混凝土装配式结构连接节点研究概述

混凝土装配式结构连接节点研究概述

陈鸿岳 ,王海南 ,李昊,牛宝骏 ,赵玉亮通讯作者

青岛理工大学 山东 青岛266500

摘要：随着基础建设步伐加快，现浇混凝土结构在人工成本、环境污染、工期、质量控制等难以满足当前建筑业发展的实际需要，装配式结构的出现有效地解决了上述问题，且可以实现各构件的快速更换和重复利用。装配式混凝土构件之间的连接是装配式混凝土结构的关键和薄弱部分，直接影响装配式结构的安全性。基于此，本篇文章对混凝土装配式结构连接节点现状分析及研究进展展开论述，以供参考。

关键词：装配式结构；连接节点；现状概述

引言

装配式结构具有绿色环保、施工效率高、质量控制好、造价低等优点。这种模式的建筑结构体系是实现可持续绿色建筑发展的选择，对建筑业改革发展具有里程碑的意义。装配式混凝土构件之间的连接通常被视为装配式混凝土结构的关键和薄弱部分，直接影响装配式构件的力学特性。国内外学者针对混凝土梁柱连接提出了形式多样节点连接形式并开展了相关研究，先后提出了套筒灌浆连接、浆锚搭接连接、牛腿连接、焊接连接、齿槽式连接、螺栓连接等形式。

1湿式连接节点

湿式连接装配式结构的侧向刚度、强度以及耗能方式均能达到传统钢筋混凝土结构的水平，因此其抗震指标和结构评价指标可与传统结构一致，使其成为装配式混凝土结构研究和使用的主流。一般装配式框架结构中的钢筋要么直接拼接，要么在接头处以90度弯钩或U形锚固。钢筋直接拼接是使用灌浆套筒、螺纹套筒和灌浆钢耦合器实现钢筋的连续性[[1]]。套筒连接是预制结构中常用的连接方式，施工方便，且具有良好的传递钢筋应力的能力，甚至比整体现浇的构件有更高的延性和耗能。为了增加钢筋粘结强度并方便运输，一般在接头区将钢筋设置90度弯钩或者附加U型直插钢筋[[2]]。这种钢筋设置方式可使连接构件具有优良的刚度、强度、延性和耗能能力。同时设计预应力筋可限制预制构件裂缝的发展，提高抗震性能。为了进一步增加节点承载力和变形能力，可在连接区和构件端引入延性材料—工程水泥基复合材料（ECC）。当将ECC应用于装配式结构受拉或剪切临界区域，ECC的使用可有效的改善节点的变形能力从而提高结构的抗震性能[[3]]，但目前还缺乏对工程应用的研究。

装配式钢筋混凝土框架结构在梁柱十字节点区通常配筋复杂，这给预制构件的安装、钢筋的放置和混凝土的浇筑带来了很大的困难，现场施工质量难以保证，导致结构的承载力和刚度退化。且施工时间较长，增加施工成本。

2干式连接节点

为了避免湿式连接带来的施工质量难以保证的问题，科研人员采用强度高的钢基连接件进行干式连接。干式连接是通过使用钢板和角钢完成节点连接，系统具有更高的拆卸和更换受损结构件的能力。能够大大缩短现场安装时间，也更易于循环使用和维护，因此干式连接，如焊接连接、螺栓连接、销钉钢筋连接、拉杆和角夹板连接等已被广泛研究。

2.1弹性螺栓连接节点

螺栓与钢板连接被认为是弹性连接，可用于地震区，其连接性能可与整体结构相媲美。Vidjeapriya等人[[4]]研究表明，采用J型螺栓可进一步增加节点连接的耗能能力，提高结构延性。为了增加结构的整体抗震性能可采用钢-混凝土混合连接模式，在循环荷载下测试该连接具有良好的抗震性能，且具有与传统钢筋混凝土梁相当的延性。郭小农等[[5]]提出了一种新型的预制混凝土梁端埋入槽钢的机械连接方式。通过适当的容量设计可以提供可靠的连接。同时，采用钢绞线和低碳钢筋，使节点具有自定心能力和耗能能力。Joo-Lee和Kang[[6]]提出了一种使用预拉伸螺栓的纯干式梁柱连接，试验结果表明，所提出的梁柱节点的变形能力和延性优于整体混凝土节点。此外，在节点处采用钢纤维混凝土来替代普通混凝土能有效降低节点处裂缝宽度，可与钢结构连接协同工作，从而大大提高节点强度、变形、延性、刚度、耗能能力和抗剪承载力。因此，钢和混凝土梁之间的连接已被证明是有效的连接预制混凝土构件。

2.2 槽式螺栓连接

为提高柱侧连接节点的抗剪性能，齿槽式、键槽式[[7]]连接方式出现，该类型连接方式能有效将梁端剪力传递给框架柱，拥有与现浇节点等同的受力性能，且有效避免梁端剪切破坏发生。但齿槽、键槽连接件的加工水平和材性严重影响节点的可靠性，对构件加工精度要求高，现场施工复杂，存在节点变形过大等问题。将钢结构中常用的端板螺栓节点引入混凝土结构中，采用高强螺栓将端板与混凝土柱上的钢板连接在一起，实现预应力混凝土梁与高强钢筋约束混凝土柱端板螺栓连接，在低周反复水平荷载作用下，该新型端板螺栓连接节点可实现“强柱弱梁”的设计目标。同时高强度连接端板的适用，可使梁、柱钢筋的连接方式更加灵活，施工更加便捷，仿真和试验分析表明，该种节点能具有良好的延性和耗能能力。

2.3 可变刚度螺栓连接

根据节点的塑性变形能力，螺栓钢板连接可分为半刚性连接或铰接连接，这主要取决于螺栓直径和端板厚度。此外，螺栓的失效与端板厚度有一定的关系，端板厚度控制着弯曲效应的大小。Muresan和Balc

[[8]]指出，端板可能在受拉翼板周围发生大变形。Bai等人[[9]]对螺栓端板连接的传统设计方法进行了修正，提出了螺栓和端板弯矩的实用设计公式。对具有加劲肋的夹角钢预制梁柱节点进行了循环荷载作用下的试验研究，结果表明，与现浇节点相比，预制节点具有良好的耗能和延性。同时可采用低碳钢进行混凝土梁柱节点的连接，从而提高节点的变形和耗能能力，实现强柱弱梁的设计原则。连接端板、纵向钢筋、钢法兰的尺度模数变化对节点区混凝土、钢筋和钢板翼缘的应变变化影响较大。

3 外置连接节点

由于节点通常承受较大的剪切力，受力比较复杂，导致结构的承载力和刚度退化。当梁柱十字节点区发生破坏时，钢筋混凝土框架结构将不可避免地发生倒塌，因此我们更倾向于钢筋混凝土框架破坏的位置应位于梁柱十字连接区域之外，从而保证梁柱十字节点的“结构延性”和“结构刚度”，以确保弯曲屈服发生在远离梁柱十字节点处区域，实现“强节点、弱构件”的抗震目标。在过去的地震中，梁柱连接节点的失效是由于连接件性能不佳和预制构件强度不足所致。因此，研究集中于开发不同类型的预制梁柱连接件，以实现结构预制接头在地震荷载下的具有更好性能[[10]]。但是混凝土的破坏始于混凝土压碎，而梁柱节点强度取决于混凝土塑性铰的高度，循环荷载作用下，塑性铰高度将减小，造成承载力降低，为了保证节点承载力，需要额外增加节点钢筋和现浇混凝土，这使得梁柱接头处的装配施工比较困难。而获得框架十字节点不产生塑性变形的最佳方法是人为的设定的塑性铰位置并保证其在地震动作用下达到屈服，即通过合理设计重新定位梁塑性铰区，使其远离框架柱柱面，从而将结构的延性变形和能量耗散通过在每层梁上均匀分布非线性变形来实现，实现节点加强，提高梁柱节点的抗震性能。

4梁-梁连接节点

由于柱侧节点连接处弯剪受力复杂，不利于装配式框架节点抗震，梁跨内连接形式出现。该种连接是在柱侧外伸一段连接梁，通过梁-梁方式进行连接。研究人员通过在接缝处插入附加直钢筋和弯头钢筋，减少梁受弯钢筋的力的传递，实现塑性铰人为设定，这种方法也降低了接缝处的剪应力。此种框架梁-梁连接理论的出现，为预制装配式结构在高层建筑中应用给出了一种新的备选方案。近二十年来，研究学者对梁-梁连接混凝土节点进行了一些研究[[11]]，对框架梁内企口连接形式的预制混凝土结构进行试验研究，结果表明该种连接受力性能较好，梁的刚度和变形对整体结构的影响接近现浇整体式框架梁。薛伟辰[[12]]在框架梁跨中设置叠合后浇式连接节点并进行拟静力试验，结果表明该种节点延性及耗能能力均优于柱侧节点。Ousalem[[13]]对跨中设置螺栓连接装配式框架梁柱结构进行拟静力试验，结果表明框架梁在反复荷载作用下保持良好的延性和承载力，其刚度和变形满足抗震要求。通过干式半刚性高强螺栓连接节点也可实现预制梁-梁连接，在保证框架抗震能力的前提下实现塑性破坏始自梁端而远离十字节点区域。为了增加节点的耗能能力，采用低碳钢耗能节点的方式人为设置梁端塑性铰的形成，从而大大提高节点抗震能力。因为可以在不干扰节点核心区复杂钢筋的情况下实现钢筋的连续性。梁-梁混凝土连接在预制装配式结构中抗震性能较好。

结束语

综上所述，装配式混凝土框架结构的工程推广，离不开安全可靠、施工简单、造价低廉的连接形式的开发，并形成一套目的明确，行之有效的设计理论和方法。湿式连接现场施工质量难以保证，干式连接性能稳定，施工方便，且外置式节点和梁-梁连接节点在构件受力上更加合理。

参考文献

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[[4]] Vidjeapriya R, Jaya KP. Behaviour of precast beam-column mechanical connections under cyclic loading. Asian J Civ Eng 2012;13(2):233–45.

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[[6]] Kang T H K, Joo Lee D, Special Precast Beam-Column Connection Using Pure Dry Cast Method. The 2013 World Congress on Advances in Structure Engi-neering and Mechanics, ASEM13, 2013.

[[7]] 夏晋, 甘润立, 方言, et al. 装配式结构套筒灌浆连接混凝土结合界面直剪性能试验研究[J]. 浙江大学学报:工学版, 2019(9):1-9.

[[8]] Muresan, I.C. and Balc, R., Finite element analysis of an extended end-plate con-nection using the T-stub approach. In AIP Conference Proceedings (Vol. 1648, No. 1,p. 850091). AIP Publishing; 2015

[[9]] Bai R, Chan SL, Hao JP. Improved design of extended end-plate connection allowing for prying effects. J Constr Steel Res 2015;113:13–27.

[[10]] Bahrami S, Madhkhan M, Shirmohammadi F, Nazemi N. Behavior of two newmoment resisting precast beam to column connections subjected to lateral loading. Eng Struct 2017;132:808–21.

[[11]] Hawileh R . Non-Dimensional Design Procedures for Precast, Prestressed Concrete Hybrid Frames[J]. Pci Journal Prestressed Concrete Institute Journal, 2006, 51(6):págs. 110-131.

[[12]] 薛伟辰, 杨新磊, 王蕴, et al. 现浇柱叠合梁框架节点抗震性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2008(06):12-20.

[[13]] Ousalem H , Ishikawa Y , Kimura H , et al. Seismic Performance and Flexural Stiffness Variation of Assembled Precast High-Strength Concrete Beam Jointed at MidSpan Using Transverse Bolts[J]. Journal of Advanced Concrete Technology, 2009, 7(2):205-216.

陈鸿岳，男，青岛理工大学（学生），

王海南，男，青岛理工大学（学生），

李 昊，男，青岛理工大学（学生），

牛宝骏，男，青岛理工大学（学生），

赵玉亮，男，青岛理工大学（教师），通讯作者