一种榫卯式装配结构梁柱节点的研制及抗剪性能研究*

吴泽民 董剑玲 孟文萱 陈艳

江苏大学京江学院 江苏 镇江 212000

1 装配式建筑中柱节点的连接形式研究现状

装配式建筑因为加工的过程基本是在建筑工业化视域下进行的，所以建筑材料的利用率也得到了最大化，有效抑制了建造垃圾的产生，很大程度上提高了资源利用率[1]。预制施工也是我国绿色建筑的发展方向之一。其施工速度快、能耗低的特点能够促进装配式建筑的快速发展。对比国内外预制构件的发展情况。通过文献查阅和问卷调查，确定了制约装配式建筑发展的五个主要因素。之后，以政府和市场为主体，从需求、技术、成本等方面提出促进装配式建筑发展的对策。

施工第一次作业现场的湿作业量减少，降低了灰尘和噪声的影响，不太受到天气因素的干扰，很大程度提升了建筑行业的建设效率，减短了建设的周期，大幅度降低了建设的生产所需的成本，同时还能够履行节能减排和绿色环保的建筑理念[2]。

我国目前对建筑的需求量较大，因此为了能够改良传统建筑的建造方式和建筑质量，我国无数学者对预制结构进行了系列性研究。2004-2005年，范力等研究了梁柱节点处采用螺栓和橡胶垫连接的单层3跨混凝土框架结构的抗震性能和破坏形式[3]。2010年，韩建强等对现浇框架以及预应力组装框架进行了模拟静力试验研究[4]。2018年，胡小强在混合连接梁柱节点的基础上，提出了根据分阶段屈服装配式混合连接框架节点，并运用数值模拟方法分析了节点区域的整体受力性能[5]。装配式建筑中柱节点的连接形式是设计和施工的重点探究的对象，它的最主要结构是承受建筑物中的荷载以及传递荷载，但是柱的端部是建筑结构主要负重点和比较轻易遭到地震等自然灾害损坏的脆弱点。柱端分别有水平方向的梁柱连接点和垂直方向的柱柱连接点[6]。

由于我国装配式建筑持续推进，随之而来的装配式水泥建筑工程的大量实践过程和建造过程当中的问题就显露出来，如现装配式混凝土关于节点连接、预埋吊装等专业技术不成熟等，其中，装配式混凝土及其节点研究最为关键，预制柱之间的连接往往关系到整体结构的抗震性能和结构抗倒塌能力，是框架结构在地震荷载作用下的最后一道防线。

2 一种新型装配式梁柱节点形式的设计和制作

本研究设计了一种新型装配式梁柱节点形式，包括梁柱节点连接以及梁柱节点连接。采用干连接方式，保留了节点刚度，并解决了以往施工中的难题以及钢构件防腐防火的问题。

2.1 设计理念

新型装配式梁柱、柱柱连接节点本节点结合传统木质建筑榫卯节点的建筑设计理念，采用传统榫卯连接方式已达到吊装简单且强度与现浇节点近似的目的。

相似理论采取的方法是对日常生活中以及自然界中类似的物理实验现象和本质进行模拟研究，它相比较于其他理论最大的亮点就是模拟和仿真，采用对一些自然现象的本质观察，总结出其实际理论框架，然后进行模拟、对比，并且应用到我们实际生产生活需要的各方面领域。在当代的机械工程领域当中，相似理论被大量应用于指导工程的方方面面进程的模拟，并对其进行进一步深入探索，以此来确定所需要采用的策略并且解决问题。

相似量的表达可以分为几何相似、载荷相似、时间相似、质量相似、边界条件相似以及初始条件相似。相似原理由5个不同的性质定理、5个推论、1个判定定理组成。在实际的工程中，各个定理互相配合使用。

从形式上看，相似准则是一个单项式的等式，即若现象相似，那么现象的边界单值条件就可以采用相应的原则，来组成一组没有量纲的因式，而依据因式与因式之间的等量关系则可以构成一个无量纲的等式 ，每一个无量纲的等式都能够反映系统不同侧面的特征。这种无量纲的等式称为相似准则，这种无量纲因式的值π称为相似准数。相似准则是由理论推导而来，相似准数是通过试验数据整理得到的。从这个意义上讲，试验研究的最终方向就是求出相似准则的具体数值，即相似准数。

例如，影响榫卯结构主要因素是梁与梁之间的抗弯刚度，长度以及作用在跨中的集中力。他们的量纲分别是：

Wmax=【L】，EI1+EI2=【FL2】，c=【L】，l=【L】，P=【F】

能够描述该问题的数学函数应为：

Wmax=F´（EI1+EI2，c，l，P）

截面应力问题的主要物理量有n=5个，基本量纲为k=2。所以无量纲组合πi´（i=1，2，...）的数为3个。

π1´=Wmax/lπ2´= Pl2/（EI1+EI2）π3´= l/c

2.1.1 设计尺寸。

表1 构件的理论尺寸

2.1.2 实际尺寸。

表2 构件的实际尺寸

柱纵向受力钢筋采用4根直径4mm，箍筋采用直径2mm间距50。

装配式梁上下两侧钢筋采用2根直径4mm，箍筋采用直径2mm间距50。

钢筋型号为HPB300。混凝采用C35强度等级。

节点分为垂直方向柱柱连接部位和水平方向梁柱连接部位。

本节点采用干连接方式，节点的预制构件主要分为预制柱和预制梁，梁端设计用古代木质建筑榫牟节点中的燕尾榫模式与柱端连接，因为燕尾榫是一类榫头根部窄、端部宽，形似燕尾的榫卯连接。至于柱柱连接，主要是通过左右梁进行连接使其上下为一体，且由自身重力加以固定，如图1所示。

图1 装配式建模和浇筑样品

图2 现浇式节点建模和浇筑样品

2.2 梁柱节点BIM模型可视化

如图1所示，装配式梁柱节点模型的外形采用CAD图形制作，主要包括柱模型和梁模型的轮廓。柱、梁模型采用Revit中的柱和梁模型，钢筋主要通过放样产生：绘制钢筋截面尺寸后，输入长度绘制路径，将其传递到项目中的钢筋族中，并根据要求调整钢筋间距。本项目通过BIM建模平台，建立了一批常用的装配式建筑构件节点模型，并利用三维模型对二维节点进行可视化表示，从而提高对新型装配式梁柱节点的简单理解，有利于节点生产装配的顺利开展，提高工作效率。

3 点加载与实验结果

3.1 试件加载示意图

图3为试件的加载装置与U型反力架位置示意图，节点的上柱不施加压力，只在U型槽上端施加压力进而将压力传递之梁上。

图3 加载装置示意图

3.2 实验内容及结果

因为做的是装配式的和现浇式的，我们一共用了两次进行混凝土的浇筑。两次浇筑时，我们都需要另外浇2个尺寸为150×150×150mm的立方体试块，所有的试块和构件所用材料均相同，配比也相同，全都养护28d。混凝土试验在江苏大学京江学院结构实验室进行，万能试验机进行标准立方体抗压强度试验，装配式梁柱节点抗剪试验和现浇式梁柱节点抗剪试验。一共有4个标准试块和4个节点试块。准备实验的时候，需要使万能试验机的底板是保持干净的，试块放上去之后承压板和试块的中心要在一条轴线上。正式加载时，应缓慢地拧开送油阀，使得加载的速度尽量保持不变，到试件破坏后就停止。

试验后所得的试验数据取这两组标准立方体抗压强度的平均值当作试件的实际抗压强度，立方体构件和节点构件的破坏状态如图4所示。

图4 实验裂纹现象

最终试验结果如表3所示。

表3 实验数据

4 实验结果分析

从表3中可以得出浇筑的混凝土强度达到了预设的C35混凝土的强度。

现浇式混凝土节点的抗剪强度高于装配式混凝土节点的抗剪强度0.337MPa，整体的抗压强度实验数据中不难看出，采用榫卯结构的装配式零件的抗剪强度与整体现浇式构件的抗剪强度基本持平。

本试验由于时间和条件的限制，做的实验组数较少，还需通过大量试验来进行验证能否应用到实际生产活动中，若验证一致，可用装配式结构部分代替建筑中的现浇筑结构，提高整体房屋建筑的效率，同时节约资源。

5 结束语

本试验设计的新型装配式梁柱节点与国内外其他形式的梁柱节点相比，具有以下特点：

与干式或者湿式装配式梁柱节点相比，本新型装配式梁柱节点采用干连接方式，减少了现场浇筑等施工作业，与其他装配式梁柱节点连接相比更加简易方便。也等同了现浇混凝 土节点的刚度，还提高了安装工作效率，降低了成本。

这种新型装配式梁柱节点，可显著降低现场模板和钢筋安装的工作量，有利于降低人工成本。构件的预制和吊装，依托BIM技术和自动化生产技术，可以实现工业化生产。

本新型装配式梁柱节点的施工过程相对于其他装配式节点来说较为方便，也对预制构件质量更容易把控，吊装施工也更安全，整体作业效率也更高。其他力学性能还有待研究，具有良好的应用和推广前景。

节约了建造的成本并且缩短了建造的工期，有利于减少建筑工程的拆除和改造工作对建筑材料的不必要浪费，同时也节省了二次设计的时间和费用。

更加适应社会的发展趋势，把古人智慧和现代科技相结合，有利于中国传统工艺的发扬与传承。