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装配式混凝土框架结构连接节点抗震性能研究进展

发表时间：2021/6/15 来源：《基层建设》2021年第6期作者：汪海东

[导读] 摘要：装配式混凝土框架结构在国内外应用广泛，历史震害调查表明装配式框架结构抗震性能取决于构件的连接节点。

        广州市正构建筑科技有限公司广东广州 510062
        摘要：装配式混凝土框架结构在国内外应用广泛，历史震害调查表明装配式框架结构抗震性能取决于构件的连接节点。本文介绍了国内外关于装配式混凝土框架节点抗震性能的研究进展，梳理了装配式混凝土框架节点的常用连接类型、构造形式以及抗震试验结果；简要回顾了梁-梁节点、柱-柱节点、梁-板节点抗震性能的研究成果；重点指出了各种梁-柱节点连接形式的优缺点与改进方法；进一步探讨了装配式混凝土框架结构连接节点有待深入研究的问题。
        关键词：装配式混凝土结构；框架结构；梁-柱节点；延性；抗震性能
        引言
        装配式结构指通过可靠的连接方式在现场装配连接构件而成的结构形式。该结构形式施工周期短，有利于环境保护以及自然资源的节约，我国正在加大力度推广装配式建筑体系。装配式结构分为混凝土结构和钢结构两种结构体系，其中装配式混凝土结构通过一定的节点形式连接结构柱、梁、楼板等构件，使其满足结构抗震所需的承载力要求。从上世纪９０年代起，许多学者先后对装配式混凝土结构节点进行了系列研究。美国和日本首先针对预制混凝土结构体系展开研究并提出了合理的设计建议。装配式结构和现浇结构的地震反应差异较小，通过一定的连接方式可实现装配式结构承载力同现浇结构一样。提出一种基于螺栓连接的新型钢筋混凝土框架装配式节点，并采用试验、数值模拟的方法研究了其抗震性能。焦安亮提出一种新型装配式劲性结构体系，试验研究表明，它具有良好的延性、耗能能力，能够满足抗震设计规范的要求。范力等通过试验对比，研究了现浇、后浇和装配式３种框架梁柱节点的抗震性能。
        1梁柱节点构造
        梁端上部和下部的REDC，其两端分别焊接在预埋于梁和柱中的传力钢块上，小震时提供抗弯刚度，中震和大震作用下屈服耗能。混凝土梁和柱节点区域内的纵向钢筋塞焊到传力钢块内，其中心线与REDC-CP的轴线在同一平面内，从而保证混凝土构件内的纵向钢筋与REDC-CP之间直接且无滑移的传力机制。节点剪力由梁端销轴承担并传递给柱，剪力传递组件由预埋在柱中的剪力钢板、销轴和耳板组成。考虑到构件加工以及安装过程中的误差，预埋在柱中的剪力钢板开洞尺寸需略大于销轴直径，便于安装过程中销轴顺利穿过梁以及柱剪力钢板，随后将耳板外圈与柱剪力钢板焊接，耳板内圈与销轴焊接，从而实现梁柱之间剪力的可靠传递。梁柱连接处设计使REDC首先屈服，从而降低其相邻混凝土梁柱构件以及连接处的剪力传递组件的内力需求，保护梁柱连接处的混凝土构件和剪力传递组件免受损伤。节点连接处梁端部表面与柱表面留有充足的间隙，避免梁柱表面混凝土接触参与传力，影响REDC变形能力的发挥。梁端弯矩使截面一侧受到拉力另一侧受到压力，这样梁端受压侧只有REDC承受压力，与现浇混凝土梁柱连接中混凝土的直接受压不同，这导致梁柱连接处转动刚度降低，梁柱连接具有半刚性特性。文献[16]中开展了关于REDC-PCF体系基于性能的抗震设计方法研究，所提出的设计流程中考虑了梁柱连接刚度的变化对结构的侧向刚度影响。
        2装配式混凝土框架结构连接节点抗震性能研究进展
        2.1灌浆套筒连接
        套筒灌浆是装配式混凝土结构钢筋连接的主要方式，也是我国装配式建筑规范推荐的钢筋连接技术。灌浆套筒连接分为全灌浆套筒连接和半灌浆套筒连接，全套筒灌浆接头采用上下两端注浆法连接加固，应用较为广泛。针对灌浆套筒式梁柱节点进行拟静力试验研究，节点采用分体浇筑，在柱侧的梁柱对接处预留灌浆槽，将钢筋插入预制好的钢套管内，并浇筑微膨胀灌浆料，待灌浆料凝结硬化将两根钢筋连接到一起。

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节点破坏发生在套筒与钢筋连接处的焊口，套筒内灌浆料并未发生破坏或滑移，表明套筒灌浆连接可靠，反复荷载试验结果表明该节点与现浇节点的抗震性能基本一致。
        2.2刚度退化
        试件正反向初始刚度存在差异性，这主要是由于施加轴力后，梁端产生少量竖向变形，然后采用力控制施加低周往复荷载，致使正向加载位移少量偏大，刚度偏小，随着加载的进行，由于轴力施加产生的少量竖向变形可以忽略，因此正向刚度初始阶段出现上升。反向加载到力控制工况时，位移少量偏小致使刚度偏大，出现正反向刚度的差异性。采用方钢管连接的装配式混凝土节点PJ3的刚度退化曲线位于最上面，比采用工字钢连接的节点PJ1或对拉螺栓连接的节点PJ2具有较为缓慢的刚度退化性能，同时变形能力增加，尤其在加载后期，节点PJ3的刚度退化曲线最为缓慢，这说明方钢管的连接形式能够使节点维持较大的刚度，在改善节点的刚度退化方面效果最为显著。与采用对拉螺栓的装配式混凝土节点PJ2相比，采用工字钢连接的节点PJ1的刚度退化曲线较高，在延缓刚度退化方面性能较优。
        2.3螺栓连接
        螺栓连接是通过螺栓紧固的方式实现预制构件之间的连接，接头安装便捷，可大幅缩短工期。开展了5个预制混凝土梁柱节点的反复加载试验研究，包括现浇节点、柱后浇整体节点、梁后浇整体节点、带牛腿的焊接节点和螺栓连接节点，试验表明除带牛腿的焊接节点的变形性能较差，其余预制混凝土节点都表现出良好的抗震性能，螺栓连接节点在强度、延性、耗能和方便施工等方面表现更好。
        2.4梁端转动能力和核心区剪切变形
        对比3个装配式梁柱中节点弯矩－转角滞回曲线可以看出，预制柱中采用对拉螺栓连接的试件PJ2的最大转角大于预制柱中采用工字钢连接的试件PJ1，而极限弯矩小于前者，说明相对于工字钢连接，对拉螺栓连接试件转动能力稍强，但极限抗弯能力降低。相对于PJ1和PJ2试件，采用方钢管连接的装配式框架节点PJ3试件的极限弯矩和转角均最高，表明PJ3试件的转动能力最优。
        结语
        （１）本文提出一种新型装配式混凝土框架结构节点，采用ＡＢＡＱＵＳ有限元模拟软件对节点进行了初步推覆分析。分析其荷载－位移曲线、节点核心区钢构件Ｍｉｓｅｓ应力分布和混凝土构件Ｍｉｓｅｓ应力分布可知：节点转动达到弹塑性位移角时仍具有良好的刚度和承载能力；在加载过程中，穿柱螺栓最先承受荷载，其强度是影响该节点承载能力的重要因素。（２）对新型装配式节点进行优化，以增大穿柱螺栓屈服强度。优化结果表明：优化节点荷载－位移曲线承载力明显高于优化前节点，且节点刚度随位移的增大基本保持不变。结合优化节点核心区钢构件Ｍｉｓｅｓ应力分布图分析可知，优化节点一直处于弹性阶段，承载能力强，刚度大。研究认为，穿柱螺栓强度是影响该节点承载能力的关键因素。（３）对于新型装配式节点来说，工字钢梁端刚度较大，节点转动过程中穿柱螺栓最先承受荷载而发生拉伸，应力不断增大。随着位移角增大，由于节点转动，其左下角、右上角连接板将逐步与混凝土柱界面脱离，由螺栓拉力产生弯矩，靠近两端螺栓区域的连接板应力逐渐增大，在节点转动达到１／５０位移角时，连接板局部出现屈服现象。
        参考文献
        [1]顾泰昌.国内外装配式建筑发展现状[J].工程建设标准化，2014（8）：48-51.
        [2]社团法人预制建筑协会[日].预制建筑技术集成：第一册：预制建筑总论[M].朱邦范，译.北京：中国建筑工业出版社，2012.
        [3]装配式混凝土结构技术规程JGJ1-2014[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.