裝配式框架結(jié)構(gòu)柱連接方式研究現(xiàn)狀與分析

張誠紫 吳思瑤 陳德強(qiáng)

(福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院 福建福州 360028)

裝配式框架結(jié)構(gòu)柱連接方式研究現(xiàn)狀與分析

張誠紫 吳思瑤 陳德強(qiáng)

(福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院 福建福州 360028)

裝配式結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用，可促進(jìn)我國建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。為預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)柱-柱連接形式在中、高層建筑中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)，文章綜合國內(nèi)外預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)柱連接方式的研究成果，重點(diǎn)闡述了預(yù)制裝配式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的柱-柱間連接的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式、研究現(xiàn)狀以及存在的問題。研究表明，目前對于全裝配式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的柱-柱間連接方式研究甚少，尤其在高層建筑領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，有待進(jìn)一步深入探討。

裝配式框架結(jié)構(gòu)；柱連接方式；研究現(xiàn)狀；展望

0 引言

從建國初期開始，我國的裝配式框架結(jié)構(gòu)體系陸續(xù)在多層建筑中應(yīng)用，裝配式框架結(jié)構(gòu)具有施工工期短，施工效率高等優(yōu)點(diǎn)，且綠色環(huán)保，遵循可持續(xù)發(fā)展的原則，是我國建筑行業(yè)發(fā)展的一個(gè)趨勢。裝配式結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展，可促進(jìn)我國盡快實(shí)現(xiàn)建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。對于裝配式結(jié)構(gòu)中各個(gè)構(gòu)件間的連接性能及其整體性問題，國內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了探索與研究。

裝配式框架結(jié)構(gòu)是梁、柱構(gòu)件在預(yù)制廠或現(xiàn)場完成預(yù)制后運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，經(jīng)吊裝、連接而形成的整體。柱是框架結(jié)構(gòu)中承受水平荷載和豎向荷載的重要構(gòu)件，為獲得更好的力學(xué)性能，柱-柱之間的連接將顯得尤為重要。本文擬就國內(nèi)外裝配式框架結(jié)構(gòu)柱-柱連接形式的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，為預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)柱-柱連接形式在中、高層建筑中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 裝配式框架結(jié)構(gòu)柱-柱連接形式

根據(jù)不同的施工方法，將裝配式框架結(jié)構(gòu)柱-柱連接形式分為干式連接和濕式連接。

干式連接是指柱-柱之間的連接主要通過預(yù)制過程中預(yù)埋的鋼板或者其他預(yù)埋件進(jìn)行連接，連接形式主要為焊接或螺栓連接，且無需進(jìn)行現(xiàn)場混凝土澆筑。

濕式連接亦可稱為類現(xiàn)澆連接模式，是指上柱與下柱在連接處伸出的鋼筋通過錨固、焊接、機(jī)械連接或搭接等后，在連接部位進(jìn)行澆筑混凝土或灌漿，將兩柱連接成整體。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)中期，濕式連接開始在美國夏威夷的裝配式結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用，新西蘭等國家在裝配式框架結(jié)構(gòu)中的柱-柱連接大部分也都采用濕式連接。濕式連接的具有良好的整體性和抗震性能，從而使得節(jié)點(diǎn)具有較高的可靠度[1]。

L.X.Zheng等人[2]進(jìn)行了10個(gè)預(yù)制鋼筋混凝土漿錨插筋連接柱的抗震性能試驗(yàn)，研究結(jié)果表明漿錨插筋連接節(jié)點(diǎn)是一種可靠的連接方式，可供實(shí)際工程參考應(yīng)用。

但由于濕式連接施工中需要大量的木材、模板、腳手架等進(jìn)行支撐，澆筑施工后需進(jìn)行養(yǎng)護(hù)而延長施工工期。為了消除這些弊端，美國、加拿大、日本等國家對裝配式柱-柱之間的干式連接進(jìn)行了研究。

美國PCI協(xié)會(huì)手冊[3]中提出了3種干式連接的方法，如圖1所示。此3種方法均無需進(jìn)行焊接，而是通過預(yù)埋鋼板由螺栓進(jìn)行固定連接。此方法從整體性能考慮不如濕連接，但基于抗彎和抗剪性能方面考慮，具有較好的能量耗散和延性性能[4-5]。

圖1 三種干式連接的形式

張仟朋[6]和羅青兒[7]對裝配式框架結(jié)構(gòu)柱-柱之間的連接形式——榫式連接進(jìn)行了改進(jìn)。將普通鋼筋混凝土榫頭改為鋼管混凝土榫頭，能夠更好地克服榫頭制作和拼接的困難，消除鋼筋連接或冷擠壓過程中產(chǎn)生的應(yīng)力變形，并將柱的連接部位設(shè)在樓面以上1.0m左右處。

共對5根鋼管混凝土榫頭連接的框架柱和1根現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架柱進(jìn)行了抗震性能試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：通過鋼管混凝土榫頭連接的柱-柱干式連接裝配式構(gòu)件，其承載力大于現(xiàn)澆的鋼筋混凝土框架柱，且其剛度退化的趨勢比較緩慢，延性性能優(yōu)于現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架柱。

綜上所述，該榫式柱接頭是可靠、方便的，值得推廣應(yīng)用的。

汪梅[8]通過對比國內(nèi)外柱-柱的連接方式，提出了一種以焊接為基本連接方式的全裝配式柱-柱干式連接的框架柱，并將柱的連接部位選在柱施工方便且彎矩較小的反彎點(diǎn)附近，如圖2所示。

對3個(gè)全裝配式干式連接框架柱進(jìn)行了抗震性能試驗(yàn)分析和有限元非線性分析，研究結(jié)果表明：平口連接柱、一齒連接柱和二齒連接柱三者均具有良好的承載能力和耗能性能，其中二齒連接柱的綜合性能較其他兩者高，建議采用二齒連接柱。預(yù)埋鋼板采用焊接連接，具有很好的延性性能，能很好地連接上下兩柱，保證柱的剛度，并能提高其承載能力。同時(shí)，全裝配式框架柱的這種干式連接方式的施工工藝比裝配整體式框架柱連接方式簡單，且施工過程中不易產(chǎn)生破壞，易于推廣。

圖2 試件模型

李青寧[9]對4個(gè)足尺的裝配式鋼板箍焊接栓筋連接的高強(qiáng)螺旋箍筋約束的框架柱進(jìn)行了抗震性能試驗(yàn)研究，構(gòu)件如圖3所示。

研究其在不同軸壓比下的破壞模式、耗能性能、剛度退化趨勢及延性性能等，結(jié)果表明：在低周往復(fù)荷載作用下，裝配式鋼板箍焊接栓筋連接框架柱的破壞模式與現(xiàn)澆框架柱的破壞模式類似，呈以彎曲破壞為主的彎剪型破壞。雖延性性能不如現(xiàn)澆的柱，但耗能能力相當(dāng)，且承載力及剛度與現(xiàn)澆柱相比略有提高。同時(shí)，在加載過程中，鋼板箍與栓筋均達(dá)到屈服強(qiáng)度，焊縫也無出現(xiàn)破損現(xiàn)象。表明通過合理設(shè)計(jì)，裝配式鋼板箍焊接栓筋連接的框架柱可在安全、經(jīng)濟(jì)的前提下，用于有抗震設(shè)防要求的裝配式框結(jié)構(gòu)。

圖3 試件模型

鄭曉龍[10]對不同剪跨比下4個(gè)新型的裝配整體式連接短柱進(jìn)行了受剪性能試驗(yàn)研究，其新型的裝配整體式連接短柱在柱-柱連接時(shí)分別采用漿錨插筋連接與螺栓鋼板箍連接方式，如圖4所示。

對裝配整體式連接處鋼板箍、漿錨插筋、螺栓及栓筋等的受力情況及各試件的破壞形態(tài)分析，結(jié)果表明：短柱試件的破壞為彎曲型破壞，而非剪切型破壞。4個(gè)裝配整體式連接方式短柱均有著較好的塑性變形能力和耗能性能。并基于修正壓力場理論提出了相應(yīng)的抗剪承載力理論計(jì)算公式。此短柱的柱-柱間連接方式整體性能好，且裝配效率較高，適合在實(shí)際工程中應(yīng)用。

圖4 試件模型

韋瑋[11]提出了幾種新型的裝配式框架柱-柱干式連接節(jié)點(diǎn)——法蘭盤型鋼連接、新型企口連接、榫式-法蘭連接，如圖5～圖7所示。

分別進(jìn)行了整體受力理論分析，并對柱-柱榫式-法蘭連接構(gòu)件的有限元分析，結(jié)果表明：有限元計(jì)算結(jié)果與理論分析結(jié)果相吻合；裝配式框架柱-柱干式連接節(jié)點(diǎn)的承載力比同等條件下的整澆構(gòu)件有一定的提高，且延性性能相當(dāng)；軸壓比、螺栓數(shù)量、柱齒高度、混凝土強(qiáng)度、鋼板厚度對裝配式框架柱-柱干式連接節(jié)點(diǎn)的承載力及變形能力有著明顯的影響；給出了柱-柱法蘭盤型鋼連接及榫式-法蘭連接的受壓、受剪、受彎承載力公式。

圖5 柱-柱法蘭盤型鋼連接

圖6 新型企口連接

蔣立峰[12]提出一種新的裝配式框架柱-柱的榫式連接方式——單齒柱芯鋼板箍連接和單齒柱芯套筒連接，該連接將柱的連接部位設(shè)在柱子的中段，并在連接部位外包一圈鋼板箍以保證上下柱縱筋能夠可靠的連接。

通過有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行新型的榫式連接裝配式框架柱的受力性能分析，結(jié)果表明：不管是采用單齒柱芯鋼板箍連接還是單齒柱芯套筒連接方式，其柱芯均起到“鍵”的作用，具有很好的抗剪效果。縱向受力鋼筋受力性能良好，鋼板箍和套筒均具有良好的延性性能，且材料強(qiáng)度還留有余量。

3 存在的主要問題

(1)柱-柱連接采用鋼板箍時(shí)，需要考慮到鋼板箍厚度對整個(gè)柱子受力性能和剛度變化的影響，同時(shí)需對鋼板箍的厚度進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。

(2)全裝配式鋼筋混凝土框架柱干式連接方式，采用螺栓連接時(shí)，不同直徑螺栓、不同螺栓間距等對框架柱受力性能的影響尚不明確，對螺栓連接方式優(yōu)化方法還需深入研究。

(3)裝配式結(jié)構(gòu)與整體式結(jié)構(gòu)相比變形較大，且不同連接方式對變形性能有顯著影響。全裝配式混凝土干式連接框架柱組成的結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計(jì)方法的研究還不夠深入，其在不同地震水準(zhǔn)下的性能目標(biāo)需進(jìn)行專門的探討研究。

(4)鋼筋混凝土裝配式結(jié)構(gòu)雖施工周期短，但其現(xiàn)場施工工藝要求高。為使柱-柱連接節(jié)點(diǎn)得到推廣，除了保證其整體的受力性能、抗震性能等外，還需保證現(xiàn)場施工中的施工工藝簡單方便，施工快捷。

4 結(jié)論

裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)能環(huán)保，可提高施工效率，縮短施工周期，降低人工成本，更易保證施工質(zhì)量，是國家在建筑行業(yè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的趨勢，而干式連接或?qū)⒊蔀楣?jié)點(diǎn)間連接的發(fā)展趨勢。國內(nèi)外學(xué)者對裝配式框架柱-柱連接方式進(jìn)行了大量研究，為工程實(shí)踐提供了理論基礎(chǔ)。為使全裝配式框架結(jié)構(gòu)能在多、高層建筑領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，仍需進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究。

(1)在多、高層的框架結(jié)構(gòu)中，柱作為主要承受豎

向荷載的豎向構(gòu)件，因此，需考慮不同軸壓比對新型預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)柱-柱連接節(jié)點(diǎn)的受力性能的影響。

(2)明確不同節(jié)點(diǎn)連接方式的受剪機(jī)理，并作進(jìn)一步優(yōu)化，建立相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算理論和方法。

(3)有必要針對不同節(jié)點(diǎn)連接方式在不同設(shè)計(jì)地震水平作用下的地震反應(yīng)進(jìn)行研究，力圖獲得更為完善的抗震設(shè)計(jì)方法，以滿足全裝配式框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防區(qū)的設(shè)計(jì)要求。

(4)對于裝配式鋼筋混凝土框架柱-柱連接與現(xiàn)澆整體式柱之間的經(jīng)濟(jì)效益需進(jìn)行探討研究。

[1] 范力.裝配式預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

[2] Zheng L X. Grouted precast concrete column connections under reversed cyclic bending and compression[J]. ACI structural journal， 1996，93(3).

[3] Prestressed concret lnstitue：PCI Design Handbook， Precast， Prestressed Concret，Second Edition，Chicago， Illinois， 1978.

[4] EdwardR.Sturm.Design and typical details of connections for precast and prestressed concrete[M].PCI Committee on Connection Details， 1988.

[5] Y.C.Loo， B.Z，Yao. Static and repeat load test on precast concrete beam to column connections[J]. Journal of Precast/Prestressed Concrete Institute，1995，40(2):106-115.

[6] 張仟朋.鋼筋混凝土裝配整體式框架柱的試驗(yàn)研究[D].南京：東南大學(xué)，2007.

[7] 羅青兒，張仟朋，程文瀼.裝配整體式鋼筋混凝土框架柱榫式接頭的試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑，2008，38 (10)：48-52.

[8] 汪梅.新型全裝配式混凝土干式連接框架柱的研究[D].南京：東南大學(xué)，2008.

[9] 李青寧，顏志勇，姜維山.裝配式鋼板箍焊接栓筋連接框架柱試驗(yàn)研究[J].四川建筑科學(xué)研究院，2013，39 (4)：24-28.

[10]鄭曉龍.新型裝配整體式連接短柱受剪性能試驗(yàn)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2013.

[11]韋瑋.全預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2014.

[12]蔣立峰.新型裝配式RC框架柱-柱連接節(jié)點(diǎn)受力性能研究[D].鄭州：河南工業(yè)大學(xué)，2015.

The Research Status and Analysis of Prefabricated Concrete Frame Column-Column Connection Mode

ZHANGChengziWUSiyaoCHENDeqiang

(Jinshan College of Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou 360028)

The promotion and application of prefabricated concrete structure can promote the transformation and upgrading of our construction industry. Comprehensive the achievements of prefabricated concrete frame column-column connection modes, which has been studied in China and abroad. Structure forms, research status and existing problems of prefabricated concrete frame column-column connection mode were expounded emphatically, will provide scientific basis for the study and application of prefabricated concrete frame column-column connection modes in the high-rise building. The research status showed that the studies on the prefabricated concrete frame column-column connection modes were less at present. It should to be further studied, especially in the high-rise building areas.

Prefabricated concrete frame; Column connection modes; Research status; Prospect

福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院交通與土建類專業(yè)群建設(shè)經(jīng)費(fèi)資助(y160401)。

張誠紫(1989.11- )，女。

E-mail:syzcz@qq.com

2017-03-22

TU3

A

1004-6135(2017)09-0036-04