装配式钢管约束耗能连接节点的受力性能研究

成宝亮

（闽南理工学院， 福建 石狮 362700）

0 引言

装配式建筑是指结构系统、外围护系统、设备与管线系统、内装系统的主要部分采用预制部品部件集成的建筑[1]。我国在建国初提出了建筑工业化的发展方向，建造了大批预制装配式单层工业厂房、装配式大板体系等[2-4]。唐山大地震后，由于装配式结构节点连接薄弱的缺点，使其在我国的发展一度受到限制[5]。进入21世纪后， 我国又重新开始重视了装配式建筑。近年来，各地涌现出一批示范工程，如上海浦江大型居住社区，预制率达50%-70%等，实现了构件制造的工厂化及施工现场的装配化[6]。福建省近年来也加大了推动装配式建筑的发展力度，中建海峡建设发展有限公司引领建设中美清洁能源示范项目，项目集成应用绿色建筑与装配式框架结构等多项技术。

本项目主要目标是提出一种装配式钢管约束耗能连接节点构造形式及其设计方法，分析装配式钢管约束耗能连接节点延性、耗能等评价指标。提出装配式钢管约束耗能连接节点性态水平及失效判别标准，建立基于构件类别的结构抗震性能化控制指标及基于性能的结构抗震设计理论，为相关规范制定和工程设计提供理论支撑。

1 静力荷载下装配式钢管约束耗能连接节点的受力性能

采用“Z”型直剪试验，考察纤维掺量、界面粗糙度、钢纤维自密实混凝土工作性能、钢纤维自密实混凝土强度等参数对界面粘结强度的影响。采钢纤维自密实凝土与钢板的直剪试验方法，得出钢纤维自密实凝土与外包钢管的粘结应力一滑移关系以及极限粘结强度，确定连接界面处的传力机制和塑性滑移模型。

1.1 钢管约束耗能连接节点模型

在进行预制装配式钢管约束耗能连接节点的受力性能试验时，要先设计两个预制装配式钢管柱节点试件和一个钢管梁柱节点试件。

1.2 装配式钢管约束耗能连接节点的耗能能力

在预制装配式钢管约束耗能连接节点结构中，其抗震能力和耗能能力起着至关重要的作用。建筑的抗震能力越高，其建筑的质量也相应提高。因此，如何提高钢管连接节点的耗能能力，是体现建筑抗震性能中的重要方面。预制装配式钢筋混凝土节点试件的耗能能力大概是钢筋混凝土节点试件的两倍，预制装配式钢筋混凝土节点试件的耗能能力与轴向压力比成反比，即随着轴向压力比的降低，预制钢骨混凝土试样的耗能能力不断提高，表明其抗震性能较好。

2 地震作用下装配式钢管约束耗能连接节点的受力性能。

在进行抗震设计的过程中，基本上是以“强柱弱梁，强节点弱构件”为依据，这种设计最终的破形式是在两段产生塑性铰进行耗能。目前梁柱节点的试验研究与分析大部分是以这种依据进行计的，最终的破坏形式多为出现塑性铰，而目前对钢管节点约束耗能连接节点的受力情况研究较少，所以为了更好的传递梁端剪力，节点核心区增加了外钢管对钢纤维自密实混凝土起到了有效的约束作用。

2.1 往复荷载作用下钢管约束混凝土

混凝土填充钢管作为一种新型复合材料结构，主要由轴压和受压构件组成，它的偏心力较小，广泛应用于框架结构中。钢管被混凝土填满，可以吸收大量热能。钢管混凝土浇注减少了钢管的外露面积，被外部气体腐蚀的面积远小于钢结构。抗腐蚀和防腐的成本也比钢结构低。通过循环钢管对其内部混凝土的有效约束，使钢管内的混凝土处于三向压状态，使混凝土具有较高的抗压强度。

2.2 钢纤维自密实混凝土的本构模型

采用“8” 字形的钢纤维自密实混凝土试件，在液压伺服拉力机上施加往复荷载，得到钢纤维自密实混凝土的应力一应变骨架线，其加卸载准则在普通混凝土的加卸载准则的基础上进行修正，建立了钢纤维自密实混凝土在往复荷载作用下本构模型。通过数值迭代全过程分析钢管对混凝土提供约束大小的变化，确定了核心混凝土在被动约束条件的应力一应变之间的关系。 确定了钢管约束混凝土在往复荷载作用下的骨架曲线，进而在普通混凝土的加卸载准则的基础上做相应修正，建立了钢管约束混凝土在往复荷载作用下的本构模型。

2.3 装配式钢管约束耗能连接节点的延性

在预制装配式钢管约束耗能连接中，其延性对提高抗震能力和吸收地震能量具有重要意义，通过对预制钢管接头延性的研究，不断提高其抗震性能和效果。预制装配式钢混管混凝土的节点试件有继教号的延性，同时它的轴向压力比不同，位移延性系数与轴向压力比成反比。轴向压力比对预制钢筋混凝土梁接头的变形能力有显著影响。

3 结束语

装配式建筑物的成本比现浇式建筑物的成本要高。装配式建筑增加了深化设计阶段，增加了设计过程中的部分设计成本。在施工阶段，由于需要大量的起重吊装作业，机械成本也随之增加。预制混凝土组件已作为工业产品进入建筑企业，增加了前期成本，投资于组件生产系统，组件维护，运输和税收，这些也将分配给建筑成本。但是，随着生产规模的扩大和标准化体系的完善，装配式建筑的造价将与现浇式建筑的造价相同，甚至更低。

钢管约束混凝土在往复荷载作用下的本构模型能更有效地体现钢管和混凝土材料的优点，同时克服钢管结构局部屈曲的缺点。近年来，随着理论研究的深入和新的施工技术的出现，此模型在工程中的应用越来越广泛。本项目应用绿色建筑与装配式建筑等多项技术，在节约能源利于环保的基础上，提高了部件精度及强度，保证了品质，可以加快施工进度，节约劳动力成本，提高了施工的安全性。并推动建筑产业升级，带动了相关产业的发展，有利于促进预制装配式混凝土结构在我省的推广应用，产业化前景广阔。