新型裝配式框架干式連接節(jié)點(diǎn)連接方式

張力濱 張洪澤

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

1 概述

傳統(tǒng)建筑的連接節(jié)點(diǎn)延性較差，一旦發(fā)生自然災(zāi)害，無(wú)法耗散能量，難以承受較大的承載力等，造價(jià)也極高[1]。受到地震，洪災(zāi)等自然因素的影響，傳統(tǒng)的建筑技術(shù)已經(jīng)漸漸的不能滿足社會(huì)生活的日常需求。與國(guó)產(chǎn)混凝土節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能研究相比，國(guó)外有更先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法。國(guó)外技術(shù)是通過(guò)組裝預(yù)制構(gòu)件來(lái)構(gòu)造鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)[2]。由于中國(guó)這方面起步較晚，技術(shù)缺乏，實(shí)驗(yàn)研究和理論研究都存在一定的差距。本項(xiàng)目的目的是研究新型框架干接縫的力學(xué)性能以及新型預(yù)制混凝土框架節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)與承載力分析之間的關(guān)系[3]，設(shè)計(jì)方案旨在改進(jìn)裝配式框架節(jié)點(diǎn)干式牛腿梁柱的理論體系和設(shè)計(jì)方法。

因?yàn)槭┕し椒ǖ牟煌?，可將混凝土結(jié)構(gòu)分為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)澆式混凝土結(jié)構(gòu)因抗震性好、性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在建筑施工中使用頻率高，但是存在混凝土材料笨重、制作工序繁雜、施工周期較長(zhǎng)的問(wèn)題[4]。預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)可以解決現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)施工中的問(wèn)題[5]。預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)件施工方法可分為兩個(gè)階段，即預(yù)制構(gòu)件階段和施工現(xiàn)場(chǎng)安裝階段[6]。20世紀(jì)60年代的時(shí)候,在工業(yè)發(fā)展較好的國(guó)家中，由于建筑物的造價(jià)比工業(yè)產(chǎn)品造價(jià)的增長(zhǎng)速度要快許多，而傳統(tǒng)的施工中一般使用的都是勞動(dòng)力手段，需要花費(fèi)大量的勞動(dòng)力和時(shí)間，成為建筑成本高的主要因素之一[7]。隨著科技的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的建筑施工方法和技術(shù)造就的高造價(jià)建筑物無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)階段工程建筑的發(fā)展，只能瀕臨淘汰。為了解決建筑行業(yè)的發(fā)展問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外許多的學(xué)者、科研人員等花費(fèi)了大量的人力物力，在研究裝配式混凝土結(jié)構(gòu)。許多研究表明，混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一個(gè)很好的建筑系統(tǒng)，具有傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)無(wú)法比擬的許多優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)階段在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)投入使用，并且許多發(fā)展中國(guó)家也在開(kāi)始使用預(yù)制混凝土技術(shù)，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)為當(dāng)下建筑行業(yè)的發(fā)展提供了方向[8]。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展在我國(guó)起步較早，我國(guó)在1950年初步對(duì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解，1970年開(kāi)始真正意義上的研究[9]。盡管如此，中國(guó)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的研究和一些發(fā)達(dá)國(guó)家存在一定的差距[10]。裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)具有環(huán)保、施工效率高等優(yōu)勢(shì)[11]。但這一結(jié)構(gòu)也存在無(wú)法應(yīng)用于多地震地區(qū)建筑的缺陷，即節(jié)點(diǎn)連接處可靠性能較弱。而正是因?yàn)檫@些問(wèn)題的存在，我國(guó)許多的研究人員正在針對(duì)裝配式結(jié)構(gòu)框架的連接方式進(jìn)行改造，多角度對(duì)裝配式框架干式連接點(diǎn)的受力性能進(jìn)行分析，從而找到合適的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于建筑工程中。

2 裝配式框架的干式連接形式

2.1 牛腿連接

鋼筋混凝土明牛腿連接具有承載力較大，節(jié)點(diǎn)剛性較好，受力可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此在眾多的裝配式鋼筋混凝土多層廠房中使用頗多。但明牛腿并非在建筑施工上普遍應(yīng)用，明牛腿會(huì)影響建筑的美觀以及空間的使用，因此只能應(yīng)用在較為普通的建筑上，如圖1所示。裝配施工中，根據(jù)構(gòu)造細(xì)節(jié)的不同，明牛腿的作法可以是鉸接連接，也可以是剛接方式。鋼筋混凝土暗牛腿相較于明牛腿而言，能夠使用在較美觀的建筑上，能夠?yàn)榻ㄖ倪B接處創(chuàng)造較好的外形構(gòu)造等條件，但無(wú)法使用在靜力和動(dòng)力性能的建筑設(shè)計(jì)上，所以其使用也是有限制的。如圖2所示，梁的中間被劃分，使得梁的一部分受到剪切。為避免其輪廓突出，需要十分的注重梁端和牛腿的配筋。型鋼暗牛腿主要用于一半梁高無(wú)法承受全部梁高的剪力中，型鋼暗牛腿能夠減小暗牛腿的高度，增加缺口梁梁端的抗剪性能。如圖3所示，在日常建筑中,利用混凝土包裹型鋼再進(jìn)行暗牛腿的連接，實(shí)質(zhì)上與現(xiàn)澆的普通的配筋牛腿相似，可以直接伸到梁端的內(nèi)部，也可以不用混凝土包裹，但是這種做法一般需要在施工人員檢查仔細(xì)后方可灌縫，從而保證連接處側(cè)面沒(méi)有明顯的接縫。

如圖4所示為加拿大建筑中使用的型鋼暗牛腿鉸接連接方法，圖5為常見(jiàn)型鋼暗牛腿剛接連接方式，所示型鋼暗牛腿能夠彌補(bǔ)建筑中使用明牛腿而造成的建筑不美觀的缺點(diǎn)，同時(shí)型鋼暗牛腿的承載力較強(qiáng)，但型鋼暗牛腿也存在造價(jià)高的缺點(diǎn)。

2.2 鋼懸掛連接

鋼吊架式連接制作簡(jiǎn)單，在北美洲國(guó)家使用較為廣泛。其中鋼軌型或者是工字型鋼的牛腿使用少。為了防止梁出現(xiàn)扭曲的情況，可以利用偏心荷載來(lái)阻止。如圖6所示，采用了外伸插銷(xiāo)方式來(lái)避免梁出現(xiàn)扭曲，外伸插銷(xiāo)置于鋼吊架的下方。鋼吊架式連接能夠做出柱子與梁的剛性連接，但是這一方法的構(gòu)造復(fù)雜，對(duì)施工的質(zhì)量要求，安裝精度很高，而且這種連接方式的承載力不足，故不適合承受高強(qiáng)度的荷載。

2.3 焊接連接

如圖7所示的焊接接頭缺點(diǎn)是容易發(fā)生脆性損傷。該方法沒(méi)有明顯的塑性鉸設(shè)置，抗震性能較差。在反復(fù)的地震荷載作用力下則會(huì)被損壞。但采用焊接連接的方法無(wú)需后期進(jìn)行養(yǎng)護(hù)措施，也不用在施工時(shí)現(xiàn)澆混凝土。因此相較而言，焊接連接的方法能夠在一定程度上縮短施工的時(shí)間。施工所使用的良好的塑性鉸的焊接接頭是目前干式連接的未來(lái)研究方向。一般在建筑施工的時(shí)候，應(yīng)該充分安排好相應(yīng)構(gòu)件的焊接工序以減小產(chǎn)生的應(yīng)力。

2.4 螺栓連接

如圖8所示，螺栓連接的牛腿和預(yù)制梁(鉸接連接)為比利時(shí)的連接方式，采用組合式的連接，但圖8a)是開(kāi)放式支架連接，而圖8b)為暗支架連接。比利時(shí)的連接方法可以抵抗較小的梁端彎矩和扭轉(zhuǎn)。

如圖9所示為螺栓連接方式，圖9a)為企口連接，圖9b)為螺栓連接的梁，此處可以傳遞剪力和彎矩，但是材料的屬性將會(huì)決定承載力大小，當(dāng)荷載較大時(shí)，螺栓連接較易開(kāi)裂。因此這種連接方式不能長(zhǎng)期適用，而是主要用于臨時(shí)性或者修補(bǔ)等用途。

2.5 其他連接方法

除了上述四種干式連接方式外，還有其他的連接方式，如圖10所示的連接方法，此時(shí)梁支撐于柱子上面的缺口，梁總承受豎向荷載力降低幅度不會(huì)太大，但是這樣的梁柱連接方法存在對(duì)柱子的整體動(dòng)力性能產(chǎn)生影響的弊端，柱子的缺口處抵抗剪力的能力會(huì)下降，同樣所能夠承受的抗彎矩也不能太大，這種梁柱連接方法大多為鉸接連接，在預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較少。如圖11所示，在實(shí)際施工中，柱頂與梁的連接并不完美。

3 結(jié)論與展望

本文采用理論，對(duì)新型裝配式干式連接節(jié)點(diǎn)核心區(qū)承載力進(jìn)行分析，主要研究了以下內(nèi)容，并得出結(jié)論:

1)對(duì)鋼筋混凝土暗牛腿進(jìn)行受力分析，根據(jù)規(guī)范通過(guò)建立拉壓桿模型方法，確定拉壓桿和節(jié)點(diǎn)區(qū)的有效混凝土強(qiáng)度公式，建立平衡方程推導(dǎo)得到最大配筋率值，利用摩擦抗剪理論對(duì)鋼筋混凝土暗牛腿抗剪承載力進(jìn)行驗(yàn)算，確定拉壓桿和節(jié)點(diǎn)區(qū)有效混凝土強(qiáng)度公式;

2)對(duì)型鋼暗牛腿進(jìn)行受力分析，對(duì)型鋼暗牛腿承載力進(jìn)行計(jì)算，先后分別研究了國(guó)內(nèi)外和PCI規(guī)范中提到的三種柱中混凝土局部承壓驗(yàn)算，并進(jìn)行假定：埋入混凝土內(nèi)的型鋼應(yīng)力連續(xù)變化，且不計(jì)翼緣對(duì)暗牛腿應(yīng)力是否產(chǎn)生影響，推導(dǎo)出新的柱中混凝土局部承壓驗(yàn)算公式;

3)進(jìn)一步分析嵌入構(gòu)件在動(dòng)載荷作用下的受力；根據(jù)連接構(gòu)件以及形成的塑性鉸不同，探究更多的干式連接方法；繼續(xù)深入探究連接構(gòu)造的變形情況和剛度問(wèn)題。