装配式混凝土结构新型梁柱节点研究

0 引言

节点连接安全性一直是装配式结构最关心的问题之一，也是装配式结构研究的热点问题。文献[1]通过拟静力试验研究了梁柱边节点在地震作用下的破坏形态、滞回曲线和骨架曲线，结果表明提高箍筋的强度等级或加密箍筋对提高节点的抗剪承载力有效；文献[2]设计一个在预制柱节点内预埋低屈服高延性连杆的高效延性节点，节点的变形能力增强，位移延性系数高于现浇节点；文献[3]采用钢板对焊拼接预制装配式钢骨混凝土框架节点，与钢筋混凝土梁柱节点相比，其塑性变形能力强，具有较好的耗能能力；文献[4]将装配式钢筋套筒灌浆连接节点和现浇节点进行低周反复荷载试验，其钢筋套筒灌浆连接节点的力学和抗震性能与现浇节点相近。

对于装配式混凝土结构，一方面由于节点连接处受力复杂，容易发生破坏；另一方面大多数节点连接需要进行现场湿作业，不仅对现场施工技术要求较高，而且施工进度缓慢，不能完全发挥装配式结构的优势，因此提出一种新型干连接的梁柱节点形式，避免对节点进行现场湿作业，可实现结构体系的全预制化。

1 节点形式

1.1 节点设计思路

装配式结构的节点连接位置大多集中设置在梁柱节点核心区，调查研究表明：装配整体式结构节点是其抗震中的薄弱环节，在地震中最主要的破坏形式是节点区混凝土压碎和钢筋屈曲[5]，同时节点核心区布筋较密集，后浇筑混凝土不易振捣密实，施工困难，难以保证节点核心区的整体质量。

新型梁柱节点的设计基本思路主要基于以下2点：①依据GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》要求在结构的重要构件和关键传力部位，纵向受力钢筋不宜设置连接接头；②在抗震设计中充分考虑“强柱弱梁”“强节点弱构件”的设计理念。该新型梁柱节点连接形式：梁柱连接核心区整浇预制，节点连接处分别设置在梁段1/3处和柱段1/2处，其中梁-梁连接采用企口连接，通过预埋角钢与中间搭接梁焊接；柱-柱连接采用植筋技术，节点整体模型如图1所示。

图1 梁柱节点模型

1.2 节点连接形式与构造

植筋技术是指以专业的胶粘剂将带肋钢筋或全螺纹螺杆种植于基材混凝土中后锚固的方法，多应用于结构加固改造工程中，同时胶粘剂黏结强度高，凝固时间短，可实现快速化施工。预制节点在柱连接处采用植筋技术，在柱下半段预留植筋孔，在植筋范围内和柱上部搭接筋区的箍筋加密，其节点连接如图2所示。预留植入孔的大小及下部植筋段的箍筋加密要求按照GB 50367—2013《混凝土结构加固设计规范》执行。安装前必须对植筋孔洞清理，之后注入A级植筋胶，注入量应超过植入孔高度80%，溢出部分充填连接缝，预留钢筋对孔插入后应减少二次扰动，以免影响连接质量。

预制节点在梁搭接处缺口梁边缘预埋角钢，受力钢筋与角钢焊接，同时沿角钢长度方向每间隔200mm引出拉锚筋，防止节点处角钢被拉出造成节点因承载力不足发生过早破坏，其节点连接如图3所示。中间搭接梁吊装就位后先沿搭接处将预埋的角钢焊接在一起，然后将焊缝打磨平整，再使用与角钢同等级的钢板沿接口四周焊接。焊缝大小及要求按照现行《钢结构设计规范》执行，拉锚筋选用与箍筋等直径、同等级。

图2 柱-柱连接节点

图3 梁-梁连接节点

2 模型分析

2.1 模型概况

利用PKPM结构设计软件建立一个4层钢筋混凝土框架结构，其抗震等级为7级（0.15g）,Ⅱ类场地，层高3.3m，总高度13.2m。柱尺寸为600mm×600mm，梁尺寸为400mm×600mm，跨度为7200mm，受力钢筋为HRB400，C30混凝土。

2.2 整体模型分析

研究表明，节点区的刚度对结构体系的受力性能有直接的影响[6]，本文通过改变梁中间搭接梁的刚度建立不同的装配式结构体系，分别为Ex（现浇体系），0.8Ex，0.6Ex，0.4Ex。模型平面及刚度折减区分布如图4所示。

图4 结构平面及节点刚度折减分布

利用有限元分析与设计软件SATEW对4种结构体系分析计算，得到结构体系自振周期和最大层间位移角，如表1，2所示。结果表明：新型节点体系自振周期比现浇体系要大，总体上看4种结构体系之间自振周期差别不大，说明装配式体系与现浇体系相似；随着节点区刚度不断折减，结构层间位移角变大，符合结构设计要求。

表1 结构体系自振周期

表2 最大层间位移角

节点连接处是装配式结构最薄弱的环节，应给予足够的重视。对于节点的连接，给出以下建议：柱主要承受压力，安装时应保证柱连接处几何中心一致，防止柱承受过大偏心力而发生破坏；梁连接处外围采用钢板焊接，节点类似于钢箱梁，为保证节点取得刚度要求，可按等刚度原则计算贴焊钢板的厚度。

3 结语

1）本文提出的节点形式将连接位置分别移动至柱段1/2和梁段1/3处，避开受力复杂的梁柱节点核心区，增加装配式混凝土结构的整体性，改善结构的受力性能，使结构体系受力更加合理。

2）节点连接方式采用植筋技术和预埋钢件焊接，施工时操作简单，无需现场湿作业，可大大提高施工效率。虽然节点存在异形，给工厂预制带来一定困难，随着建筑工业化的发展和工厂预制工艺的提高，节点异形问题势必得到有效解决。

3）通过模型分析可知节点区刚度的折减增大了结构的自振周期和最大层间位移角，建议按刚度等效原理，适当提高预埋角钢和外围钢板尺寸提高节点区刚度，对节点进行强度和刚度的双重控制。

参考文献：

[1]柳旭东，王东辉，刘帅，等.装配式梁柱边节点抗震性能试验研究[J].建筑结构，2016，46（10）：87-90.

[2]李向民，高润东，许清风.预制装配式混凝土框架高效延性节点试验研究[J].中南大学学报（自然科学版），2013，44（8）：3453-3463.

[3]宋玉普，王军，范国玺，等.预制装配式框架结构梁柱节点力学性能试验研究[J].大连理工大学学报，2014，54（4）：438-444.

[4]高林，刘英利，张啸驰，等.预制装配框架结构灌浆套筒式节点试验研究[J].世界地震工程，2016，32（1）：75-80.

[5]张瀑，鲁兆红，淡浩.汶川地震中预制装配整体结构的震害调查分析[J].四川建筑科学研究，2010，36（3）：129-133.

[6]刘菲菲，于德湖，张纪刚.装配式混凝土框架结构新型节点设计及分析[J].青岛理工大学学报，2015，36（1）：118-124.