裝配式混凝土結構預制主次梁連接節點研究綜述

李家豪 程從密 黃澤 楊國明 黃奕斌 王黎

（1 廣州大學土木工程學院)

(2 華南理工大學建筑設計研究院有限公司)

(3 廣州番禺橋興建設安裝工程有限公司）

0 引言

建筑業作為我國的支柱產業，給我國帶來了巨大的經濟效益，但與此同時，建筑業的快速發展也對環境造成了負面的影響。我國建筑能耗報告表明：2018 年，我國建筑全過程碳排放量約占全國碳排放量的51.3%[1]。在我國碳中和目標下，高耗能、高污染的傳統建筑施工方式不再適用于建筑業，而由預制混凝土構件通過可靠的連接方式組成的裝配式建筑[2]，因其在節能減排、工程質量、施工周期以及經濟效益等方面具備顯著優勢，因此在建筑行業中廣受關注[3]。

自黨的十八大以來，國家明確提出“走新型工業化道路”，高度重視建筑產業化工作，陸續出臺了一系列重要政策和指導方針。“十三五”期間，住建部提出2018 年至2020 年，全國裝配式建筑占新建建筑的比例達到15%以上[4]。“十四五”之后在國家政策指導和各級地方政府積極引導下，全國各省及城市因地制宜地探索裝配式建筑發展政策，并發布以及更新標準和規范來鼓勵裝配式的發展，有力推動了裝配式項目的實施[5]。

裝配式混凝土框架結構是目前國內外研究和應用最多的裝配式結構體系之一[6]。在裝配式混凝土框架結構中，連接節點是影響結構受力性能和施工建造方式的重要因素。裝配式混凝土結構通過節點來連接預制構件，并通過節點傳遞預制構件的軸力、剪力以及彎矩[7]。因此為了滿足“強節點，弱構件”的設計理念，以及保證框架結構的整體性和安全性，需要對預制構件的連接節點進行合理的設計。

目前國內外關于裝配式混凝土框架結構節點的研究多針對于梁柱節點的抗震性能研究，而對于主次梁節點的研究則相對較少。主次梁連接節點作為裝配式建筑結構重要的組成部分，在豎向荷載傳遞方面發揮著至關重要的作用，因此有必要對主次梁節點進行系統深入的研究分析，推動裝配式預制主次梁節點的發展以及應用。

預制主次梁節點連接形式主要可分為混凝土后澆段連接和企口擱置式連接[8]，其中混凝土后澆段連接因其技術和理論相對成熟，在我國實際工程中應用較廣。

目前已有學者[9～11]結合工程實際項目匯總了目前預制主次梁節點常用的連接形式，并主要對主次梁混凝土后澆段連接方式進行了優劣分析，但對于后澆段連接方式的介紹不夠全面，且關于主次梁企口擱置式連接的研究相對較少。本文按混凝土后澆段連接和企口擱置式連接對預制主次梁連接節點進行詳細分析。

1 節點混凝土后澆段連接

在裝配式框架結構實際工程中，預制主次梁節點采用混凝土后澆段連接是較常見的做法[9]。混凝土后澆段連接節點主要可分為主梁預留槽口后澆連接節點（圖1）和次梁端部后澆連接節點（圖2），其中主梁設置槽口后澆段影響預制主梁剛度，結構設計實際情況往往為主次梁高差較小，在預制主梁上預留后澆槽口后下部薄壁連接處或混凝土斷開處均容易在界面處應力集中，從而存在產生裂縫風險，目前此方向在國內外研究相對較少，以下主要就次梁后澆段連接節點進行探討。次梁采用后澆段連接時，由于其整體性較好、剛度較大，結構設計中通常可按剛接設計。

次梁后澆段連接方式主要有鋼筋錯位搭接連接、機械套筒連接、水平灌漿套筒連接和鋼構件螺栓連接等。

1.1 鋼筋錯位搭接連接

國家建筑標準設計圖集《裝配式混凝土結構連接節點構造》（樓蓋和樓梯）15G310-1[8]（以下簡稱規范圖集）提供了一種次梁后澆段預制薄壁的做法（圖3），通過預制主梁內預埋機械套筒，施工時將鋼筋擰入機械套筒，與次梁預制薄壁內的底筋進行直線錯位綁扎搭接。主次梁連接節點處采用后澆段預制薄壁做法時，設計簡單、施工簡便，且能大量減免模板的使用量，但次梁端部薄壁預制構件生產難度較大，且為滿足鋼筋搭接長度，導致后澆段長度較大，影響了施工現場的效率。

以C30 混凝土和C20 鋼筋為例（以下計算后澆段長度均以此為例），依據規范圖集[8]，次梁不考慮抗震作用，鋼筋綁扎搭接長度ll=ζlla=1.2×35d=840mm（其中ζl為縱向受拉鋼筋搭接長度修正系數，la為受拉鋼筋錨固長度），同時考慮鋼筋外伸長度及構件垂直安裝空間，后澆段長度lh≥ll+20=860mm。

張季超，李國甫等[12，13]通過單調靜力加載試驗研究了次梁后澆段預制薄壁的預制主次梁端節點和現澆主次梁端節點的受力性能，研究結果表明，預制主次梁端節點承載能力和變形能力與現澆節點基本相當。

孫琬瑜等[14]將預制主次梁連接節點處鋼筋彎折90度類似于L 形底筋，并通過錯位綁扎形成一種U 型搭接節點（圖4），在滿足鋼筋綁扎搭接長度的前提下，大幅降低了后澆段混凝土的長度。

張健等[15]將此類U 型搭接節點與規范提供的直線綁扎搭接以及水平灌漿套筒連接進行了接頭混凝土后澆段長度的計算，并采用有限元軟件分析了預制主次梁節點處的抗震性能。研究結果表明，U 型搭接連接節點后澆段長度可設為400mm，相較于鋼筋機械連接和灌漿套筒連接，其后澆段長度大幅降低，同時其耗能能力不弱于現澆節點，此做法成功應用于華南理工大學廣州國際校區一期工程中[16]。

印寶權等[17]采用ABAQUS 模擬該類主次梁節點，研究了鍵槽設置深度和鋼筋套筒對主次梁承載能力的影響，數值模擬結果表明，鍵槽設置深度對主次梁承載力影響不明顯，而鋼筋套筒對主次梁承載力影響顯著，減少1 根鋼筋與2 根鋼筋的套筒連接，承載力分別下降14.3%和23.3%。

3.培訓目標不明，培訓內容空泛。對教學知識、教學技能、教學能力應該達成的具體目標沒有規定，對教學知識、教學技能、教學能力的具體內容沒有提出明確要求，致使培訓過程流于形式，導致新教師得不到實質有效訓練［4］。

張金丹等[18]介紹了一種預制主次梁環扣鋼筋連接節點（圖5），其連接特征在于，預制主次梁均外伸U 型鋼筋形成搭接環扣區域，在環扣區域四個角部穿入短插接鋼筋，最終形成一種環扣鋼筋連接節點。環扣鋼筋可加強對核心區混凝土的約束，同時有效傳遞連接所需的拉、壓力，從而提高節點的力學性能和保證連接的安全性。

1.2 鋼筋機械套筒連接

鋼筋機械套筒連接是指鋼筋與鋼質套筒通過咬合作用或承壓作用傳遞鋼筋應力的連接方式[17]，主要可分為擠壓套筒連接和螺紋套筒連接。

次梁后澆段采用鋼筋機械套筒連接形式能有效傳遞鋼筋應力，整體性較好，并且混凝土后澆段較短，但對構件制作的精度和連接的準確度要求較高。

韓文龍等[19]提出了一種新型疊合主次梁連接方式，預制主次梁的連接鋼筋采用擠壓套筒連接（圖6），后澆段長度設置為300mm。通過靜力加載試驗研究了預制主次梁端節點和中間節點的受力性能。試驗結果表明，兩組節點處的承載能力基本相當，可采用“拉-壓桿”模型解釋次梁的受力機理和截面應變分布。

1.3 鋼筋水平灌漿套筒連接

鋼筋套筒灌漿連接是指在鋼筋與鋼質套筒之間填充高強膨脹砂漿，通過套筒的圍束作用和砂漿的微膨脹特性產生摩擦力，進而傳遞鋼筋應力的連接方式[20,21]。主要可分為全灌漿套筒連接（圖7）和半灌漿套筒連接（圖8）。

次梁后澆段采用全灌漿套筒連接形式時，鋼筋傳力效果較好，且施工簡便，但混凝土后澆段較長；次梁后澆段采用半灌漿套筒連接形式時，施工較復雜，但能大幅減少混凝土后澆段長度。

曾憲純等[22]針對預制主次梁鋼筋灌漿套筒連接造成后澆段較長的問題，采用直型半灌漿套筒組件連接方式（圖8），并與全灌漿套筒連接進行了對比分析。分析結果表明，采用直型半灌漿套筒可使得后澆段混凝土長度縮短2.5 倍，提高裝配預制率，同時鋼筋套筒的成本可下降一半。

1.4 鋼構件螺栓連接

馮波等[23]為使預制主次梁在連接區域具有較高的抗彎、抗剪能力，達到等同現澆的目的，提出了一種裝配式預制主次梁螺栓連接形式（圖9）。該連接節點在預制主梁和預制次梁端部均嵌入不同類型的鋼質連接部件，鋼質連接部件之間首先通過螺栓連接固定，隨后與后澆混凝土共同作用使得連接區域具有較高的抗彎承載力和剛度，保證該類節點性能不低于現澆節點。

Lee 等[24]通過位移反復加載對此內嵌鋼板連接預應力混凝土梁結構進行了純彎曲試驗以及剪切試驗，研究了足尺試件的承載能力、裂縫的發展狀況以及不同階段下試件位移的恢復率。研究結果表明，內嵌鋼板在極限荷載狀態仍具有較好的錨固能力；試件在彈性階段、彈塑性階段、塑性階段位移恢復率分別為88.34%、86.97%和66.83%。

上述學者對預制主次梁混凝土后澆段連接的連接方式進行了多方面的研究，連接節點通常為剛接，且研究方向大多基于減少后澆段混凝土的長度和方量，不同連接連接方式的后澆段長度見表1，但預制主次梁采用后澆段連接時，影響了施工周期和效率，且易引起環境污染。因此更為健康快速的企口擱置式連接引起了建筑行業內的廣泛關注。

表1 次梁后澆段長度

2 企口擱置式連接

主次梁企口擱置式連接是指通過主梁或次梁外伸企口，將主梁作為次梁的支承構件，并使用無收縮砂漿填縫的連接方式。主次梁采用企口擱置式連接時，有利于提高施工效率，降低施工難度，但預制構件生產難度較大，且連接節點處整體性較差，連接節點通常按鉸接設計。

企口擱置式連接主要可分為混凝土企口連接和鋼企口連接。

2.1 混凝土企口連接

混凝土企口可分為預制次梁外伸企口（圖10）和預制主梁外伸企口（圖11）。主次梁采用混凝土企口擱置連接時，主次梁節點處受力復雜，相對應的配筋難度較高。

許勇等[25]針對上述主梁外伸企口連接節點（圖11），通過足尺試件單調靜力加載試驗，對比分析了預制主次梁與現澆主次梁中間節點的破壞模式和承載能力。研究結果表明，預制主次梁和現澆主次梁節點的破壞模式均為節點負彎矩區域受彎破壞，但節點極限承載力略低于現澆節點。張季超等[26]在此基礎上，進一步研究了該連接形式的特征位移。研究結果表明，裝配式預制主次梁節點的變形能力略微大于相同配筋的現澆節點。

2.2 鋼企口連接

《裝配式混凝土結構技術規程》[2]（以下簡稱技術規程）提供了一種主次梁鋼企口鉸接連接方式（圖12），主梁上開設槽口，槽口底部預埋承壓板，次梁端部預埋栓釘鋼企口，主次梁通過鋼企口擱置，并使用高強填縫材料后澆區將主次梁連接為整體。雖然該種連接方式對鋼質構件的重量和精度要求較高，但主次梁節點處受力簡單，配筋難度相對較低，因此不少學者針對梁端鋼企口的受力性能和構造形式進行了研究。

吳智偉等[28]研究了栓釘鋼企口預制混凝土梁的受力性能，通過靜力加載試驗分析了鋼企口最外側栓釘距邊緣距離和梁端配筋形式對鋼企口梁端承載力的影響。試驗結果表明，在一定范圍內鋼企口梁端承載力隨鋼企口最外側栓釘邊緣距離增大而減少，同時梁端箍筋加密可有效提高梁端的承載力。

顏磊等[29]在規范提供的主次梁鋼企口擱置連接的基礎上，提出了一種雙鋼板企口連接節點（圖13），即預制次梁端部預埋雙塊栓釘鋼板，鋼板之間通過檁條焊接。主次梁采用雙鋼板企口有利于企口的承載力和穩固性。同時，于健等[30]和蔡潔等[31]在現有研究的基礎上，也提出了兩種不同的新型主次梁節點連接所用的鋼企口：一種是在栓釘鋼板兩側增設垂直布置的加勁板（圖14），用于提高鋼企口的整體穩定性，以及次梁節點的錨固可靠性和節點連接的整體穩定性，增加次梁的抗剪、抗扭性能。另一種是在次梁端部栓釘鋼板后端設有限位擋板（圖15），通過限位擋板插入主梁槽口預埋的開口套筒可以實現連接處的多向限位，從而有效增加了結構的整體水平剛度，保證了結構水平力在各豎向構件間的傳遞，提高了節點的整體性、安全性和抗震性能。上述兩種新型裝配式預制主次梁鋼企口連接節點均可有效提高預制主次梁節點的整體性和安全性。

3 結論

⑴裝配式預制混凝土結構主次梁通過合理的連接節點設計，其承載能力和變形能力基本上可等同現澆節點。

⑵主次梁后澆段連接的研究多針對于減少混凝土后澆段的長度，其中采用機械套筒連接和半灌漿套筒連接段長度僅為直線搭接的錨固長度的65%，極大地減少施工濕式作業量，其次為U 型搭接連接。

⑶干式的企口擱置式連接在施工簡便性和綠色環保方面優于濕式的混凝土后澆段連接，同時為后續裝配式無支撐設計創造更多的連接條件。