裝配式預應力框架結構抗震性能研究綜述

喻逸凡， 劉逸飛， 徐道陽

（揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127）

0 引言

預制裝配式結構是一種新型建筑結構體系，與傳統的現澆建筑結構相比，預制裝配式結構施工速度快、生產效率高、現場濕作業少、生產環境穩定、構件標準化程度高，并且預應力的使用保證了結構的整體性和控制了混凝土的變形裂縫。框架的連接節點既是預制裝配式結構體系的重點，也是裝配式結構的薄弱環節。裝配式結構的梁柱節點連接部位具有良好的抗震性能，并且在地震荷載下不先于構件的其它部位破壞，對于預制混凝土框架結構的工業產業化和節約資源具有巨大的經濟性和實用性。

通過國內外學者多年的研究，在預制裝配技術方面已經取得一些成果。目前是我國建筑工業化處于生產方式轉型和推廣應用的重要階段，結合國情和國民經濟的發展水平，國內的建筑工業化的發展道路上仍然存在著生產技術滯后、裝配式混凝土結構體系研究不成熟等問題，尤其是在結構認知、機理分析和設計應用等方面，仍存在著明顯的理論缺乏。如何設計施工高效、安全性高、抗震性能及抗剪性能好的預制裝配式結構是目前研究的熱點。

1 國內研究現狀及分析

2004年，趙斌等[1]提出了一種全裝配式梁柱節點方案，并在低周往復載荷下進行了模型試驗，以研究和分析該種節點的各項抗震性能指標參數。節點在預制混凝土柱內預埋螺桿，同時把用于連接梁端板的鋼板預埋在混凝土柱內，最后通過梁端的工字接頭與預制柱的預埋鋼板進行連接，拼裝成梁柱節點整體。通過后續研究發現，在預制梁端的工字接頭與柱內預埋鋼板的接觸面附加橡膠墊片可以減小梁柱節點殘余變形，但是仍缺乏耗能能力，有必要采取相應措施來改進節點耗能不足的缺陷。

2005年，柳炳康等[2]制作了兩榀包含暗牛腿的預壓裝配式混凝土框架梁柱組合體方案，并開展了低周往復荷載試驗。研究發現結構的整體耗能能力較好，梁端截面的剪力主要受到暗牛腿的抵抗，并且梁端具有良好的轉動能力，預應力筋在試驗過程中保持彈性狀態可以使節點具備較強的變形恢復能力，方便地震后進行快速修復。

2006年，董挺峰等[3]提出以四束預應力筋作為預制梁柱節點的主要連接方式，如圖1所示，并且制作出5個無粘結預應力裝配式混凝土梁柱節點，開展了低周往復荷載試驗研究。試驗結果表明，與現澆節點相比，此類節點地震作用下的抗震性能較好，并且其延性和自恢復能力表現更強。

圖1 董挺峰試驗節點（單位：mm）

2010年，韓建強等[4]通過對現澆鋼筋混凝土框架結構、附加角鋼和附加阻尼器的預應力裝配式框架結構梁柱節點進行低周反復荷載作用下的試驗，如圖2、圖3所示，研究了節點的裂縫分布、破壞形態、滯回曲線及位移延性等抗震性能，結果表明附加角鋼和附加阻尼器的裝配式框架結構具有良好的抗震性能，具有廣闊的應用前景。

圖2 角鋼裝配試件

圖3 附加阻尼器裝配試件

2018年，王書磊等[5]結合預制結構和組合結構的優點，提出了一種新型的裝配式鋼筋混凝土柱與鋼梁節點連接方式。同時，通過對預埋鋼筋和T形件的合理設計，節點域的失效模式為T形件的塑性鉸線失效機制，對梁、柱等主要受力部位進行保護，使損傷部位能夠快速修復和替換。采用試驗和有限元分析相結合的形式，研究了裝配式梁柱節點在靜力和低周往復荷載作用下的力學性能和工作機理，分析了不同試驗參數對節點力學性能的影響，確定了節點在靜力和往復荷載作用下的承載能力，揭示了不同荷載作用下節點的損傷規律。

2019年，王蘇等[6]提出了一種新型的鋼筋混凝土框架梁柱節點，節點采用鋼板焊接，通過預埋型鋼將預制梁和柱連接在一起。如圖4所示，通過試驗研究和數值模擬，研究了節點的滯回曲線、骨架曲線、承載力、剛度、延性和能耗。對于不同變量作用下，梁柱節點抗震性能會產生的影響進行了分析。根據試驗結果和數值模擬結果，提出了新型裝配式梁柱節點的設計方法和施工要求。

圖4 預制節點詳圖（單位：mm）

2020年，陳燕友等[7]根據預應力預制裝配式混凝土結構的力學性能，確定了混凝土結構節點的連接方式。為了提高預制預應力混凝土框架結構的力學性能，對預制預應力混凝土結構的混凝土形式及節點的相關參數進行了科學設計。

2020年，王磊等[8]針對目前裝配式節點的種類繁多，具體構造差別很大，在以往進行的節點抗震研究中，主要研究的是后澆整體節點和焊接節點等等效現澆節點，對螺栓連接類型的裝配式節點研究較少的這一現狀，提出了一種新型裝配式節點，進行加載低周反復荷載數值模擬分析，初步計算了該新型節點的抗震性能。

綜上所述，國內主要集中于對于節點連接形式的研究，國內學者提出了許多不同連接方式的預制梁柱節點并且通過試驗研究和數值模擬的手段分析其抗震性能，相較于現澆節點，新型裝配式梁柱節點具有更好的抗震性能，但是對于結構體系的整體受力機理研究還不充分。

2 國外研究現狀及分析

1993年，ErsoyU等[9]制作了預制混凝土干式連接節點，通過焊接梁上鋼板對結構進行拼接，如圖5所示，研究分析連接節點的低周往復荷載試驗。發現與現澆節點相比，干式連接節點的強度、剛度、延性以及耗能能力等抗震性能表現良好，而連接部位側板的布置對節點承載能力和結構變形的影響較大。

圖5 Ersoy U焊接連接節點

1994年，Priestley和MacRae[10]提出了一種無粘結后張預應力預制混凝土框架節點形式，此類型節點在梁截面的中軸線上下兩側布置通長預應力筋，相較于現澆混凝土節點，因為梁端的水平剪力難以通過無粘結預應力筋傳遞至節點核心區，因此大部分的水平剪力的傳遞主要是通過柱混凝土的斜壓桿作用，傳力機理可以大大降低梁內縱筋和節點核心區箍筋的配筋率。在受到地震作用時，雖然采用該種連接方式的梁柱節點的變形恢復性能較好，但具有耗能能力較差、梁端角部局部破壞較為嚴重以及節點核心區的抗剪性能難以保證等缺陷。

1995 年，Nakaki[11]和 Englekirk[12]建議了一種核心區內置延性連桿的螺栓-高延性連桿節點方案，如圖6所示，先將高延性的合金連桿預埋在混凝土柱內，然后通過桿端的杯狀端頭將高強螺栓和梁端的預埋連接塊體進行連接。研究發現節點的彈塑性變形主要集中于梁柱接觸部位，而其他部位只有輕微損壞。相較于現澆節點，螺栓-高延性連桿節點的變形能力強、破壞較小，節點的破壞形態不顯著。

圖6 螺栓-高延性連桿節點

2002 年，Hiroto Kato與 Hiroyuki Ueda等[13,14]設計了一種利用后張無粘結預應力和有粘結預應力連接技術的裝配式梁柱中節點、邊節點。研究發現核心區剪切破壞為該種類型節點的主要破壞形式。通過張拉預應力產生的預緊力作用增大了梁柱結合面的摩擦力，并且對核心區混凝土的約束可以提高節點的受剪能力。通過縮小預應力筋上下間距、降低預應力筋施加的有效預應力，保持預應力筋處于彈性狀態，從而可以保障節點的變形恢復能力。

2005年，Kormaz[15]設計了一種新型預制混凝土梁柱節點方案，其連接方式為柱側外伸出一定長度的懸臂梁，先將預制梁頂、底的鋼筋分別與懸臂鋼筋焊接牢固，隨后在連接部位澆筑混凝土。試驗研究發現，與現澆混凝土相比，新型預制混凝土梁柱節點的承載力和剛度都有較大的增強。

2006年，Erats[16]制作了5個采用螺栓連接和焊接的預制混凝土框架節點，并在低周往復荷載作用下開展試驗研究。研究發現預制混凝土框架節點具有良好的抗震性能，與焊接形式的節點相比，采用螺栓連接的預制節點在承載力、延性及耗能能力等抗震性能方面要優于前者。

2007年，Morgen等[17]設計了一種梁端配置摩擦阻尼器進行地震耗能的新型預制節點構造方案，如圖7所示，并在低周往復荷載作用下進行新型節點抗震性能的試驗研究。研究發現相較于現澆節點，新型節點連接形式耗能能力強、自恢復能力良好，而且摩擦阻尼器在地震后方便更換和修復梁端的特性更符合框架結構對于適用性和安全性的要求。

圖7 Morgen試驗節點

2010年，Amorn Pimanmas等[18]采用擴大鋼筋混凝土梁柱節點面積的預制梁柱節點結構方案。研究發現擴大鋼筋混凝土梁柱節點面積不僅能使核心區的抗剪強度得到提高，還可以提高節點的剛度。試驗研究提出的拉壓桿模型可以用來分析預制梁柱節點核心區的水平剪應力和破壞模式。

2013年，Vidjeapriya等[19]設計了一種由牛腿和肋形角鋼組成的裝配式混凝土梁柱節點，如圖8所示，構造通過角鋼和螺栓將預制混凝土梁柱連接成整體，在低周反復荷載作用下，對節點進行縮尺試驗。研究發現雖然現澆節點的承載力優于預制節點的承載力，但是裝配式節點在強度和延性等抗震性能要優于現澆節點。

圖8 Vidjeapriya試驗節點（單位：mm）

2016年，H.T.Jiang等[20]提出了一種新型預制預應力混凝土梁與高強鋼筋約束混凝土柱端板螺栓的連接方式。在低周反復水平荷載作用下，對6個預制預應力中間節點試件和1個現澆節點試件進行了對比試驗，得到了試件的破壞模式、滯回曲線、骨架曲線、延性系數、確定了新型裝配式梁柱連接節點的剛度退化和耗能能力等抗震指標，并對其抗震性能進行了分析。試驗結果表明，所有預應力裝配式混凝土梁與高強鋼筋約束混凝土柱端板螺栓連接節點試件均達到了強柱弱梁的設計目標。試件滯回曲線良好，表明具有良好的延性、耗能能力和抗震性能。

2017年，JD Nzabonimpa等[21]建議了一種混凝土構件全約束抗彎連接的裝配式梁柱節點。通過擴展鋼板和螺栓將預制構件組裝成新型節點，兩者傳遞拉力、壓力，并且為節點提供完全約束的抗彎連接。試驗研究驗證了混凝土構件在完全約束抗彎連接條件下的結構行為，確定了影響全約束抗彎連接裝配式混凝土結構性能的參數。

2018年，X.Y.Yan等[22]對預應力混凝土預制框架結構的節點進行了研究。對鍵槽區兩種不同混凝土強度的預制預應力混凝土梁柱節點進行了循環反復加載試驗。試驗也進行了一個現澆鋼筋混凝土節點進行比較。觀察了節點裂縫發展、屈服和極限破壞等現象，確定了預應力混凝土預制節點的抗震性能。結果表明預制預應力混凝土節點與現澆節點具有相似的破壞模式；滯回曲線飽滿，表明節理具有良好的耗能性能。預應力筋的存在限制了預制梁裂縫的發展。預制預應力混凝土節點具有與等效整體系統相當的抗震性能。

2018年，S.F.Li等[23]提出并介紹了一種新型的端板裝配式梁柱節點。為了研究這種新型預制連接的抗震性能，對7個試件進行了擬靜力試驗。試驗過程中記錄了試件的滯回曲線，并確定了延性、耗能能力等地震指標。試驗結果表明，預制連接的滯回曲線豐滿，且均為梁塑性鉸的可塑彎曲破壞，與強柱弱梁準則完全一致。此外，對無粘結預應力約束混凝土梁的受彎承載力進行了分析，并基于集中塑性區理論提出了受彎承載力計算公式。試驗數據與理論計算的結果較符合，可為理論研究提供參考。

2019年，Z.W.Lu等[24]提出了一種采用雙灌漿套管連接的預制梁柱節點，研究了節點在靜力和循環荷載作用下的抗震性能。共測試了6個不同裝配長度、過渡棒直徑和灌漿套筒類型的預制試件和1個現澆控制試件。結果表明雙灌漿套接頭接頭性能良好。預制試件的初始剛度大于控制試件，且預制試件的承載力與控制試件的承載力趨于相同。隨著過渡鋼筋直徑從16 mm增加到18 mm，預制試件相較于控制試件在耗能方面提高了64.8%，但由于其變形能力相對較低，比控制試件的耗能能力降低了約41%。灌漿套筒內螺紋對接頭變形和耗能能力有負面影響。采用現澆節點的方法，可以較好地預測雙灌漿套管連接預制節點的抗彎承載力。

綜上所述，國外學者采取不同連接形式的新型預制節點，在不同荷載作用下通過，試驗研究將預制梁柱節點與現澆梁柱節點進行對比分析其抗震性能，發現新型預制梁柱節點試件滯回曲線良好，具有良好的強度、延性、耗能能力、承載能力和抗震性能。

3 問題分析

通過參考國內外的文獻，國內外學者提出了多種裝配式結構體系以及不同連接方式的預制梁柱節點。盡管已經有很多關于裝配式框架結構的研究，現階段仍然存在著很多問題，總結如下：

（1） 現階段，國內現行的裝配式結構規范、技術標準很難統一，國內尚未形成成熟的加工生產體系，不能保障預制節點構件的質量。

（2） 國內對裝配式預制框架結構體系的研究大部分是采用在低周往復荷載作用下的抗震分析，缺少大型結構振動臺的試驗研究內容，對于抗震性能要求較高的建筑，目前裝配式結構技術難以滿足抗震性能的要求。

（3） 預制裝配式節點可以選用多種連接方式，但多種部件組合出來的抗震效果不是非常理想，如預應力的布置形式會影響節點的耗能和自恢復能力等，因此設計出合理的節點構造形式至關重要。

（4） 預制裝配式節點連接形式的設計選用需要考慮到多重因素的影響，包括節點構件的施工制作難度、抗震性能、承載能力以及結構的經濟性、安全性和適用性，多重因素的影響下，預制裝配式節點的工作效果達不到預期的效果。

4 研究發展趨勢

預制裝配式鋼筋混凝土梁柱節點的構造受到多個因素的影響。受力機理方面，為了實現“強剪弱彎”的設計理念，需要在傳力途徑合理可靠的基礎上，確保梁柱節點區域連接部位的強度、剛度具備一定的安全冗余度，在符合地震作用下對結構強度和變形能力要求的前提下，滿足結構在極限狀態下正常使用的要求。結構加固改造方面，目前混凝土結構的現場組裝伴隨著一定程度的澆筑作業，并且一旦施工完成后，梁柱構件不易拆換，為日后可能需要進行的結構改造和抗震修復工作帶來困難，“干式連接”和“預應力連接”為預制裝配式結構的研究推廣提供了新的思路。

5 結語

裝配式結構形式具備模板化、效率高、低污染等特點，與我國目前對于建筑行業的未來發展規劃趨勢相貼切。節點的連接形式對預制裝配式結構的研究與推廣尤為關鍵，相較于現澆鋼筋混凝土節點，新型裝配式梁柱節點具有延性、耗能能力等抗震性能良好的特點。但是目前預制裝配式結構的節點連接技術尚未達到成熟，制約此類結構的實際應用和推廣，因此應用于實際工程中的案例并不常見。