PC 裝配式結(jié)構(gòu)連接節(jié)點抗震性能研究進(jìn)展

曹曉羅

（沙洲職業(yè)工學(xué)院，江蘇 張家港 215600）

引言

為了改變當(dāng)下傳統(tǒng)建筑業(yè)效率低下、環(huán)境污染、勞動力短缺等問題，住建部明確了未來建筑業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展方向即“綠色、工業(yè)化、信息化”。建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化是建筑工業(yè)化的目標(biāo)，建筑工業(yè)化是實現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的手段和基礎(chǔ)，而裝配式建筑是實現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的一種建筑生產(chǎn)方式[1]。20 世紀(jì)50 年代我國從蘇聯(lián)引進(jìn)大板結(jié)構(gòu)，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)在國內(nèi)存在連接可靠性差、抗震性能差、建筑體型單一、保溫隔熱性能差等諸多缺點。近些年，在國內(nèi)外大量科研工作者的攻關(guān)下，裝配式建筑技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成熟。中國建筑企業(yè)通過引進(jìn)或者研發(fā)形成了多種PC 裝配式結(jié)構(gòu)體系，例如：黑龍江宇輝體系、世構(gòu)體系、臺灣潤泰體系、NPC 技術(shù)體系等。

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是由預(yù)制混凝土構(gòu)件通過可靠的連接方式裝配而成的混凝土結(jié)構(gòu)[2]，目前主要應(yīng)用于高層住宅項目，其主要結(jié)構(gòu)形式有：裝配整體式框架結(jié)構(gòu)、裝配整體式剪力墻結(jié)構(gòu)、裝配整體式框剪結(jié)構(gòu)。為了保證裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的整體性，預(yù)制構(gòu)件的連接技術(shù)至關(guān)重要。國內(nèi)外眾多學(xué)者在裝配式預(yù)制構(gòu)件的連接技術(shù)方面研究成果眾多、連接形式紛繁復(fù)雜。本文選取目前應(yīng)用范圍最為廣泛的裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)和剪力墻結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)性介紹其連接形式、研究方法及抗震性能，梳理國內(nèi)外在裝配式結(jié)構(gòu)連接技術(shù)方面的研究成果，為今后裝配式混凝土結(jié)構(gòu)連接技術(shù)研究提供參考。

1 裝配式框架結(jié)構(gòu)

1.1 研究現(xiàn)狀

裝配式框架結(jié)構(gòu)根據(jù)其施工方法不同可以分為全裝配式框架結(jié)構(gòu)和裝配整體式框架結(jié)構(gòu)。全裝配式框架結(jié)構(gòu)是在連接區(qū)通過焊接、螺栓連接、預(yù)應(yīng)力筋連接預(yù)制構(gòu)件，由于其在施工過程沒有混凝土濕作業(yè)，稱為“干式連接”。裝配整體式框架結(jié)構(gòu)是通過在連接處澆筑混凝土將相鄰構(gòu)件及錨固鋼筋連接成一個整體，稱為“濕式連接”。目前，裝配式框架結(jié)構(gòu)連接技術(shù)的研究主要集中在梁-柱節(jié)點、柱-柱節(jié)點、梁-梁節(jié)點，其研究方法主要有試驗研究和數(shù)值模擬兩種。預(yù)制構(gòu)件連接節(jié)點抗震性能的研究一般采用低周往復(fù)荷載試驗，研究其滯回性能、骨架曲線、位移延性、耗能能力、剛度退化及破壞形態(tài)。在數(shù)值模擬方面，根據(jù)其建模思路的不同，可以分為基于梁柱桿系單元和基于三維實體單元的分析方法。

1.2 梁-柱節(jié)點

1.2.1 濕式連接節(jié)點

為了避免裝配式節(jié)點區(qū)域鋼筋碰撞問題，Lee[3]等完成了六個梁柱節(jié)點的低周反復(fù)荷載試驗，其中三個中節(jié)點、三個邊節(jié)點，如圖1 所示。通過試驗對比梁下部縱筋在節(jié)點處分別采用彎錨、錨頭連接對節(jié)點的滯回性能、強度退化、剛度退化及能量耗散的影響。試驗結(jié)果表明：該連接方式與現(xiàn)澆混凝土節(jié)點抗震性能相當(dāng)。

圖1 預(yù)制梁底鋼筋采用彎錨連接

為了研究裝配式后澆節(jié)點的抗震性能，Yan[4]等設(shè)計以軸壓比為控制變量的梁柱節(jié)點在低周反復(fù)荷載下的試驗。其中，預(yù)制梁柱節(jié)點和現(xiàn)澆梁柱節(jié)點各兩個，預(yù)制節(jié)點中梁柱縱筋均采用雙灌漿套筒連接，如圖2 所示。試驗結(jié)果表明：預(yù)制節(jié)點和現(xiàn)澆節(jié)點耗能能力相近，但具有不同的破壞模式。在設(shè)防烈度較高地區(qū)，裝配式框架結(jié)構(gòu)節(jié)點中梁中灌漿套管應(yīng)遠(yuǎn)離塑性鉸區(qū)。

圖2 梁柱雙灌漿套筒連接節(jié)點構(gòu)造

郭正興[5]、管東芝[6]等對世構(gòu)體系提出了兩種改進(jìn)方案。第一種是將梁底預(yù)應(yīng)力鋼絞線外露部分設(shè)置成無預(yù)應(yīng)力段，其端部設(shè)置成壓花錨形式。將原有U 形鋼筋替換為兩端帶錨頭的直線鋼筋，并對鍵槽部位箍筋進(jìn)行加密，如圖3 所示。第二種是將梁底預(yù)應(yīng)力鋼筋端頭設(shè)置為錨頭，直接錨固在后澆節(jié)點中，其余形式不變，如圖4 所示。通過對上述節(jié)點的滯回性能、強度、變形能力、剛度及耗能能力進(jìn)行分析可知，上述兩種節(jié)點均具有良好的抗震性能。

圖3 預(yù)應(yīng)力鋼絞線壓花錨連接

圖4 預(yù)應(yīng)力鋼筋端錨頭連接

Ketiyot[7]等為了研究裝配式預(yù)制構(gòu)件連接節(jié)點中插入型鋼對節(jié)點抗震性能的影響，設(shè)計了六個梁柱節(jié)點試驗，其中五個預(yù)制構(gòu)件后澆節(jié)點，一個現(xiàn)澆構(gòu)件節(jié)點。試驗結(jié)果表明：預(yù)制構(gòu)件后澆節(jié)點主要破壞形態(tài)是沿縱向搭接接頭的劈裂破壞。試驗中發(fā)現(xiàn)帶有雙T 型鋼插入件的預(yù)制節(jié)點（如圖5 所示）顯示出更好的抗震性能。

圖5 T 形截面型鋼連接節(jié)點

1.2.2 干式連接節(jié)點

張建新等研發(fā)了一種使用耗能連接板和I 型鋼連接件梁柱節(jié)點（如圖6 所示），完成了五個梁柱節(jié)點的低周反復(fù)荷載試驗，其中一個現(xiàn)澆節(jié)點、四個預(yù)制后澆節(jié)點。試驗變量為節(jié)點連接形式、翼緣蓋板及鋼纖維混凝土使用。試驗結(jié)果表明：采用耗能連接板和鋼纖維混凝土的節(jié)點是典型彎曲破壞模式，表現(xiàn)出穩(wěn)定的滯回響應(yīng)，抗震性能良好。這種混合連接節(jié)點可以有效地將塑性鉸移出連接區(qū)域，減少因耗能連接板和鋼纖維的拉伸變形而造成的損壞和剛度退化。

圖6 I 型鋼節(jié)點連接

Ghayeb[8]等研發(fā)了一種新型預(yù)制構(gòu)件干式連接節(jié)點（如圖7 所示），為此設(shè)計了四個低周反復(fù)荷載下的梁柱節(jié)點試驗，其中兩個預(yù)制節(jié)點、兩個現(xiàn)澆節(jié)點。試驗結(jié)果表明：該節(jié)點表現(xiàn)出穩(wěn)定的荷載-位移循環(huán)，并消耗了較高的能量。該節(jié)點的最大結(jié)構(gòu)位移角9.0%，當(dāng)位移角為4.5%時節(jié)點發(fā)生破壞。此外，根據(jù)撓度、塑性鉸、裂縫開展及剪切變形，該節(jié)點有良好的抗震性能。

圖7 鋼板螺栓連接節(jié)點

耿芳芳等開發(fā)了一種新型帶滯回阻尼器的自定心預(yù)制混凝土框架節(jié)點（如圖8 所示），對三種全尺寸新型梁柱節(jié)點進(jìn)行了七次不同參數(shù)的低周往復(fù)荷載試驗。通過試驗觀察到該類節(jié)點具有足夠的抗震性能。同時還使用OpenSees 軟件對新型連接進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好，如滯回性能、預(yù)應(yīng)力筋力、能量消耗和自恢復(fù)特性。

圖8 帶滯回阻尼器的自復(fù)位的梁柱節(jié)點

郭震[9]等提出一種插接裝配式混凝土梁柱節(jié)點（如圖9 所示），通過低周往復(fù)試驗和有限元模擬分析。結(jié)果表明：該節(jié)點耗能能力和初始剛度較低，但承載力較現(xiàn)澆節(jié)點高。在保證梁內(nèi)型鋼與周邊混凝土可靠黏結(jié)的情況下，該節(jié)點能夠具有良好的抗震性能。

圖9 一種插接裝配式混凝土梁柱節(jié)點

1.3 梁-梁節(jié)點

陳江[10]等提出了一種新型預(yù)制梁螺栓連接節(jié)點（如圖10 所示），并完成兩個全尺寸預(yù)制節(jié)點和一個現(xiàn)澆節(jié)點。結(jié)果表明：預(yù)制節(jié)點的極限承載力與現(xiàn)澆節(jié)點基本相同，破壞模式也相同。預(yù)制節(jié)點滿足“強柱弱梁”概念。此外，在接縫區(qū)域添加橡膠墊圈，初始剛度明顯降低，表現(xiàn)出半剛性特征。

圖10 一種新型預(yù)制梁連接節(jié)點

Hu 等提出了一種基于理想塑性鉸破壞機理的新型預(yù)制混凝土梁柱節(jié)點（如圖11 所示）。這種連接主要包括鉸鏈軸和多縫裝置。為了研究該節(jié)點的抗震性能，首次提出了MSD 計算方法，并通過有限元分析驗證了其準(zhǔn)確性。分析結(jié)果表明：預(yù)制梁柱節(jié)點在強度、剛度、變形和耗能能力方面均優(yōu)于現(xiàn)澆節(jié)點。同時，MSD 節(jié)點在地震破壞后可以更換，便于預(yù)制結(jié)構(gòu)的快速修復(fù)。

圖11 一種理想塑性鉸梁柱節(jié)點

1.4 柱-柱節(jié)點

Hansapinyo[11]等提出一種預(yù)制柱鋼盒連接節(jié)點，其主要通過焊接和螺栓完成上下預(yù)制柱縱筋的連接。該作者完成了五根預(yù)制柱和一根現(xiàn)澆柱的低周往復(fù)試驗，通過對比發(fā)現(xiàn)采用鋼箱連接的預(yù)制柱有跟現(xiàn)澆柱一樣的延性彎曲破壞模式。由于設(shè)計的接線盒具有較高的相對剛度和承載力，預(yù)制柱的承載力隨著破壞截面向上移動而提高。

Nzabonimpa 等提出一種可拆卸的高強鋼板螺栓連接節(jié)點（如圖12 所示），通過與試驗對比，建立了一個基于混凝土損傷塑性的非線性數(shù)值模型，用于評估具有完全約束和部分約束彎矩連接的預(yù)制混凝土柱新型節(jié)點的結(jié)構(gòu)性能。

圖12 一種預(yù)制柱的高強鋼板連接節(jié)點

Wang[12]等在鋼板螺栓連接基礎(chǔ)上設(shè)計研究了一種預(yù)制柱螺栓拼接混合連接節(jié)點（如圖13 所示），完成了五根預(yù)制柱和一根現(xiàn)澆柱低周反復(fù)加載試驗。該節(jié)點主要是通過焊接將柱縱筋和預(yù)制柱柱腳相連，柱腳與基礎(chǔ)采用螺栓連接，并在柱底抗剪鍵處灌漿。試驗以軸壓比、節(jié)點位置、混凝土強度等為變量，研究發(fā)現(xiàn)采用該節(jié)點預(yù)制柱抗震性能與現(xiàn)澆柱相當(dāng)。

圖13 一種預(yù)制柱柱腳螺栓拼接節(jié)點

2 裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)

裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)是高層住宅建筑最常見的一種結(jié)構(gòu)形式，其主要是通過水平和豎向連接技術(shù)將預(yù)制剪力墻構(gòu)件連接為一個整體。預(yù)制剪力墻在水平和豎向接縫的受力性能關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)的抗震性能。連接部位的鋼筋連接技術(shù)是保證結(jié)構(gòu)可靠、傳利明確的關(guān)鍵。[13]

2.1 研究現(xiàn)狀

預(yù)制剪力墻根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可以分為實心剪力墻和雙面疊合剪力墻兩類。其中，預(yù)制實心剪力墻縱向鋼筋連接技術(shù)主要有灌漿套筒連接、約束漿錨搭接、金屬波紋管預(yù)留孔漿錨連接等。而雙面疊合剪力墻豎向主要采用鋼筋搭接連接。目前，國內(nèi)外學(xué)者在裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能方面的研究主要集中在水平接縫處施加后張無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力[14]、考慮有缺陷的灌漿套筒的影響、帶耗能板[15]或者粘彈性阻尼節(jié)點對預(yù)制剪力墻耗能性能的影響、采用不同形式的干連接等方面。

2.2 雙面疊合剪力墻豎向連接

古倩[16]等為了研究在水平縫處采用豎向鋼筋搭接的雙面疊合預(yù)制剪力墻抗震性能，完成了四個足尺雙面疊合剪力墻和一個現(xiàn)澆剪力墻試件的低周往復(fù)試驗，分析了其破壞模式、承載力、滯回特性、延性等，比較了每個試樣的耗能能力、剛度退化和剪切變形。試驗結(jié)果表明：后澆混凝土中的豎向搭接鋼筋能有效地傳遞雙面疊合剪力墻水平節(jié)點處的荷載，其性能與現(xiàn)澆剪力墻在循環(huán)荷載作用下的性能相似。

江家飛等設(shè)計了四個帶螺旋約束垂直搭接連接全尺寸雙面疊合預(yù)制剪力墻的低周往復(fù)試驗，以水平分布筋搭接長度和軸壓比為變量，并與兩種現(xiàn)澆混凝土剪力墻進(jìn)行比較。試驗結(jié)果表明，雙面疊合預(yù)制剪力墻的承載能力峰值與現(xiàn)澆剪力墻相當(dāng)，但延性相比則稍差。預(yù)制剪力墻伸出的U 型水平筋搭接長度及軸壓比，均與延性成正比。

Xue 等為了研究不同邊界條件預(yù)制剪力墻（如圖14 所示）的抗震性能，完成了一片雙面疊合剪力墻、一片單面疊合剪力墻及一片現(xiàn)澆剪力墻的平面內(nèi)低周往復(fù)試驗，同時還完成了一個雙面疊合剪力墻和現(xiàn)澆剪力墻的平面外低周往復(fù)試驗。試驗結(jié)果表明：與現(xiàn)澆構(gòu)件相比，雙面疊合剪力墻表現(xiàn)出相似的能量耗散，但其承載能力通常略低于現(xiàn)澆試件。在平面內(nèi)荷載試驗中，雙面疊合剪力墻的位移延性高于現(xiàn)澆試樣，而單面疊合剪力墻的延性相對較低。對于平面外載荷下的試樣，雙面疊合剪力墻的延性與現(xiàn)澆試件接近。

圖14 不同邊界條件剪力墻構(gòu)件詳圖

2.3 實心剪力墻約束漿錨搭接

過鎮(zhèn)興[17]等為了研究預(yù)制剪力墻約束箍筋對其抗震性能的影響，對三個足尺試件進(jìn)行了低周往復(fù)荷載試驗，包括一個參考現(xiàn)澆試件、一個具有局部約束的預(yù)制混凝土試件和一個具有整體約束的預(yù)制混凝土試件，如圖15 所示。通過與現(xiàn)澆試件在強度、剛度、延性和耗能能力等方面的比較，發(fā)現(xiàn)局部約束和整體約束是等效的。然而，由于局部的過度約束，局部約束試件比整體約束試件表現(xiàn)出更早的屈服、更低的耗能能力和更好的延性。

圖15 預(yù)制剪力墻縱筋漿錨搭接整體及局部約束

Gu[18]等采用擬靜力試驗方法研究了四個預(yù)制剪力墻試件和一個現(xiàn)澆剪力墻試件的抗震性能。各預(yù)制剪力墻試件豎向鋼筋采用不同的搭接位置和不同的搭接長度，用以比較其與現(xiàn)澆試件的抗震性能。通過對滯回曲線、裂縫擴展和鋼筋應(yīng)變等試驗結(jié)果的分析，得出各試件的破壞模式、承載力、滯回特性、延性、剛度退化和耗能能力。試驗結(jié)果表明：采用漿錨搭接的帶水平裝配縫的預(yù)制混凝土剪力墻具有良好的抗震性能，在規(guī)定的構(gòu)造細(xì)節(jié)條件下，可以等效于現(xiàn)澆剪力墻。

2.4 實心剪力墻干式連接

潘廣斌等在預(yù)制剪力墻底部設(shè)計了一種垂直的鋼板螺栓連接節(jié)點，并完成了五個不同墻高、軸壓比的預(yù)制剪力墻以及一個現(xiàn)澆剪力墻的低周往復(fù)試驗。試驗結(jié)果表明：螺栓連接板可以有效地將水平剪力和彎矩傳遞到基礎(chǔ)梁上，不受任何滑移的影響。預(yù)制試件表現(xiàn)出與現(xiàn)澆試件大致相同的抗震性能。當(dāng)預(yù)制構(gòu)件高度減小，破壞模式由壓彎變?yōu)榧魤?，水平抗?cè)承載力增加，但墻體變形能力和能量耗散能力降低。當(dāng)豎向軸壓降低，預(yù)制剪力墻水平抗側(cè)承載力降低，但變形能力增加。

陳蓓[19]等提出了一種預(yù)制剪力墻新型干接縫（如圖16 所示），即水平接縫的栓接C 型鋼板。完成了四個配置不同C 型鋼板（普通、X 型加勁肋、水平槽和垂直槽）的剪力墻低周反復(fù)荷載試驗，以開槽數(shù)量和間距、鋼板厚度和螺栓數(shù)量作為研究參數(shù)。試驗結(jié)果表明：采用水平開槽的螺栓連接鋼板可以提高節(jié)點的延性和耗能能力。螺栓數(shù)量是影響剪力墻抗側(cè)初始剛度、峰值承載力和延性的關(guān)鍵參數(shù)。

圖16 一種C 型鋼板螺栓連接節(jié)點

Han 等提出了一種預(yù)制剪力墻型鋼螺栓連接節(jié)點（圖17），并完成了五個1/3 比例的試件低周往復(fù)荷載試驗，包括一個現(xiàn)澆混凝土剪力墻和四個預(yù)制剪力墻。研究了試件的破壞模式、位移比、等效黏性阻尼比、剛度退化等方面的抗震性能。結(jié)果表明，設(shè)置T 形非全長連接件的預(yù)制剪力墻開裂剪力最小，而設(shè)置H 形連接件的預(yù)制剪力墻具有更穩(wěn)定的抗側(cè)力能力，其抗震性能最佳。

圖17 一種型鋼螺栓連接節(jié)點

王偉[20]等設(shè)計了一種預(yù)制剪力墻底部水平接縫處采用鋼板螺栓連接節(jié)點（如圖18 所示），并建造了兩個1/4 比例的結(jié)構(gòu)模型（一個預(yù)制剪力墻模型和一個現(xiàn)澆混凝土剪力墻模型）。通過振動臺試驗比較了兩種結(jié)構(gòu)模型的動力特性和地震反應(yīng)。試驗結(jié)果表明，在地震作用下，預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)和現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)具有相似的破壞過程、破壞形態(tài)、絕對加速度響應(yīng)、層間位移響應(yīng)、剪力響應(yīng)和剪重比響應(yīng)；同時還利用OpenSees 軟件對預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。計算結(jié)果表明，該連接節(jié)點的力學(xué)性能與等效現(xiàn)澆連接相似。

圖18 一種水平接縫鋼板螺栓連接節(jié)點

3 總結(jié)與展望

本文系統(tǒng)地介紹了國內(nèi)外學(xué)者在裝配式混凝土框架梁-柱節(jié)點、梁-梁節(jié)點、柱-柱節(jié)點的連接技術(shù)及各類裝配式預(yù)制剪力墻豎向連接技術(shù)。歸納總結(jié)各類連接形式的優(yōu)缺點如下：

通過在預(yù)制梁柱濕節(jié)點處埋置U 形鋼筋、預(yù)應(yīng)力鋼絞線、T 型角鋼等方式改善了裝配式框架結(jié)構(gòu)節(jié)點區(qū)抗震性能，但也使得節(jié)點區(qū)鋼筋更加密集，裝配式框架結(jié)構(gòu)整體性難以保證。在裝配式框架節(jié)點處采用鋼板螺栓干式節(jié)點可以利用鋼材塑性變性能力提高節(jié)點抗震能力，但要求現(xiàn)場鋼構(gòu)件的加工及安裝精度高，同時也會增加工程造價，不利于推廣。框架柱和預(yù)制剪力墻豎向鋼筋采用的灌漿套筒及漿錨搭接工藝相對成熟，現(xiàn)場施工方便。我國的裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范仍采用“等同現(xiàn)澆”方式，對該節(jié)點尚未提出具體理論計算公式。

在研究手段方面，國內(nèi)外學(xué)者主要采用試驗和數(shù)值模擬來研究預(yù)制構(gòu)件連接節(jié)點的抗震性能。在預(yù)制構(gòu)件連接節(jié)點的抗震試驗大部分采用的是低周反復(fù)擬靜力試驗，小部分采用的是等比例縮小的整體模型振動臺試驗。根據(jù)試驗結(jié)果判斷連接節(jié)點的破壞模式，并計算其承載力、滯回耗能、剛度退化等指標(biāo)，以此判斷采用新型節(jié)點的預(yù)制構(gòu)件，其抗震能力與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比是否相當(dāng)。在數(shù)值模擬方面，研究人員主要采用基于實體模型的通用有限元軟件Abaqus 和基于宏觀梁柱單元的OpenSees 軟件，通過與試驗數(shù)據(jù)對比，驗證新型節(jié)點的“等同現(xiàn)澆”的設(shè)計假定。

國內(nèi)外學(xué)者在裝配式節(jié)點抗震性能方面的研究成果豐碩，但很少有學(xué)者將試驗和模擬的研究成果轉(zhuǎn)化成結(jié)構(gòu)工程師能直接使用的承載力公式，難以直接進(jìn)行工程應(yīng)用。目前，在裝配式結(jié)構(gòu)理論體系方面的研究也很少，尚需后來研究人員進(jìn)一步探索。在預(yù)制構(gòu)件連接節(jié)點的設(shè)計方案中，主要還是以濕連接和鋼板螺栓干連接為主，未來可以通過引入“干濕”混合式連接節(jié)點或其他的新型材料，為裝配式混凝土結(jié)構(gòu)提供技術(shù)革新。