浅谈新型装配式混凝土梁柱节点连接技术研究进展

嵇广宇，李雪晨，樊 煜，郑宇涵，王润民，常育豪

（1.河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098）

自20世纪60年代以来，装配式建筑结构因其便捷性、高效性与环保性在全世界得到大力推广。在中国，装配式建筑规划自2015年以来密集出台。2015年末发布《工业化建筑评价标准》，决定于2016年在全国全面推广装配式建筑。国务院总理李克强于2016-09-14主持召开国务院常务会议，决定大力发展装配式建筑，推动产业结构调整升级，装配式建筑作为新时代社会土木工程建设的发展重点受到了空前的关注。由于中国受地震影响的面积广，且国内目前所使用的传统装配式混凝土梁柱节点的连接方法存在弊端，使得装配式建筑的结构性能参差不齐，抗震性能有着重大缺陷。为了提升装配式建筑的整体性、抗震性，本文引入国外最新的slotted beam技术，通过新型开槽梁的结构连接设计，改善装配式建筑结构普遍存在的整体性、结构性与抗震性的问题，对当前全面发展普及装配式建筑、推动产业结构升级有着非凡的意义。

1 国内外装配式节点设计发展概况

装配式结构的连接节点可以大致分为预应力拼接节点、后浇整体式连接节点、螺栓连接节点和焊接节点。目前国内关于“装配式建筑节点连接问题”的研究还未达到详尽的程度，经总结，存在以下几点不足。

该技术的研究仍未成熟，缺乏完善的设计理论、装配式节点试验数据库，对规范的制订没有数据支撑。且对于各参数对节点承载力、位移的定量分析不足，对节点初始刚度计算模型和节点各构件的屈服时序缺少更深入的研究。

各已有的装配式梁柱连接节点的形式均存在一定的缺陷。以下将对几种较常见的连接节点形式的缺陷作出说明：①传统的梁柱刚性连接节点。形式一般为栓焊混合连接、全焊接、全栓接。而前两种连接形式由于受到环境和工人施工水平等因素的影响，焊接质量难以稳定控制，给节点连接受力性能埋下安全隐患；第三种费工费料，工程中鲜有采用。且这些连接装配化程度不高，无法满足真正意义上的装配建筑的要求。②套筒式装配式梁柱连接节点[1]。该连接形式是一种半刚性连接形式，结构在地震作用下底部剪力明显减小，动力响应与刚性节点相比存在很大差异。③内套筒装配式梁柱连接节点[2]。对于该种节点，当内套筒厚度取值过大时，节点力学性能提升不显著；内套筒长度增加，对拉螺栓对T形件约束能力减弱，T形件翼缘弯曲变形增加，节点的抗弯承载力降低。④装配式外套筒-外伸端板组件梁与柱连接节点[3]。该形式由于柱与外伸端板采用对拉螺栓连接，滞回曲线在位移加载控制初期会出现一段滑移。

对节点连接技术的应用范围的研究不够全面，具体表现为：①目前对于装配式节点的研究多为常温状态的研究，对于火灾或高温作用下的节点构件的损伤时序研究较少[4]；②对螺栓与螺栓孔及板件之间因节点发生变形、接触发生变化时的应力重分布缺少进一步研究；③对节点在地震、风荷载作用下的抗侧力性能缺少完备的研究，应结合减、隔震技术，对双向地震作用下的框架抗倒塌性能做进一步的研究；④应将对装配式梁柱连接节点的研究扩展到新材料、新工艺的应用上，提高结构震后的可修复性，采取一些易于维修加固的构造措施等。由此可见，传统的装配式结构连接方式在实际应用中均存在不足，无法满足当前对建筑安全性能和结构性能的更高要求。一个新型的、完善的装配式建筑节点连接方式的应用前景是广阔的。

采用国外最新的slotted beam技术，通过新型开槽梁的结构连接设计，改善装配式建筑结构普遍存在的整体性结构性抗震性问题，对当前全面发展普及装配式建筑，推动产业结构升级有着非凡的意义。

2 新型装配式混凝土梁柱节点优点

2.1 低破坏性

与传统的钢筋混凝土梁相比，在相同的位移水平下，开槽梁在连接处和楼板处的开裂和损坏要少得多。

2.2 可忽略不计梁伸长

这意味着对相邻楼板的损坏显著减少，并且减少了楼板对梁弯曲超强的贡献。这也允许减少地板单元的座位宽度。

2.3 较小的柱弯矩要求

因为与传统钢筋混凝土梁相比，板对梁超强弯矩的贡献要小得多，所以在带槽梁的框架中，柱弯矩要求较小。

2.4 更低的残余变形

由于更大的阻尼和更大的屈服后刚度，带槽梁的框架表现出更小的残余变形。

2.5 建造方法与传统方式相同

由于开槽梁与传统钢筋混凝土梁非常相似，因此可以使用新西兰常用的相同预制仿真方法建造。这使得开槽梁成为传统钢筋混凝土梁的实用替代品。

钢筋混凝土开槽梁能够提高地震作用下钢筋混凝土框架的性能和安全性。开槽梁可以显著减少对建筑物框架和地板的损坏，同时保持当前的建造成本。

3 新型装配式混凝土梁柱节点缺点

3.1 更大的柱深需求

由于开槽梁的黏结条件更为苛刻，因此需要更大的柱深来为底部梁纵向钢筋提供足够的黏结。

3.2 低周疲劳

由于底部纵向钢筋的塑性应变累积比常规钢筋混凝土梁大两三倍，开槽梁更容易发生低周疲劳破坏。

3.3 较大的顶部纵向钢筋需求

为了限制混凝土顶部铰链的伸长和开裂，需要较大的顶部纵向钢筋。

3.4 更多的梁柱节点钢筋需求

由于连接到梁柱节点的开槽梁底部没有混凝土压力，需要额外的水平节点箍筋来支撑节点中的对角混凝土支撑机构[5]。因此，尽管需要一些改变来解决与开槽钢筋混凝土梁相关的设计问题，但考虑到在低损伤和可忽略的梁伸长方面的诸多好处，这一概念无疑是传统钢筋混凝土结构的可行替代物。

4 新型装配式混凝土梁柱结点进一步研究

4.1 研究目标

研究目标具体如下：①借鉴新西兰的预制装配式开槽梁的施工理念，构建开槽梁物理模型进行试验；②利用有限元软件ABAQUS进行Standard数值计算，进行荷载承载能力分析，从而得以模拟装配式混凝土梁柱节点梁端的位移荷载加载试验，并确定装配式混凝土梁柱节点整体性和抗震性的影响因素分析；③综合研究成果设计一套符合中国规范的新型装配式开槽梁设计方案。

4.2 承载能力分析

承载能力分析具体如下。

对新型装配式连接节点进行低周反复荷载试验以考察其受力特性。

利用有限元软件ABAQUS建立数值分析模型并与试验结果进行验证对比。模型上侧边界面施加固定约束，下侧边界面耦合在参考点上，于参考点上施加滑动约束，约束其X、Y向的位移和转角以及Z向的转角，并在耦合点处施加沿连接件Z向的荷载，以实现对连接件的均匀加载。荷载的施加分两步完成：第一步对预紧单元施加1 kN预紧力，第二步加荷载。加载方法与试验加载方法保持一致。

结构在反复荷载作用下，结构的刚度会出现退化的现象，刚度退化实质是反映了结构在反复荷载作用下的累计损伤，是结构抗震性能分析的一个重要指标。

通过节点的骨架曲线能够了解到构件的强度、刚度、延性、耗能及抗倒塌能力等，能够定性地比较和衡量构件的抗震性能。

试件的荷载位移曲线反映了试件在往复荷载作用下荷载和位移的关系，由于钢筋混凝土的弹塑性性质，当加载的荷载进入弹塑性阶段后，在卸载时试件会产生残余变形，即荷为零而试件位移不为零，此类现象称为位移滞后荷载现象，当荷载经过正负循环后，即会形成一个荷载位移滞回环。典型的结构或构件滞回环形状一般有四种：梭形滞回环说明滞回曲线的形状非常饱满，整个结构或者构件塑形变形能力很强，具有较高的耗能能力；弓形滞回环反映了试件具有“捏缩”效应，说明试件受到了一定的钢筋滑移影响，结构或构件的塑形变形能力较梭形滞回环弱，但仍具有较好的耗能能力；反S形滞回环反映了构件或结构受到了较大的钢筋黏结滑移的影响，此类试件吸收地震能量较差；Z形滞回环表明试件在反复荷载作用下，钢筋黏结滑移较严重，在荷载加载过程中甚至出现一段较长的“零刚度”段，此类试件的抗震性能最差。将所有的滞回环连起来，即得到荷载位移滞回曲线，它是研究构件抗震性能的一个重要载体，也是进一步研究构件强度、刚度、延性、耗能等抗震指标的基础。

4.3 创新特色

基于新西兰开槽梁新技术的现有理论、实验数据及工程实例，设计开发出适用于中国地质条件，符合中国建筑施工规范标准的新型装配式结构梁柱节点的连接方式，该成果可弥补现有装配式结构整体性不足、抗震性能差的缺陷，在地震中减少对建筑物框架和地板的损坏，同时保持当前的建造成本。

针对现行装配式结构节点设计和施工的不完善之处，结合开槽梁理论以及预制模拟的施工方法进行调整改进，该成果可以对现行的普遍方法进行补充发展，整体提高节点连接施工技艺，对促进装配式建筑在国内的普及有着重要的价值。

利用ABAQUS有限元分析法，构建开槽梁在装配式建筑结构中的受力性能分析模型，该成果能够填补国内当前新型梁柱节点连接方式的空白，得到可运用于实际生产施工中的规范标准。

5 结论

本论文的研究旨在讨论一种简单的无撕裂楼板框架连接，可作为传统钢筋混凝土设计的替代品，而开槽钢筋混凝土梁是一种可能的解决方案。它由一个传统的钢筋混凝土梁组成，在柱表面有一个狭窄的垂直槽，大约延伸到梁深度的3/4。槽的存在允许地震围绕剩余混凝土的“顶部铰链”发生旋转，从而通过缝隙的打开和关闭来适应变形。这能把传统钢筋混凝土梁中出现的梁伸长量降至最低，并将变形集中在远离楼板的位置，从而将对相邻楼板的损坏降至最低。