裝配式混凝土框架節點連接形式綜述

馮 波

(中國五冶集團有限公司，四川 成都 610000)

1 概述

裝配式混凝土結構是指建造房屋所需要的構件在工廠進行預制并在現場通過可靠的連接形成的混凝土結構體系[1]。與傳統的現澆結構體系相比，裝配式結構具有施工速度快、綠色環保等優點。并且，裝配式結構的構件采用了工廠預制的生產方式，因此可同其他制造業一樣，實現機械化生產以及流水作業，提高生產效率，降低勞動力需求，改善勞動者的工作環境，同時還有助于保證產品質量[2-4]，Basler統計發現[5]，裝配式結構混凝土的強度變異系數為7%，明顯低于現澆結構的變異系數。

正因為裝配式結構相較于傳統的現澆結構而言有著眾多的優勢，裝配式結構已經在美國、日本、歐洲和新西蘭等國家和地區有著廣泛的應用。調查結果顯示，在歐洲土木工程結構中，裝配式結構占到了35%～40%，美國為35%，俄羅斯達到了50%[6]。雖然我國從20世紀50年代就已經著手預制裝配式結構的研究與應用[7]，但是目前我國的裝配式建筑在新建建筑中的應用比例還不到5%[8]。為了推動裝配式建筑在我國的應用，2016年國務院明確提出要在我國大力發展裝配式建筑，力爭到2025年裝配式建筑要占到新建建筑的30%[9]。

限制裝配式結構在我國推廣的一個重要原因是裝配式結構的抗震性能較差，在汶川地震中大量預制板的破壞更是凸顯了裝配式結構抗震性能差的問題[10-12]，在汶川地震中預制板被當地人民稱為“棺材板”。除此以外，限制裝配式結構在我國推廣的原因還有裝配式結構設計難度較大，缺乏相應的設計人員和設計理論，以及預制構件運輸困難等[13]。

裝配式結構的連接形式是影響裝配式結構抗震性能的重要因素之一。汶川地震的震害調查結果表明，缺乏有效的連接是導致裝配式結構在地震中倒塌的一個重要原因，因此提高裝配式結構的抗震性能最直接的措施就是提高構件間的連接性能。本文針對裝配式混凝土框架結構總結了目前的節點連接形式，并分析了各種連接形式的優缺點。

2 節點連接形式

裝配式混凝土框架結構的節點連接形式是影響結構性能的關鍵因素之一，目前應用比較廣泛的節點連接形式主要有3種：后張預應力連接、干式連接和后澆整體式連接。

2.1 后張預應力式連接

后澆預應力式連接是通過預應力的夾持作用將裝配式混凝土框架結構中的梁和柱連接成為一個整體。國外對于這類連接形式的研究比較有代表性的為1987年美國國家標準與科學技術協會(NIST)發起的關于研發預制混合抗彎框架結構體系PHMRFS(Precast Hybrid Moment Resistant Frame System)的研究項目。

PHMRFS研究項目對節點連接形式的研究分為4個階段，第一階段為探索階段，在這一階段中對兩個采用無黏結后張預應力連接的預制梁柱節點和4個現澆節點進行了低周反復試驗，試驗結果顯示[14]在抗彎承載力和延性方面，采用無黏結后張預應力連接的預制梁柱節點均高于現澆節點，但是耗能能力大幅下降，單周耗能和積累耗能分別僅為現澆節點的30%和70%。

為了提高節點的耗能能力，Cheok和Lew開展了第二階段的研究[15]。在這一階段，Cheok和Lew對6個預制梁柱節點進行了試驗研究，試驗中將節點連接形式由無黏結后張預應力連接改為了有黏結后張預應力連接，增加了后張預應力鋼筋與混凝土間的錨固，改變了預應力鋼筋的種類，并把預應力鋼筋的位置移動到截面中部。試驗結果表明，裝配式節點的抗彎承載力和延性同樣高于現澆節點，并且連接形式改進后有效提高了預制節點的耗能能力，但是改進后的節點單個滯回環耗散的能量也僅為現澆節點的60%。試驗中還發現，在試驗后期，預應力鋼筋進入塑性，節點剛度明顯降低。

在第三階段的研究中[16]，Cheok和Lew采用了Priestley和Tao提出的部分無黏結后張預應力的連接形式，即在節點核心區及其附近區域，后張預應力鋼筋不錨固，以降低該區域預應力鋼筋的應變，延緩其進入塑性階段，提高節點在加載后期的剛度。通過試驗發現，經過上述改進后，節點的承載力和剛度均有所提高，但是耗能能力依然較低，其耗能能力大約為采用有黏結預應力連接節點的50%。

第四階段的研究[17]進一步改進了連接形式，在采用后張預應力連接的同時，加入了非預應力鋼筋，通過非預應力鋼筋的屈服提高節點的耗能能力。試驗結果發現，采用改進連接形式的梁柱節點耗能能力明顯提高，在層間位移角小于1.5%以前耗能能力與現澆節點基本相當，但是到了后期由于非預應力鋼筋的斷裂，耗能能力迅速下降，遠低于現澆節點。

在20世紀90年代美國和日本合作開展的PRESSS項目(Precast Seismic Structural System Research Program)中，Priestley等對后張預應力式的節點連接形式進行了系列研究。1993年，Priestley等[18]首先對采用部分無黏結后張預應力式連接的梁柱節點進行了理論研究，建立起了理論分析方法，并且指出在節點核心區以及節點兩側一定范圍內預應力鋼筋與混凝土不黏結可以保證當節點發生較大變形時預應力鋼筋保持彈性，降低發生大變形后節點剛度退化以及殘余變形，提高大震后的可修復性，但是由于預應力鋼筋處于彈性狀態，節點耗能能力較弱。同時也指出，為了能夠保證梁端塑性鉸性能，應在梁端區域增加體積配筋率不低于2%的螺旋箍筋。

1996年，Priestley等[19-20]對兩個采用后張無黏結預應力連接的梁柱節點進行了試驗研究，研究結果表明，預制節點的層間位移角可達到2.8%～4%，遠大于規范的相關要求，且殘余變形小，在地震后具有良好的自恢復能力，在經歷低周反復荷載后節點損傷較小，但是采用后張無黏結預應力連接的梁柱節點耗能能力較低。Priestley等根據試驗結果還提出節點的拉壓桿模型以及滯回模型，為該類節點的分析設計提供了依據。

1999年，Priestley等[21]對一個縮尺比例為60%的裝配式建筑進行擬動力試驗。從試驗結果中可以看到，采用后張預應力式連接的裝配式框架結構損傷程度較小，僅在梁端產生了輕微的混凝土保護層剝落，結構具有很強的變形能力，遠大于規范要求，且殘余變形很小(如圖1所示)。

國內部分科研機構在近年來也對后張預應力式連接進行了研究，東南大學的潘其健等[22-23]在2006年對采用有黏結和部分黏結的后張預應力連接的裝配式框架節點進行了試驗研究，試驗中為了防止在大震下預應力鋼筋發生預應力的大量損失，導致節點抗剪能力不足，在預制柱上設置了暗牛腿，以提供部分抗剪承載力。試驗結果顯示采用后張預應力式連接的框架節點，其破壞模式為接縫面的張開和接縫面處混凝土的壓碎，預制構件損傷較小，殘余變形小，自恢復能力強，但是節點的耗能能力較差，同時牛腿處損傷嚴重，應當在設計中加強。

北京工業大學的董挺峰等[24]對采用無黏結后張預應力連接的裝配式框架節點進行了研究，其研究結果與其他學者的研究結果類似，發現該類節點具有良好的變形能力和延性，殘余變形小，自恢復能力強，但是耗能能力較差，僅為現澆節點的60%～80%。

從國內外的研究結果可以看出，采用后張預應力的連接形式會造成裝配式混凝土框架結構耗能能力的明顯降低，這將導致裝配式結構在地震中的響應增強。為了能夠提高結構的耗能能力，部分學者提出在結構中設置附加的耗能裝置，如設置阻尼器或者在節點中加入軟鋼[25-26]，以提高結構的耗能能力。通過試驗結果可以發現，添加附加的耗能裝置能夠有效提高節點的耗能能力，但是這也提高了房屋的造價以及施工的難度。并且，由于采用這種連接方式需要在現場對結構施加后張預應力，這也會提高結構的造價以及施工難度，因此也就限制了該類連接形式在工程中的應用。

2.2 干式連接

干式連接是通過在預制構件內預埋連接件，在現場安裝時利用螺栓或者焊接等方式將各個預制構件連接成為整體。采用這種連接方式能夠有效減少現場的濕作業，由于不需養護，所以能夠快速形成承載力。

2009年，南洋理工大學的Li等[27]對采用螺栓連接的裝配式混凝土梁柱節點進行了試驗研究，構件制作時在梁和柱內預埋角鋼，并在角鋼上預留螺栓孔，最后通過螺栓連接將預制構件連接成為一個整體。試驗結果表明，在反復荷載作用下，采用這種連接方式的梁柱節點具有較高的承載力以及良好的延性，角鋼對節點核心區混凝土起到了良好的約束作用，降低了節點核心區混凝土的剪切變形。Li等還在試驗結果的基礎上進行了有限元分析，分析結果表明角鋼的尺寸對節點的性能有較大影響，并依據有限元結果給出了優化的角鋼尺寸以及預埋長度。

2009年，Ousalem等[28]對采用螺栓連接的高強混凝土預制梁進行了試驗研究。Ousalem提出的連接方式選擇在跨中進行連接，對需要連接的梁在連接區域設置企口并在企口處預留螺栓孔，連接時將螺栓穿過企口，將梁連接到一起。試驗結果表明，采用這種連接方式的梁其破壞模式與現澆梁類似，且具有良好的延性、承載力和耗能能力，表現出良好的抗震性能。

國內研究方面，2005年，天津大學的李忠獻[29-30]提出了在混凝土梁和柱內預埋型鋼，再通過螺栓將梁柱的節點連接，并且為了體現強柱弱梁的設計理念，對預埋在梁內的型鋼翼緣進行了削弱。試驗結果顯示，采用這種連接形式的梁柱節點能夠具有良好的抗震性能。

2005年—2007年，范力等對采用橡膠螺栓連接的框架節點進行了試驗研究，研究表明，橡膠螺栓連接框架節點的恢復力模型與現澆節點有較大差異，表現為非線性彈性模式，滯回曲線捏縮現象明顯，耗能能力較差，但是彈性變形能力大，殘余變形較小。

從對采用干式連接的裝配式混凝土框架梁、柱以及梁柱節點的研究結果可以看出，采用適當的干式連接形式且經過合理的設計能夠保證框架節點具有良好的抗震能力。但是，螺栓或者焊接等干式連接形式仍然具有一定的問題。采用螺栓連接的裝配式框架結構對構件的制作、安裝都有著很高的精度要求，這對我國裝配式建筑的構件制作技術和施工技術是較大的挑戰。焊接的質量很大程度上受工人技術的影響，使得質量難以得到保證，通常需要增加現場的檢驗，以免留下安全隱患[31]。并且，采用干式連接的裝配式框架結構還會增大結構的用鋼量，提高結構的造價。因此，目前干式連接在我國的裝配式混凝土建筑中應用還并不廣泛。

2.3 后澆整體式連接

目前，后澆整體式連接是我國應用最為廣泛的一種連接形式。這種連接形式是通過在裝配式結構中預留后澆區域，待構件吊裝就位以后，在后澆區域內二次澆筑混凝土使結構連接成整體。目前，國內外部分學者針對這種連接形式進行了相應的研究。

1995年，Loo和Yao[32]對18個1/2縮尺梁柱節點模型進行了試驗研究，試件共分為6組，每組中包含1個現澆節點，2個后澆整體式節點，這兩個裝配式節點的差別主要為有無牛腿，組與組之間的差別為加載方式以及梁的配筋率。試驗結果表明，后澆整體式節點與現澆節點在開裂模式上基本相同，且在承載力、延性以及耗能能力方面均優于現澆節點，無牛腿節點在靜力荷載作用下的延性優于帶牛腿節點的延性。

1995年，新西蘭的Restrepo等[33-34]對6種后澆整體式梁柱節點進行了擬靜力試驗研究，所有試件均按照新西蘭高烈度區10層左右的建筑進行設計，試件的差異主要有后澆位置、鋼筋連接形式等。試驗結果表明，后澆整體式梁柱節點都表現出良好的承載力、延性以及耗能能力，延性系數均大于6，層間位移角超過2.4%，試件中的構造差異并未產生明顯影響。

在我國應用比較廣泛的疊合式的框架結構[35](如圖2所示)同樣采用的是后澆整體式的節點連接形式，其通常的做法是將梁和樓板的下部預制，上部預留鋼筋，同時柱也在工廠預制，安裝時將樓板和梁的上部以及梁柱節點核心區在現場一起二次澆筑，形成整體的框架結構。北京建筑大學[36]和北方工業大學[37]在2014年都對疊合式框架節點進行了試驗研究，研究表明，疊合式梁柱節點的抗震性能基本達到等同現澆，實際工程中對這類節點的設計可以按照現澆節點進行設計。

南京大地集團從法國引進的世構體系(Scope)[38]采用的也是后澆整體式連接，其預制構件包括預制鋼筋混凝土柱，預制預應力疊合梁、疊合板(見圖3)。該體系在柱的兩側設置后澆段和鍵槽，后澆段內預留鋼筋設置90°彎鉤以保證其錨固性能，連接時將疊合梁的上部、疊合板的上部、后澆段以及節點核心區進行二次澆筑。東南大學的朱洪進[39]在2006年對采用世構體系的裝配式框架節點進行了試驗研究、數值研究以及受力機理分析。研究結果表明，世構體系具有較好的抗震性能，并且按照現行的抗震設計規范以及混凝土設計規范對結構進行設計能夠滿足結構的抗震要求[40]。

2015年，廣州大學的吳從曉等[41]對后澆整體式梁柱邊節點進行了試驗研究，并與現澆節點進行了對比。通過分析兩類節點的延性、承載力以及耗能，發現后澆整體式框架節點與現澆節點具有相同或者相似的抗震能力。

從國內外對后澆整體式梁柱節點的研究結果可以看出，后澆整體式框架節點具有良好的抗震能力，經過合理的設計基本能夠達到等同現澆，因此采用后澆整體式連接的裝配式混凝土框架結構可以按照現澆結構的設計方法進行設計，降低了設計的難度。與干式連接和后澆整體式連接相比，后澆整體式連接對構件制作以及安裝的精度要求較低，施工簡單，這也就使得這種連接方式更具有推廣應用的潛力。

3 結語

本文通過對文獻的整理，將裝配式框架結構連接形式分為了三類，分別為后張預應力連接、干式連接和后澆整體式連接。其中，后張預應力式連接會造成結構耗能能力的降低，容易造成結構在地震作用下響應增加，且施工不便，因此在我國應用并不廣泛。干式連接現場濕作業少，且能快速形成承載力，但是對預制構件的生產和安裝精度要求較高，因此現階段推廣困難。后澆整體式連接對構架精度要求較低，設計方法基本可沿用現澆理論，研究結果也表明其抗震性能可以達到等同現澆，因此在目前我國建筑業制造水平不高的情況下最具有推廣潛力。