PC 装配式结构连接节点抗震性能研究进展

曹晓罗

（沙洲职业工学院，江苏 张家港 215600）

引言

为了改变当下传统建筑业效率低下、环境污染、劳动力短缺等问题，住建部明确了未来建筑业现代化发展方向即“绿色、工业化、信息化”。建筑产业现代化是建筑工业化的目标，建筑工业化是实现建筑产业现代化的手段和基础，而装配式建筑是实现建筑产业现代化的一种建筑生产方式[1]。20 世纪50 年代我国从苏联引进大板结构，装配式混凝土结构在国内存在连接可靠性差、抗震性能差、建筑体型单一、保温隔热性能差等诸多缺点。近些年，在国内外大量科研工作者的攻关下，装配式建筑技术已经逐步发展成熟。中国建筑企业通过引进或者研发形成了多种PC 装配式结构体系，例如：黑龙江宇辉体系、世构体系、台湾润泰体系、NPC 技术体系等。

装配式混凝土结构是由预制混凝土构件通过可靠的连接方式装配而成的混凝土结构[2]，目前主要应用于高层住宅项目，其主要结构形式有：装配整体式框架结构、装配整体式剪力墙结构、装配整体式框剪结构。为了保证装配式混凝土结构的整体性，预制构件的连接技术至关重要。国内外众多学者在装配式预制构件的连接技术方面研究成果众多、连接形式纷繁复杂。本文选取目前应用范围最为广泛的装配式混凝土框架结构和剪力墙结构，系统性介绍其连接形式、研究方法及抗震性能，梳理国内外在装配式结构连接技术方面的研究成果，为今后装配式混凝土结构连接技术研究提供参考。

1 装配式框架结构

1.1 研究现状

装配式框架结构根据其施工方法不同可以分为全装配式框架结构和装配整体式框架结构。全装配式框架结构是在连接区通过焊接、螺栓连接、预应力筋连接预制构件，由于其在施工过程没有混凝土湿作业，称为“干式连接”。装配整体式框架结构是通过在连接处浇筑混凝土将相邻构件及锚固钢筋连接成一个整体，称为“湿式连接”。目前，装配式框架结构连接技术的研究主要集中在梁-柱节点、柱-柱节点、梁-梁节点，其研究方法主要有试验研究和数值模拟两种。预制构件连接节点抗震性能的研究一般采用低周往复荷载试验，研究其滞回性能、骨架曲线、位移延性、耗能能力、刚度退化及破坏形态。在数值模拟方面，根据其建模思路的不同，可以分为基于梁柱杆系单元和基于三维实体单元的分析方法。

1.2 梁-柱节点

1.2.1 湿式连接节点

为了避免装配式节点区域钢筋碰撞问题，Lee[3]等完成了六个梁柱节点的低周反复荷载试验，其中三个中节点、三个边节点，如图1 所示。通过试验对比梁下部纵筋在节点处分别采用弯锚、锚头连接对节点的滞回性能、强度退化、刚度退化及能量耗散的影响。试验结果表明：该连接方式与现浇混凝土节点抗震性能相当。

图1 预制梁底钢筋采用弯锚连接

为了研究装配式后浇节点的抗震性能，Yan[4]等设计以轴压比为控制变量的梁柱节点在低周反复荷载下的试验。其中，预制梁柱节点和现浇梁柱节点各两个，预制节点中梁柱纵筋均采用双灌浆套筒连接，如图2 所示。试验结果表明：预制节点和现浇节点耗能能力相近，但具有不同的破坏模式。在设防烈度较高地区，装配式框架结构节点中梁中灌浆套管应远离塑性铰区。

图2 梁柱双灌浆套筒连接节点构造

郭正兴[5]、管东芝[6]等对世构体系提出了两种改进方案。第一种是将梁底预应力钢绞线外露部分设置成无预应力段，其端部设置成压花锚形式。将原有U 形钢筋替换为两端带锚头的直线钢筋，并对键槽部位箍筋进行加密，如图3 所示。第二种是将梁底预应力钢筋端头设置为锚头，直接锚固在后浇节点中，其余形式不变，如图4 所示。通过对上述节点的滞回性能、强度、变形能力、刚度及耗能能力进行分析可知，上述两种节点均具有良好的抗震性能。

图3 预应力钢绞线压花锚连接

图4 预应力钢筋端锚头连接

Ketiyot[7]等为了研究装配式预制构件连接节点中插入型钢对节点抗震性能的影响，设计了六个梁柱节点试验，其中五个预制构件后浇节点，一个现浇构件节点。试验结果表明：预制构件后浇节点主要破坏形态是沿纵向搭接接头的劈裂破坏。试验中发现带有双T 型钢插入件的预制节点（如图5 所示）显示出更好的抗震性能。

图5 T 形截面型钢连接节点

1.2.2 干式连接节点

张建新等研发了一种使用耗能连接板和I 型钢连接件梁柱节点（如图6 所示），完成了五个梁柱节点的低周反复荷载试验，其中一个现浇节点、四个预制后浇节点。试验变量为节点连接形式、翼缘盖板及钢纤维混凝土使用。试验结果表明：采用耗能连接板和钢纤维混凝土的节点是典型弯曲破坏模式，表现出稳定的滞回响应，抗震性能良好。这种混合连接节点可以有效地将塑性铰移出连接区域，减少因耗能连接板和钢纤维的拉伸变形而造成的损坏和刚度退化。

图6 I 型钢节点连接

Ghayeb[8]等研发了一种新型预制构件干式连接节点（如图7 所示），为此设计了四个低周反复荷载下的梁柱节点试验，其中两个预制节点、两个现浇节点。试验结果表明：该节点表现出稳定的荷载-位移循环，并消耗了较高的能量。该节点的最大结构位移角9.0%，当位移角为4.5%时节点发生破坏。此外，根据挠度、塑性铰、裂缝开展及剪切变形，该节点有良好的抗震性能。

图7 钢板螺栓连接节点

耿芳芳等开发了一种新型带滞回阻尼器的自定心预制混凝土框架节点（如图8 所示），对三种全尺寸新型梁柱节点进行了七次不同参数的低周往复荷载试验。通过试验观察到该类节点具有足够的抗震性能。同时还使用OpenSees 软件对新型连接进行了数值模拟，模拟结果与试验结果吻合良好，如滞回性能、预应力筋力、能量消耗和自恢复特性。

图8 带滞回阻尼器的自复位的梁柱节点

郭震[9]等提出一种插接装配式混凝土梁柱节点（如图9 所示），通过低周往复试验和有限元模拟分析。结果表明：该节点耗能能力和初始刚度较低，但承载力较现浇节点高。在保证梁内型钢与周边混凝土可靠黏结的情况下，该节点能够具有良好的抗震性能。

图9 一种插接装配式混凝土梁柱节点

1.3 梁-梁节点

陈江[10]等提出了一种新型预制梁螺栓连接节点（如图10 所示），并完成两个全尺寸预制节点和一个现浇节点。结果表明：预制节点的极限承载力与现浇节点基本相同，破坏模式也相同。预制节点满足“强柱弱梁”概念。此外，在接缝区域添加橡胶垫圈，初始刚度明显降低，表现出半刚性特征。

图10 一种新型预制梁连接节点

Hu 等提出了一种基于理想塑性铰破坏机理的新型预制混凝土梁柱节点（如图11 所示）。这种连接主要包括铰链轴和多缝装置。为了研究该节点的抗震性能，首次提出了MSD 计算方法，并通过有限元分析验证了其准确性。分析结果表明：预制梁柱节点在强度、刚度、变形和耗能能力方面均优于现浇节点。同时，MSD 节点在地震破坏后可以更换，便于预制结构的快速修复。

图11 一种理想塑性铰梁柱节点

1.4 柱-柱节点

Hansapinyo[11]等提出一种预制柱钢盒连接节点，其主要通过焊接和螺栓完成上下预制柱纵筋的连接。该作者完成了五根预制柱和一根现浇柱的低周往复试验，通过对比发现采用钢箱连接的预制柱有跟现浇柱一样的延性弯曲破坏模式。由于设计的接线盒具有较高的相对刚度和承载力，预制柱的承载力随着破坏截面向上移动而提高。

Nzabonimpa 等提出一种可拆卸的高强钢板螺栓连接节点（如图12 所示），通过与试验对比，建立了一个基于混凝土损伤塑性的非线性数值模型，用于评估具有完全约束和部分约束弯矩连接的预制混凝土柱新型节点的结构性能。

图12 一种预制柱的高强钢板连接节点

Wang[12]等在钢板螺栓连接基础上设计研究了一种预制柱螺栓拼接混合连接节点（如图13 所示），完成了五根预制柱和一根现浇柱低周反复加载试验。该节点主要是通过焊接将柱纵筋和预制柱柱脚相连，柱脚与基础采用螺栓连接，并在柱底抗剪键处灌浆。试验以轴压比、节点位置、混凝土强度等为变量，研究发现采用该节点预制柱抗震性能与现浇柱相当。

图13 一种预制柱柱脚螺栓拼接节点

2 装配式剪力墙结构

装配式剪力墙结构是高层住宅建筑最常见的一种结构形式，其主要是通过水平和竖向连接技术将预制剪力墙构件连接为一个整体。预制剪力墙在水平和竖向接缝的受力性能关系到整个结构的抗震性能。连接部位的钢筋连接技术是保证结构可靠、传利明确的关键。[13]

2.1 研究现状

预制剪力墙根据结构形式可以分为实心剪力墙和双面叠合剪力墙两类。其中，预制实心剪力墙纵向钢筋连接技术主要有灌浆套筒连接、约束浆锚搭接、金属波纹管预留孔浆锚连接等。而双面叠合剪力墙竖向主要采用钢筋搭接连接。目前，国内外学者在装配式剪力墙结构抗震性能方面的研究主要集中在水平接缝处施加后张无粘结预应力[14]、考虑有缺陷的灌浆套筒的影响、带耗能板[15]或者粘弹性阻尼节点对预制剪力墙耗能性能的影响、采用不同形式的干连接等方面。

2.2 双面叠合剪力墙竖向连接

古倩[16]等为了研究在水平缝处采用竖向钢筋搭接的双面叠合预制剪力墙抗震性能，完成了四个足尺双面叠合剪力墙和一个现浇剪力墙试件的低周往复试验，分析了其破坏模式、承载力、滞回特性、延性等，比较了每个试样的耗能能力、刚度退化和剪切变形。试验结果表明：后浇混凝土中的竖向搭接钢筋能有效地传递双面叠合剪力墙水平节点处的荷载，其性能与现浇剪力墙在循环荷载作用下的性能相似。

江家飞等设计了四个带螺旋约束垂直搭接连接全尺寸双面叠合预制剪力墙的低周往复试验，以水平分布筋搭接长度和轴压比为变量，并与两种现浇混凝土剪力墙进行比较。试验结果表明，双面叠合预制剪力墙的承载能力峰值与现浇剪力墙相当，但延性相比则稍差。预制剪力墙伸出的U 型水平筋搭接长度及轴压比，均与延性成正比。

Xue 等为了研究不同边界条件预制剪力墙（如图14 所示）的抗震性能，完成了一片双面叠合剪力墙、一片单面叠合剪力墙及一片现浇剪力墙的平面内低周往复试验，同时还完成了一个双面叠合剪力墙和现浇剪力墙的平面外低周往复试验。试验结果表明：与现浇构件相比，双面叠合剪力墙表现出相似的能量耗散，但其承载能力通常略低于现浇试件。在平面内荷载试验中，双面叠合剪力墙的位移延性高于现浇试样，而单面叠合剪力墙的延性相对较低。对于平面外载荷下的试样，双面叠合剪力墙的延性与现浇试件接近。

图14 不同边界条件剪力墙构件详图

2.3 实心剪力墙约束浆锚搭接

过镇兴[17]等为了研究预制剪力墙约束箍筋对其抗震性能的影响，对三个足尺试件进行了低周往复荷载试验，包括一个参考现浇试件、一个具有局部约束的预制混凝土试件和一个具有整体约束的预制混凝土试件，如图15 所示。通过与现浇试件在强度、刚度、延性和耗能能力等方面的比较，发现局部约束和整体约束是等效的。然而，由于局部的过度约束，局部约束试件比整体约束试件表现出更早的屈服、更低的耗能能力和更好的延性。

图15 预制剪力墙纵筋浆锚搭接整体及局部约束

Gu[18]等采用拟静力试验方法研究了四个预制剪力墙试件和一个现浇剪力墙试件的抗震性能。各预制剪力墙试件竖向钢筋采用不同的搭接位置和不同的搭接长度，用以比较其与现浇试件的抗震性能。通过对滞回曲线、裂缝扩展和钢筋应变等试验结果的分析，得出各试件的破坏模式、承载力、滞回特性、延性、刚度退化和耗能能力。试验结果表明：采用浆锚搭接的带水平装配缝的预制混凝土剪力墙具有良好的抗震性能，在规定的构造细节条件下，可以等效于现浇剪力墙。

2.4 实心剪力墙干式连接

潘广斌等在预制剪力墙底部设计了一种垂直的钢板螺栓连接节点，并完成了五个不同墙高、轴压比的预制剪力墙以及一个现浇剪力墙的低周往复试验。试验结果表明：螺栓连接板可以有效地将水平剪力和弯矩传递到基础梁上，不受任何滑移的影响。预制试件表现出与现浇试件大致相同的抗震性能。当预制构件高度减小，破坏模式由压弯变为剪压，水平抗侧承载力增加，但墙体变形能力和能量耗散能力降低。当竖向轴压降低，预制剪力墙水平抗侧承载力降低，但变形能力增加。

陈蓓[19]等提出了一种预制剪力墙新型干接缝（如图16 所示），即水平接缝的栓接C 型钢板。完成了四个配置不同C 型钢板（普通、X 型加劲肋、水平槽和垂直槽）的剪力墙低周反复荷载试验，以开槽数量和间距、钢板厚度和螺栓数量作为研究参数。试验结果表明：采用水平开槽的螺栓连接钢板可以提高节点的延性和耗能能力。螺栓数量是影响剪力墙抗侧初始刚度、峰值承载力和延性的关键参数。

图16 一种C 型钢板螺栓连接节点

Han 等提出了一种预制剪力墙型钢螺栓连接节点（图17），并完成了五个1/3 比例的试件低周往复荷载试验，包括一个现浇混凝土剪力墙和四个预制剪力墙。研究了试件的破坏模式、位移比、等效黏性阻尼比、刚度退化等方面的抗震性能。结果表明，设置T 形非全长连接件的预制剪力墙开裂剪力最小，而设置H 形连接件的预制剪力墙具有更稳定的抗侧力能力，其抗震性能最佳。

图17 一种型钢螺栓连接节点

王伟[20]等设计了一种预制剪力墙底部水平接缝处采用钢板螺栓连接节点（如图18 所示），并建造了两个1/4 比例的结构模型（一个预制剪力墙模型和一个现浇混凝土剪力墙模型）。通过振动台试验比较了两种结构模型的动力特性和地震反应。试验结果表明，在地震作用下，预制剪力墙结构和现浇剪力墙结构具有相似的破坏过程、破坏形态、绝对加速度响应、层间位移响应、剪力响应和剪重比响应；同时还利用OpenSees 软件对预制剪力墙结构的地震反应进行了数值模拟。计算结果表明，该连接节点的力学性能与等效现浇连接相似。

图18 一种水平接缝钢板螺栓连接节点

3 总结与展望

本文系统地介绍了国内外学者在装配式混凝土框架梁-柱节点、梁-梁节点、柱-柱节点的连接技术及各类装配式预制剪力墙竖向连接技术。归纳总结各类连接形式的优缺点如下：

通过在预制梁柱湿节点处埋置U 形钢筋、预应力钢绞线、T 型角钢等方式改善了装配式框架结构节点区抗震性能，但也使得节点区钢筋更加密集，装配式框架结构整体性难以保证。在装配式框架节点处采用钢板螺栓干式节点可以利用钢材塑性变性能力提高节点抗震能力，但要求现场钢构件的加工及安装精度高，同时也会增加工程造价，不利于推广。框架柱和预制剪力墙竖向钢筋采用的灌浆套筒及浆锚搭接工艺相对成熟，现场施工方便。我国的装配式结构设计规范仍采用“等同现浇”方式，对该节点尚未提出具体理论计算公式。

在研究手段方面，国内外学者主要采用试验和数值模拟来研究预制构件连接节点的抗震性能。在预制构件连接节点的抗震试验大部分采用的是低周反复拟静力试验，小部分采用的是等比例缩小的整体模型振动台试验。根据试验结果判断连接节点的破坏模式，并计算其承载力、滞回耗能、刚度退化等指标，以此判断采用新型节点的预制构件，其抗震能力与现浇结构相比是否相当。在数值模拟方面，研究人员主要采用基于实体模型的通用有限元软件Abaqus 和基于宏观梁柱单元的OpenSees 软件，通过与试验数据对比，验证新型节点的“等同现浇”的设计假定。

国内外学者在装配式节点抗震性能方面的研究成果丰硕，但很少有学者将试验和模拟的研究成果转化成结构工程师能直接使用的承载力公式，难以直接进行工程应用。目前，在装配式结构理论体系方面的研究也很少，尚需后来研究人员进一步探索。在预制构件连接节点的设计方案中，主要还是以湿连接和钢板螺栓干连接为主，未来可以通过引入“干湿”混合式连接节点或其他的新型材料，为装配式混凝土结构提供技术革新。