装配式钢筋混凝土框架结构梁柱节点创新研究

周继忠 陈少敏 郑莲琼 颜桂云

(1.福建省土木工程新技术与信息化重点实验室 福建福州 350118； 2.福建工程学院土木工程学院 福建福州 350118)

0 引言

2016年9月27日，国务院办公厅发布《关于大力发展装配式建筑的指导意见》，要求按照适用、经济、安全、绿色、美观的要求，推动建造方式创新，大力发展装配式混凝土建筑和钢结构建筑，不断提高装配式建筑在新建建筑中的比例[1]。

框架结构具有建筑平面布置灵活，梁柱等构件易于标准化、定型化、预制率高等优点，是装配式结构中研究和应用较为广泛的一种结构体系。相比现浇钢筋混凝土框架结构，装配式钢筋混凝土框架结构各预制构件间的连接是保证结构整体性的关键，其存在也将影响该类结构在地震作用下的力学性能。

本文在总结国内外装配式钢筋混凝土框架结构梁柱节点研究现状基础上，分析该类结构研究与应用中存在的问题，并提出一种全预制装配式钢管约束框架节点和防屈曲金属板耗能阻尼器，最后对该新型装配式梁柱连接节点的结构原理和抗震性能进行了初步分析。

1 预制装配式钢筋混凝土框架梁柱节点连接方式及研究现状

各次大地震的震害调查表明，在整体倒塌的预制装配式钢筋混凝土建筑物中，预制梁、柱构件破坏较轻，而倒塌的主要原因是框架结构内各个构件间的连接破坏。因此，预制构件的连接及节点是装配式结构的薄弱环节，也是装配式结构抗震研究的重点及结构整体抗震研究的前提和基础。预制装配式钢筋混凝土框架结构梁柱连接及节点，可以分为等效现浇(emulation monolithic)和整体装配式(jointed precast)。其中，等效现浇包括预应力拼接和后浇整体式连接，整体装配式包括螺栓连接和焊接连接等。

1.1 等效现浇梁柱节点研究现状

后张预应力式梁柱节点，是利用预应力的夹持作用将梁、柱拼接到一起的一种节点形式。美国科学技术协会(NIST)1987年启动的关于新型预制钢筋混凝土梁柱节点的项目以及20世纪90年代美国和日本联合进行的 PRESSS项目(Precast Seismic Structural Research Program)对这种节点形式进行了系列研究[2-4]，结果表明：后张预应力式梁柱节点具有良好的强度、刚度以及延性，在地震作用下构件的破坏较小，并且残余变形很小，具有良好的恢复能力。但是，该类型节点单周和累积耗能能力较弱。虽然 Stone 等[5]对这种节点进行了相应的改进，使其耗能能力有明显提高，但是与现浇结构相比仍然有一定的差距。

后浇整体式节点，采用局部二次浇灌混凝土连接预制构件的方式，具有操作简单、对构件制作及安装精度要求较低的特点。

Restrepo 等[6]进行了后浇整体式预制混凝土框架节点的反复加载试验研究。试验时，预制构件先在梁中进行搭接连接或焊接连接，然后浇混凝土。试验表明: 梁中节点连接的具体构造对试件的整体受力性能影响不大，不同构造的试件在强度、耗能和延性等方面都表现良好。

赵斌等[7]进行了预制高强混凝土结构后浇整体式梁柱组合件抗震性能试验研究，结果表明：预制后浇整体式高强混凝土梁柱节点在破坏形态、滞回曲线、位移延性等抗震性能与现浇高强混凝土梁柱节点相同。

闫维明等[8]对装配式预制混凝土梁-柱-叠合板边节点进行了抗震性能的试验研究，结果表明：对于此类连接装配式混凝土框架边节点，与整体现浇节点具有相当的抗震性能，并建议采取增加梁底钢筋在节点后浇处的锚固长度或者采取其他措施，减小拼缝处的开裂宽度，从而保证剪力键的抗剪能力，进而保证结构的整体性能。

我国现行规范《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ1-2014)[9]给出了装配式钢筋混凝土框架结构后浇整体式梁柱节点的设计方法和构造要求。

1.2 整体装配梁柱节点研究现状

整体装配式[10]是指预制柱和预制梁的连接均通过灌浆套筒连接或在预制构件内预埋钢元件，然后以牛腿、焊接或螺栓的形式连接达到等强连接的目的。

螺栓连接是一种干连接方式。范力[11]对采用单层和双层橡胶垫螺栓连接的预制钢筋混凝土装配式框架梁柱节点进行试验研究，其抗震性能不同于现浇节点。该类节点转动刚度小、弹性变形能力大、耗能差、延性低、弯矩-转角滞回曲线呈非线性弹性特征，力学模型可以采用简化的转动弹簧模型表示。

郭子雄[12]提出了一种应用于装配式钢筋混凝土柱-钢梁(RCS)框架节点的新型螺栓连接方式即螺栓一钢板桶连接，如图1所示，并对该连接方式进行4个1/2比例的框架节点进行了低周反复加载试验研究，分析了节点区加劲腹板厚度及开洞对节点抗震性能的影响。研究结果表明：采用该型连接方式具有良好的可靠性，节点的剪切变形较小，加劲腹板开洞对节点受力性能影响不大，但加劲腹板对节点抗剪承载力的贡献程度有待进一步研究。

图1 新型RCS混合节点构造[12]

根据功能需求不同，牛腿连接可以设置成明牛腿连接和暗牛腿连接，如图2所示。

(a)明牛腿节点 (b)暗牛腿节点 图2 牛腿连接的装配式框架梁柱节点[13]

明牛腿连接承载力高，我国装配式多层厂房结构大都采用预制长柱明牛腿框架型式。蒋永生[13]进行了钢筋混凝土框架节点梁端抗震性能的试验研究，研究了明牛腿节点在反复循环荷载作用下的受力性能。研究结果表明：这种刚性节点在地震荷载作用下具有较大的承载能力，耗能能力较强，并且具有较好的延性，总的来说，抗震性能较好。但是，明牛腿的做法，由于在建筑上影响美观和占用空间，应用不是很普遍。

暗牛腿应用于对空间美观要求较高的住宅建筑中，能避免影响空间和利于建筑美观，为连接处外形构造和设备使用等创造了良好的条件。但是，暗牛腿施工较为复杂，且不利于结构静力和动力性能的设计；此外，暗牛腿节点还存在局压现象，局部混凝土压碎可能会影响节点的承载力[14]。

焊接连接在施工中避免了现场浇筑混凝土，对环境污染小，典型的焊接连接方式如图3 所示。

图3 焊接连接的装配式框架梁柱节点

1993年，Ersoy[15]研究了框架梁跨中焊接连接节点的抗震性能。Ersoy在框架梁跨中的连接中采用顶板、底板和侧板的焊接连接方法。这种连接方式刚度大，施工快捷，Ersoy进行了5个焊接节点和2个现浇节点的对比试验。结果表明：焊接节点的强度、刚度、耗能都与现浇节点相当。连接侧板对该焊接节点具有重要意义，没有侧板的节点承载能力将会大大下降，变形也会显著增加。

黄祥海[16]通过建立有限元模型对图4所示企口连接梁柱节点进行了分析，结果表明：新型节点的承载能力与同等条件下的整浇混凝土梁柱节点的承载能力相当，且变形能力要好于整浇节点。同时说明，提出的新型干式节点为强节点，通过合理设计的钢板盖可以较好地实现整体连接的良好受力和变形性能。

朱筱俊[17]等利用剪切摩擦和拉压杆模型理论，对企口连接斜企口梁进行分析，并推导出极限承载力公式，与试验数据对比得出极限承载力公式无较大偏差。

图4 企口连接装配式框架梁柱节点[16]

Ertas 等[18]分别对4种类型节点进行了低周反复加载试验研究，包括现浇节点、螺栓连接节点、焊接节点和后浇整体节点。试验结果表明：螺栓连接节点和后浇整体式节点的抗震性能同等于现浇节点。螺栓节点的耗能能力、位移延性及刚度和强度退化等抗震性能优于其他预制节点。

上述研究结果表明，预应力拼接装配式节点及连接的强度和刚度，能够接近或达到等效现浇节点的水平，但其耗能能力低于现浇节点。后浇整体式节点的力学性能和抗震性能，则接近或达到现浇节点的相应性能水平，其中叠合梁、板的做法减少了现场模板的工作量，但是节点核心区的钢筋连接密集和混凝土浇筑难度较大，施工质量难以保证。焊接连接节点的整体性和强度较接近于现浇节点水平，但焊接连接节点的现场施工质量较难控制，且在反复地震荷载作用下容易发生脆性破坏，在地震作用下可能无法形成塑性铰，耗能低。螺栓连接节点及连接刚度相对较弱，整体性相对较差，但螺栓连接节点适合于装配式结构的现场施工。

1.3 新型全预制装配式干连接节点研究现状

近年来，新型全预制装配式干连接节点形式成为装配式建筑研究的热点。

孙岩波[19]进行了4个型钢混凝土框架节点试件的低周反复加载试验，包括一个装配式型钢混凝土框架中节点、一个装配式型钢混凝土框架边节点、两个相应现浇混凝土框架节点。试验结果表明：装配式与现浇节点具有相近的破坏形态，且4个节点均实现了梁端塑性铰破坏机制，两个装配式节点与其相应的现浇对比试件的刚度退化规律基本一致。装配式型钢混凝土框架节点与现浇对比试件具有相近的抗震性能，实际工程中可参照现浇型钢混凝土框架结构。非线性有限元计算模型得到的整体变形、破坏形态与试验结果基本一致。

苗小燕[20-21]采用高强螺栓将装配式节点的预制梁和预制柱通过预埋型钢连接在一起。首先，通过足尺试验方法与现浇混凝土梁柱节点进行对比，研究了这种新型装配式框架节点的滞回曲线、骨架曲线、延性、刚度、耗能能力等受力机理和抗震性能。试验研究结果表明：这种新型装配式框架连接节点，可以获得与传统现浇节点相当的抗震性能。

张亨通[22]设计一个截面配筋尺寸完全相同的装配式型钢混凝土梁柱中节点与现浇式型钢混凝土梁柱中节点，对这2个节点的梁端采用相同制度的低周反复荷载的加载形式，从它们的破坏形态、应力分布、滞回曲线、骨架曲线、极限荷载等多方面进行了比较分析。结果表明：装配式型钢混凝土框架节点与现浇式型钢混凝土框架节点，在破坏形态与滞回曲线等方面基本保持一致。基此表明，装配式型钢混凝土连接处的承载力，基本可以等效于整浇型钢混凝土梁柱节点。

韦讳[23]提出了暗牛腿-法兰连接、榫式-法兰连接全预制装配式混凝土结构梁柱节点构造，并基于ABAQUS软件建立了榫式-法兰连接梁柱节点连接与现浇梁柱节点有限元分析模型，计算结果表明，新型连接构件的承载能力比同条件下的现浇构件有所提高，延性相当。同时，计算分析了螺栓个数、钢板厚度、榫头长度对新型梁柱节点承载力及变形的影响，提出了相应的设计构造建议。

目前，全预制装配式框架梁柱干连接节点主要存在以下问题：

(1)节点处的连接没有改变传统钢筋混凝土结构的构造，仅在原来节点处通过螺栓连接或预埋钢构件实现节点连接，前者使节点核心区的混凝土受到削弱，后者使得节点在原配筋的基础上增加了大量的钢材，节点核心区的配筋率大大增加，且预制梁柱节点核心区钢筋密集，增大了混凝土浇筑振捣难度。

(2)装配式框架节点采用螺栓连接时，由于梁端剪力通过螺栓传递给核心区混凝土，与栓杆接触处的混凝土容易出现局部受压破坏，且其传力的可靠性受螺栓质量及施工质量限制，使其抗剪能力不能得到保证。在核心区内设置竖向钢板并与外围钢板桶连接形式，梁端剪力首先传递给钢板桶，通过钢板桶剪力是传递给核心区内部的混凝土还是竖向钢板尚不明确，且外侧钢板桶对下柱外侧混凝土出现剪压作用，不利于荷载传递。

(3)目前预制梁内为了满足连接要求，多采用型钢混凝土，工字钢上下翼缘较宽，又有纵向钢筋与箍筋，增加框架梁预制过程中混凝土浇筑振捣难度，使预制梁质量无法保证。

(4)一些梁柱节点的连接面在柱边，安装拆卸过程施工难度大，对承载能力影响较大。

此外，装配式结构大部分研究，集中于增强结构本身的抗震能力，其中利用耗能减震技术来相应提高装配式结构的抗震能力研究相对较少，强震作用下结构产生的损伤和破坏给修复和后续使用带来困难。

针对上述问题，有必要对装配式钢筋混凝土框架结构的连接形式及节点进行创新性研究，从而满足更高抗震性能目标要求。基此，本研究提出一种新型全预制装配式钢管约束框架节点，并在框架结构预制梁与预制节点核心区外伸梁段，采用往复弯曲耗能铰连接，实现传统梁柱拼装连接节点的外移，消除拼装薄弱环节，保护节点核心区的完整性，且连接节点具有良好的耗能能力和塑性可控特性。

2 新型全预制装配式钢管约束框架节点

2.1 新型节点构造及加工

本研究提出的全预制装配式钢管约束框架节点，包括核心区内骨架、约束钢管和梁端钢筋骨架，其中，核心区内骨架由平行于梁纵向钢筋设置的横隔板以及穿设于横隔板的穿筋套管组成，横隔板上设置有注浆孔和排气孔，如图5所示。核心区内骨架安装于约束钢管内，梁端纵筋和钢腹板焊接于约束钢管外；焊接时，为确保传力路径明确，梁纵向钢筋应与横隔板处于同一水平面。考虑到节点两侧梁高设置不同时，可调整中横隔板与另一侧梁底纵筋处于同一水平面。梁端钢筋骨架另一端部焊接固定一连接钢板和钢梁，钢梁上按要求设置螺栓孔用于连接预制梁或阻尼器。

(a)预制节点骨架结构 (b)核心区内骨架图5 全预制装配式钢管约束框架节点结构示意图

全预制装配式钢管约束框架节点梁段浇筑混凝土并养护至符合要求后，运至装配现场通过图6所示耗能阻尼器与预制梁连接。防屈曲翼缘金属板耗能阻尼器的主体分为内核单元、约束单元和无粘结层，其构造如图6(b)所示。内核单元采用屈服强度低、延性好的金属板，常采用低屈服点钢或软钢，为主要受力耗能元件。内核单元金属板端部设有螺栓孔，通过摩擦型高强螺栓与预制梁中预埋钢梁相连。为防止内核单元在受压过程中的屈曲，采用钢板制作成矩形套筒作为约束单元，并在约束单元与内核单元之间填充薄橡胶层或类似无黏结材料，防止外围约束单元通过摩擦或黏结，与内核单元共同承受轴向荷载。

(a)预制节点与预制梁连接

(b)防屈曲翼缘金属板耗能阻尼器构造图6 金属耗能阻尼器

预制节点外伸梁段预埋H型钢腹板与预制钢筋混凝土梁端预埋H型钢腹板截面对齐后，两侧各设置1片连接钢腹板，通过螺栓连接，确保中心传力。连接钢腹板中部区域一侧预留方形或弧形缺口，设备管道可从腹板连接板预留孔穿过，增加对室内净空高度的建筑使用功能要求。

2.2 新型预制装配式框架结构安装

使用全预制装配式钢管约束节点的框架结构装配施工顺序如下：

(1)新型节点与下柱连接，如图7a所示，预制钢筋混凝土下柱安装完成后，吊装全预制装配式钢管约束节点就位，使下柱纵筋穿过节点的穿筋套管，再往注浆孔中注入灌浆料，灌浆料填充预制柱与上横隔板间预留空间后从穿筋套管溢出，形成连接层。

(2)新型节点与上柱连接，将步骤(1)中穿过节点的下柱纵筋与上柱内预埋的灌浆套筒进行灌浆连接。

(3)将预制节点外伸梁段端部预埋H形钢梁，通过耗能阻尼器与预制钢筋混凝土梁连接。

(a)新型节点与下柱连接示意图

(b)新型节点与预制梁连接示意图

2.3 新型预制装配式框架结构原理及特色

新型预制装配式框架结构中，梁端弯矩产生的纵向钢筋拉力，通过与其处于同一水平面的上下横隔板传递至节点核心区。梁端剪力由高强腹板连接板承担，并通过节点约束钢管传递给横隔板，再由横隔板传递到节点核心区混凝土，节点荷载传递路径明确，便于受力分析。新型节点在核心区外设置约束钢管，能够提高节点侧向约束，混凝土的强度和延性，实现强节点、弱构件的抗震概念。

该节点连接在正常使用与小震时表现为刚性行为。在中、大震作用下，由于阻尼器采用低屈服钢，且在内核单元的金属板截面进行一定区域长度的局部削弱，因此率先屈服，在框架梁上形成塑性铰耗能，主体梁柱构件可以在设计的位移水准下几乎没有损伤。防屈曲翼缘金属板耗能阻尼器设置在距离梁柱连接节点根部一定距离，实现塑性铰从柱面外移从而减少对节点核心区的损伤，避免整体节点失效，震后修复工作较少，仅为更换防屈曲翼缘金属板耗能阻尼器。

图5所示的节点形式具有以下特点：

(1)节点核心区骨架构造采用横向隔板，使得节点荷载传递路径明确，便于受力分析，梁端剪力通过约束钢管传递给横隔板，再由横隔板传递到节点核心区混凝土，从而将荷载传递给柱子。

(2)节点核心区混凝土内钢筋通过穿筋套管进行约束，无需配制箍筋，便于节点制作及混凝土浇筑。

(3)梁端预埋件不改变现有钢筋混凝土梁的配筋情况，便于浇筑混凝土，且在梁内加入竖向钢板增加梁端抗剪承载力，实现“强剪弱弯”。

(4)采用被动耗能阻尼器的减震技术应用于装配式混凝土框架结构体系中，可控制结构的失效模式，使结构在安装耗能阻尼器处集中变形耗能，减轻主要结构构件的损伤。

(5)全预制装配式钢管约束框架节点与预制梁通过螺栓连接，施工方便，且能够实现震后可修复、可更换。

3 结论

装配式钢筋混凝土结构的优势众多，能够投入使用并得到推广的关键，即保证预制装配式构件与构件之间连接是否能发挥抗震优异性的同时，又有施工方便、价格低廉、性能稳定以及可修复性等特性。本研究的新型预制装配式框架，不仅有效发挥抗震性能且施工方便，能够实现震后可修理、可更换，结构造价经济，性能稳定。

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