装配式混凝土结构节点抗震性能研究综述--中国期刊网

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装配式混凝土结构节点抗震性能研究综述

发表时间：2020/10/10 来源：《基层建设》2020年第17期作者：张铁柱

[导读] 摘要：近年来，随着社会的进步与发展，现浇方式已经不能完全适应社会的发展需要，建筑行业迎来了新的发展机遇，逐渐向技术化、节能化以及无污染方向发展。

        中建科技（北京）有限公司北京 100071
        摘要：近年来，随着社会的进步与发展，现浇方式已经不能完全适应社会的发展需要，建筑行业迎来了新的发展机遇，逐渐向技术化、节能化以及无污染方向发展。装配式建筑凭借减少施工污染、节约能源、提升劳动生产率等优点，装配式建筑得到大力发展。装配式混凝土框架结构的节点区域是其薄弱部位，节点的连接技术将直接影响整体结构的稳定性和抗震性，决定着装配式建筑的进展程度，因此，研究装配式混凝土结构节点的抗震性能成为装配式框架结构的重中之重。
        关键词：装配式混凝土；结构节点；抗震性能研究综述
        引言
        装配式建筑是指结构构件在工厂提前预制，然后运输到施工现场，并运用吊装技术和连接技术将各预制构件在现场装配而成的建筑。从所用的材料来说，装配式混凝土结构、钢结构和木结构都可以称为装配式建筑。17世纪向美洲移民时期所用的木构架拼装房屋就是一种装配式建筑。1851年伦敦建成的用铁骨架嵌玻璃的水晶宫是世界上第。二战期间，大量民用建筑遭到严重破坏，无法继续使用，因此居住问题成为二战后迫切需要解决的问题。装配式建筑具有施工速度快、现场作业量少、有利于建筑工业化和环境效益好等优点，这促进了装配式建筑的发展。因此，此时住宅产业化在美国、日本和加拿大等国家迅速兴起。到20世纪末，在这些国家，装配式建筑作为住宅产业化的建筑生产方式，已经广泛用于各建筑领域，发挥着不可替代的作用。2016年2月，国务院发布《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》，指出要发展新型建造方式，大力推广装配式建筑，力争用10年左右时间，使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%。2016年9月30日国务院印发了《关于大力发展装配式建筑的指导意见》，进一步明确装配式建筑的重点推进地区、积极推进地区和鼓励推进地区，提出因地制宜发展装配式混凝土结构、钢结构和现代木结构建筑。众所周知，尽管装配式建筑具有特有的天然优势，但其缺点是连接可靠性和结构整体性问题。如何保障预制构件之间连接的性能和结构整体的性能已成为国内外学者和工程技术人员研究和探索的关键问题和热点问题。本文将重点阐述我国在装配式混凝土结构（以下简称“装配结构”）的连接节点及其力学性能方面的研究成果，即首先对装配结构的连接节点进行分类，并对各种类型节点的力学性能分别进行分析，然后提出未来可能进行深化研究的方向。
        1装配式混凝土节点连接方式概述
        从装配式混凝土梁柱中节点连接结构体系看，具有自重轻、跨径长、施工便利等优势，从抗震性能方面研究看，可在震后的恢复中使用高箍筋约束力的方式，增强梁柱中节点的抗震性能，并可削弱梁端结构构造，形成塑性铰，促进地震传播过程中能量的分散，在地震后受损构件修复中可选用替换性结构。传统节点结构在使用性能、抵抗力等方面仍存在一定应用局限，由于节点剪切破坏、承压破坏等，不仅降低施工效率，加大施工难度，同时节点刚度的使用需求难以满足，给工程实践带来诸多难题。基于此，应用新型节点构造，如通过焊接的形式将钢板桶与加筋腹板相连，增加对混凝土的约束力，新型构件节点结构可通过预制厂的预制生产实现。
        1.1套筒灌浆连接
        套筒灌浆连接技术是指带肋钢筋插入内腔为凹凸表面的灌浆套筒，通过灌浆孔向套筒内灌注专用高强灌浆料，灌浆料填充内部间隙，灌浆料凝固后将钢筋与套筒连接结合为一有机整体。
        1.2浆锚搭接连接
        浆锚连接技术是指将预留构件后插入钢筋部分增设的预留孔道，钢筋插入孔道后，并注入灌浆料达到钢筋搭接连接，搭接钢筋外圈的混凝土可用螺旋钢筋加强，混凝士受到约束，从而使得钢筋搭接可靠。
        1.3预应力连接
        预应力连接技术是指在预制构件在预制阶段时预留孔洞，现场施工时将张拉后的预应力筋穿过孔道，预应力筋将各个预制构件在节点处牢牢的连接在一起，并在拼缝处采用灌浆料填实，从而形成整体。
        1.4螺栓连接
        螺栓连接技术是指在预制构件中预先埋设螺栓，构件运送至施工现场后，通过螺栓将构件锚固连接成一整体，通过摩擦使构件满足承载能力的要求标准。
        1.5焊接连接
        焊接连接技术是指在施工现场通过加热、加压等作用，实现部件连接成建造时需要的结构方式。焊接连接方式对施工人员的焊接技术具有较高的要求，不然连接节点的质量难以得到保证。
        2装配式湿式连接框架节点
        装配式湿式连接节点又叫整浇装配式连接节点，是指将养护完成后的梁、柱构件接头通过钢筋、型钢等连接在一起后浇筑混凝土，将其连接为一个整体，国内现有的装配式建筑大多采用此做法。为增强湿式连接节点的抗震性能，国内外学者进行了大量的研究，主要涉及的内容有：钢筋连接、钢绞线连接、后浇混凝土性能等方面，这些研究为进一步探索湿式连接方式奠定了基础。
        2.1钢筋套筒灌浆连接技术
        预制构件的节点连接部位较小，与传统的钢筋连接方式相比，钢筋套筒灌浆连接技术具有操作简捷、施工方便的优点。目前使用较多的套筒灌浆技术是预先在工厂里通过机械连接完成一端的钢筋连接，而后在施工现场通过灌浆完成另一端的连接。为提高此方式的抗震效果，梁柱抗弯强度比、轴压比、柱的装配高度等对套管连接节点抗震效果的影响，发现其抗震性能与现浇类似，且梁柱抗弯强度比对装配式框架节点的破坏模式有重要影响，当其大于1时，提高轴压比有助于改善节点的能耗及剪切强度。套筒灌浆连接装配式框架边节点与现浇节点的抗震性能相似，且其在实际工程中应用时可参照现浇混凝土框架结构设计原则进行设计。
        2.2后浇混凝土的性能
        后浇混凝土的性能对提高节点的抗震性能及减少核心区箍筋用量有重要作用，并进行了用钢钎维高强混凝土浇筑预制构件节点与现浇混凝土节点的足尺对比试验，认为前者不仅可以降低核心区箍筋的配箍率，且可以提升承载与耗能能力，并满足强节点的要求。分析了5个先在核心区放型钢，后浇筑ECC材料的预制梁柱节点试件，认为采用此种方式连接的节点变形能力强，并且在地震作用下的工作能力也优于现浇梁柱节点。也发现用ECC材料进行节点连接可以提高试件的延性及耗能能力，且现浇区长度的增大能使这两种性能得到有效提高。

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        2.3湿式连接的其它方式
        用钢绞线代替预制梁底部的纵筋，并在核心区设附加钢筋及在预制梁端部设置无黏结段，来探究该连接方式的抗震性能。结果发现此方式符合规范中柱强于梁，节点强于构件的要求，同时附加的钢筋有利于提高节点的承载能力与耗能性能。
        3装配式混凝土结构节点抗震性能研究
        3.1隔震
        本工程主要采用了吊式隔震方案，该方案十分适合高层、超高层建筑，是结构上部与抗震结合的手段，借助建筑结构本体质量以及阻尼形成的减震装置。吊式隔震技术实现了建筑上部结构与地基之间的隔离，可以分为上部结构和下部结构，在上下部结构之间设置足够安全的隔震系统，形成隔震层，借助“隔震”、“吸震”作用，如果发生了地震，可以减缓地震力、吸收地震源能量，减少结构受到地震作用。支撑点将建筑悬挂在巨型钢混结构中，减少地震危害。该方案可以最大程度上减少建筑所承受的地震作用力。通过BIM仿真模拟对比发现，地震时上部结构作近似平动，设置隔震层的结构地震反应力系数是不设隔震层的建筑结构的1/4-1/8，减震作用十分明显，真正的让地震和上部结构“隔离”。简单来说，该设计方案可以让建筑结构受到8级地震时，实际所受到的震动仅相当于5.5级地震，而5.5级地震几乎无法损坏满足抗震要求的建筑，实现了减轻地震对上部结构造成损坏的目标，还可以有效保护建筑装修及室内设备。
        3.2配件施工
        梁截面宽度要大于200mm，截面高宽比低于4，净跨和截面高度比大于4。梁配筋确保梁端纵向受拉钢筋配筋率在2.5%以内，计入受压钢筋梁端混凝土受压高度、有效高度比不超过0.35。梁端截面地面、顶面纵向钢筋配筋量比值高于0.3。梁端箍筋加密区长度、最大间距、最小直径要满足装配式建筑施工标准，梁端纵向收拉钢筋配筋率在2%以上时，箍筋直径要增加2mm。抗震墙厚度大于160mm，不低于层高1/20，底部加强部位抗震墙厚度不低于200mm，不小于层高的1/16，1～3层为加强层，暗柱箍筋间距为150mm，双排钢筋间的美化拉筋距离为400mm。4～29层暗柱箍筋间距为200mm，拉筋为600mm。横纵钢筋配筋率不低于0.25%，采用双排布置方案，拉筋间距为600mm，直径为6mm以上。此外，在顶层连梁纵向钢筋锚固范围内要增设箍筋。如果发生了地震，为了能够降低地震对建筑结构的破坏，要尽可能避免次生灾害发生，所以在给排水、供暖、空调、电力系统、热力系统等工程设备设置抗震支架，包括锚固件、抗震连接构件、加固吊杆、连接管、斜撑、型钢等。
        3.3装配式框架节点抗震性能数值模拟
        目前，国内外研究装配式框架节点的抗震性能多以试验方式进行，但试验在试验条件、经费等的制约下不方便大规模展开，同时基于装配式框架节点自身特点的数值模拟还相对欠缺，而计算机技术和现代数值方法的进一步发展也为其提供了条件。当前节点数值模拟方法主要有两种，一种是基于梁柱杆系单元的分析方法，使用OpenSEES梁柱节点宏观模型对装配式节点进行二维分析，研究了减隔震节点的抗震性能。此方式的特点是对构件细部进行简化，建模过程简单，效率较高，但难以反映结构局部与微观响应。另一种是基于三维实体单元分析方法，用ANSYS软件对通过焊接或高强螺栓连接的装配式节点进行三维非线性分析，发现其与现浇节点的滞回曲线拟合效果总体上吻合较好，但由于未考虑钢筋、型钢与混凝土的黏结滑移，致使恢复力曲线的捏缩效果较差。利用ANSYS软件对无黏结钢绞线连接的节点进行了非线性分析，发现在加载初期，模型分析与试验的结果差别较大。用ABAQUS软件对配置了耗能棒的预应力装配式节点进行了三维实体分析，与试验结果吻合较好。此方式分析方法精确，但建立过程繁琐，需花费大量时间且收敛困难。两类方法在实用性与准确度方面有所差异，在效率与精度上难以统一。因此，需结合装配式框架节点自身特点，进一步发展高效精准的模拟方法。
        3.4边界条件与荷载
        在模型建立过程中，柱脚设置为铰接，约束３个方向的平动自由度，即Ｕ１＝Ｕ２＝Ｕ３＝０；梁端实行可动铰支座约束，约束Ｘ向、Ｙ向自由度，即Ｕ１＝Ｕ２＝０；为模拟楼板对混凝土梁的平面外约束作用，在混凝土梁两侧施加平面外位移约束。在施加荷载时，第一分析步为螺栓施加预拉力，４．６级Ｍ１６预埋锚栓施加３０ｋＮ拉力，１０．９级Ｍ１６高强螺栓施加１００ｋＮ拉力；第二分析步将螺栓荷载固定于当前长度；第三分析步在柱顶施加竖向荷载，按轴压比０．２控制；第四分析步采用位移控制加载，并采用ＡＢＡＱＵＳ／Ｅｘｐｌｉｃｉｔ求解器进行动力隐式分析。对节点模型进行单推分析时，极限层间位移角取１／５０。在施加荷载过程中，节点中的连接板与混凝土会发生相互接触，基于ＡＢＡＱＵＳ软件的接触模块可定义法线方向和切线方向的接触类型。连接板与混凝土柱接触面的法线方向设置为“硬”接触，该接触属性可以传递接触面间的压力和变形。
        结语
        目前，我国装配式混凝土结构的抗震性能的提高主要方法是通过改变节点的连接方式或改善连接点处的性能。目前，我国装配式混凝土框架结构节点的形式众多，虽然装配式混凝土框架结构节点可以做到等同现浇，但真正做到“强节点，弱构件”抗震要求的较少。目前，装配式混凝土结构抗震性能较好的连接节点都需要在施工进行浇筑混凝土，不符合工业化发展方向。我国对于装配式混凝土框架结构节点连接部位的设计理论研究基础较为薄弱，缺乏相关配套的设计及标准规范。1）尽管现浇带或后浇整体式连接具有连接稳定和施工方便等优点，但连接时钢筋为100%同截面搭接，这导致连接节点处钢筋的应力状态复杂化，关于装配结构中100%同截面搭接处钢筋应力和应变的真实状态尚未开展研究，因此这方面的研究具有实际意义和较大空间。2）对于环筋扣合锚接连接节点，应优化连接参数（包括环筋扣合处插筋的直径及环形钢筋扣合形式；环形钢筋扣合最优高度），深入研究环筋扣合连接剪力墙的剪跨比对其力学性能的影响，高轴压比（大于0.2）下的抗震性能，并推导抗侧承载力折减系数计算公式。3）为了提高螺栓连接的工作性能，拉压区螺栓传递剪力不同的原因以及常用高强螺栓预拉力取值等均需深入研究。
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