變的必經(jīng)之路[1]。裝配整體式框架結(jié)構(gòu)中各預(yù)制構(gòu)件間的節(jié)點連接對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用，不僅影響結(jié)構(gòu)的受力性能，對全壽命周期的耐久性能也有直接影響。同時，節(jié)點的構(gòu)造要求也直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)整體的安全性能，是裝配式框架結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工中必須嚴(yán)格把控的關(guān)鍵點，必須引起足夠的重視。

2 工程概況

本工程為江蘇省南通市某小學(xué)教學(xué)樓，地上四層，抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類，采用裝配整體式框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計地震分組為第二組，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.15g。本工程采用盈建科結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進(jìn)行框架主體結(jié)構(gòu)設(shè)計，使用TEKLA軟件進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件從模型放樣、碰撞檢查到構(gòu)件詳圖的全流程深化設(shè)計。根據(jù)南通市當(dāng)?shù)匮b配式方面的政策，需達(dá)到預(yù)制率40%的最低要求，設(shè)計時采用了預(yù)制疊合樓板、預(yù)制框架梁、預(yù)制框架柱等預(yù)制構(gòu)件。本工程為重點設(shè)防類建筑，對結(jié)構(gòu)安全性要求較高，因此在設(shè)計時經(jīng)多方案比選后，采用了安全可靠的預(yù)制構(gòu)件節(jié)點連接方式，以期達(dá)到預(yù)定的設(shè)計效果。

3 梁板節(jié)點連接設(shè)計

樓板是結(jié)構(gòu)中重要的受力構(gòu)件，一方面直接承受各種豎向荷載作用，另一方面將結(jié)構(gòu)連成一個整體、傳遞水平地震作用，增加結(jié)構(gòu)整體剛度。工程中通常采用疊合樓板的形式，即預(yù)制底板+現(xiàn)澆混凝土疊合層的形式，這樣既減少了現(xiàn)場的支模工程量、加快施工進(jìn)度、降低工程造價，又可以保證樓板的整體受力性能，達(dá)到預(yù)定的設(shè)計目標(biāo)。

為滿足樓板的整體工作性能，本工程設(shè)計時采用雙向板方案，預(yù)制板塊之間通過預(yù)留后澆帶、兩側(cè)板底預(yù)制層鋼筋互相搭接錨固、板頂現(xiàn)澆層鋼筋拉通布置的方式，來保證各預(yù)制板塊之間的有效連接;同時，在預(yù)制板頂面預(yù)留粗糙面，保證與現(xiàn)澆層混凝土有良好的粘結(jié)性能，形成整體共同受力的雙向疊合板。預(yù)制板下部鋼筋在板端伸入梁支座內(nèi)不小于5d且伸過支座中心線，端支座樓板上部鋼筋錨入預(yù)制疊合梁中，而中間支座樓板上部鋼筋則在預(yù)制疊合梁內(nèi)拉通布置，后期疊合板頂現(xiàn)澆層與疊合梁頂現(xiàn)澆層混凝土共同澆筑成整體。本工程典型梁板節(jié)點連接大樣見圖一。

4 梁柱節(jié)點連接設(shè)計

梁柱節(jié)點核心區(qū)是整個框架結(jié)構(gòu)中受力最復(fù)雜的部位，鋼筋上的拉應(yīng)力和混凝土內(nèi)的壓應(yīng)力共同作用于節(jié)點核心區(qū)，在各種力的耦合作用下，會形成正交的斜向拉壓應(yīng)力場，逐步發(fā)展成交叉的斜裂縫，進(jìn)而導(dǎo)致梁柱節(jié)點的剛度、變形能力發(fā)生退化，造成結(jié)構(gòu)整體的承載能力下降[2]，最終伴隨鋼筋受拉屈服、混凝土受壓破壞，節(jié)點域形成塑性鉸，導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)喪失承載能力[3]。

本工程位于7度、0.15g地區(qū)，且為重點設(shè)防類建筑，地震作用大，軟件計算出的框架梁柱配筋均較大，故本工程框架梁柱縱向受力鋼筋均選用HRB500鋼筋，這樣可以有效減少縱向鋼筋的數(shù)量，方便預(yù)制梁柱節(jié)點的現(xiàn)場拼裝以及節(jié)點核心區(qū)現(xiàn)澆混凝土的振搗密實。同時在預(yù)制梁端設(shè)置鍵槽及粗糙面，可以實現(xiàn)預(yù)制梁端與節(jié)點后澆混凝土的有效粘結(jié)，提高節(jié)點核心區(qū)的承載能力。相關(guān)試驗結(jié)果表明，預(yù)制梁端采用鍵槽方式進(jìn)行連接時，梁端的受剪承載力一般會大于僅采用粗糙面的連接方式，且便于控制構(gòu)件廠的加工質(zhì)量及出廠檢驗效果。鍵槽深度太小時，梁端截面容易發(fā)生承壓破壞，故本工程鍵槽深度設(shè)計為30mm，每個預(yù)制梁端頭設(shè)置兩個鍵槽。本工程在施工圖審查階段，專家提出需按《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》相關(guān)要求進(jìn)行預(yù)制梁端的斜截面受剪承載力驗算，經(jīng)計算復(fù)核，在地震工況下，梁端受剪承載力略欠，故采用在梁端疊合面附加抗剪鋼筋的方法進(jìn)行補強(qiáng)，達(dá)到抗剪承載力的要求。本工程典型梁柱節(jié)點連接大樣見圖二。

5 柱柱節(jié)點連接設(shè)計

框架柱是整個結(jié)構(gòu)體系中最重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，上下層預(yù)制柱的節(jié)點連接直接關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，是預(yù)制構(gòu)件連接中至關(guān)重要的一環(huán)。

經(jīng)過多年實踐探索，目前工程中應(yīng)用較廣的預(yù)制框架柱連接方法主要包括榫式接頭連接、漿錨搭接連接以及套筒灌漿連接三種形式。榫式接頭連接是指在上柱的下端設(shè)置凸起的榫頭，吊裝到位后將上下柱的縱向受力鋼筋進(jìn)行焊接連接，然后再澆筑節(jié)點核心區(qū)混凝土;這種接頭形式對構(gòu)件廠加工要求較高，工藝較復(fù)雜，實際工程中較少采用。漿錨搭接連接是指在上柱下端埋設(shè)一定數(shù)量的孔道，將下層預(yù)制柱的縱向受力鋼筋插入對應(yīng)孔道后灌漿密實;這種連接技術(shù)受到的限制較多，不僅對構(gòu)件廠生產(chǎn)時的成孔質(zhì)量要求較高，而且對現(xiàn)場灌漿時的壓力有嚴(yán)格要求，防止壓力過高造成孔道壁破損影響連接質(zhì)量。套筒灌漿連接則是在上柱下端預(yù)埋對應(yīng)數(shù)量的套筒，吊裝到位后向套筒內(nèi)壓注高強(qiáng)灌漿料，待灌漿料達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，即可實現(xiàn)縱向受力鋼筋的可靠連接和有效傳力。相比于榫式連接和漿錨搭接，套筒灌漿連接具有施工簡單、安全可靠、通用性強(qiáng)等優(yōu)點，也是目前工程中使用比例較高的一種的連接方式。

本工程設(shè)計采用全灌漿套筒并配以水泥基高強(qiáng)灌漿料，灌漿料的抗壓強(qiáng)度、豎向膨脹率、工作性能應(yīng)分別符合表1～表3的各項要求。

在套筒內(nèi)部設(shè)置的錐楔及微膨脹灌漿料的共同作用下，可以對上下層預(yù)制柱的縱向受力鋼筋形成良好的粘結(jié)力、咬合力和握裹力，保證上下層框架柱的整體工作性能。為了減少柱內(nèi)的鋼筋數(shù)量、方便上下柱端鋼筋連接，本工程框架柱均采用直徑25mm的HRB500高強(qiáng)鋼筋，可以提高節(jié)點核心區(qū)混凝土的澆筑質(zhì)量;同時，對灌漿套筒連接區(qū)域的框架柱箍筋采取加密、加強(qiáng)措施，有效保證箍筋的約束作用，提高框架柱的抗震抗剪承載力。本工程在預(yù)制柱的底部設(shè)置鍵槽及粗糙面，同時，在上柱底部預(yù)留20mm的坐漿層，在梁柱節(jié)點混凝土澆筑完成后，對坐漿層進(jìn)行壓密灌漿，有效保證了上下柱的連接效果。本工程典型柱柱節(jié)點連接大樣見圖三。

6. 結(jié)語

本工程已順利通過竣工驗收并交付業(yè)主使用兩年有余，業(yè)主反饋各項使用功能均良好，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。本文通過具體的工程設(shè)計實例，對裝配整體式框架結(jié)構(gòu)的各種節(jié)點連接設(shè)計方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析和論述，總結(jié)出了一套行之有效的節(jié)點連接設(shè)計方法，可對相關(guān)裝配式項目的設(shè)計工作起到強(qiáng)有力的理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。當(dāng)前，裝配式建筑處于快速發(fā)展期，但由于理論、材料、工藝等方面的滯后，讓裝配式建筑的更大規(guī)模推廣應(yīng)用受到一定的限制，如何解決好節(jié)點連接和安裝質(zhì)量、預(yù)制構(gòu)件節(jié)點配筋復(fù)雜等關(guān)鍵問題，對于我國裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計水平和施工建造都具有重要意義，將引領(lǐng)整個行業(yè)的巨大進(jìn)步。

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