装配式建筑框架节点研究综述

 装配式建筑框架节点研究综述

丁殿林

武汉天华华中建筑设计有限公司   

摘要：由于装配式建筑具有提高生产效率、节约能源、节约劳动力、降低成本、减少污染等优点，近年来在国内得到大力推广与应用。与传统现浇混凝土结构施工工艺不同，装配式混凝土结构体系是通过“工厂预制+现场装配”的形式，预制构件之间通过节点进行连接。节点连接的安全性、可靠性与结构整体性息息相关。合理的节点连接形式对于保证连接结构的内力顺利传递，承载达到设计要求和使用要求具有决定性作用。鉴于此，本研究归纳分析装配式混凝土结构节点连接方式，梳理节点连接技术发展现状，以期为工程实践中节点连接方式的选择提供借鉴和参考。

关键词：装配式建筑；框架；节点

引言

装配式混凝土结构由预制混凝土构件拼装而成，其预制构件和门窗等在工厂就可以进行加工，然后进行现场吊装，因此可以实现工业化生产，减少物料损耗和施工时的劳动时间，节约施工成本和减少对周围环境的影响。框架节点是指框架梁柱重叠区域，是结构受力的主要部位，梁柱节点承受柱和梁传递来的各种力，受力十分复杂，而装配式结构构件在此拼接，因此常常会受到施工和连接方式的影响成为薄弱环节。我国是地震灾害较为严重的国家之一，别说大地震，就是中等强度的地震发生所造成的损失都可能非常大，钢筋混凝土框架结构又是我国工业和民用建筑比较常见的结构形式，因此必须加强框架节点构造形式的设计与研究，确保装配式建筑结构的安全可靠。

1 装配式建筑框架节点形式

根据浇混凝土的施工方法，装配式建筑框架节点可分为两大类：干式连接和湿式连接。干式连接是在构件从工厂运到施工场地后，通过螺栓连接或者焊接连接进行组装，无需浇筑；而与之相反的湿式连接，则是将运输来的构件通过浇筑节点来实现连接。钢结构建筑作为天然的装配式建筑，有着自重轻、延展性好等得天独厚的优点，在国内外逐渐得到广泛应用，其框架节点形式大致分为三类：刚性连接、半刚性连接和铰接，连接方式则主要有三种：全焊、栓焊混合和全螺栓。随着经济的发展，单纯的装配式混凝土结构和钢结构由于自身缺点的限制逐渐不能满足社会需求，于是部分包覆钢-混凝土组合结构(PEC)得到了青睐。PEC结构不仅有着预制率高、装配率高的优点，同时相对于纯钢结构，也有着更大的刚度、更高的承载力和更好的防火性能。

2 装配式建筑的特点

装配式建筑将建筑构成模块化，所设计的建筑构件具有标准化的尺寸、规格、原材料用量以及加工预制工艺等，以便于构件生产厂家根据建筑构件设计标准开展大规模工业化构件生产加工，保证构件装配的模块化集成。在建筑构件设计标准化的基础上，生产厂商对照设计规范、设计要求、构件三维仿真模型等标注的规格、尺寸、用材等进行统一、批量生产，确保加工预制生产出的构件在流程化生产作业下高度一致，且具有较高的精度，有效规避传统建筑工程现场浇筑时人为操作等主观因素对建筑工程质量的负面影响。建筑构件加工预制后经由运输车辆运输到施工现场后科学存贮，并对照装配式建筑施工组织计划，利用吊装等安装方式对构件进行组装装配、测量与纠偏，并对部分关键节点填缝灌浆，完成建筑构件装配工作。装配式建筑施工过程的装配化与机械化水平较高，有效管控施工进度与施工质量，减少施工过程对现场及周边的环境污染与噪声污染。

3 装配式建筑框架节点

3.1 装配式干连接框架节点

干连接表示预制构件装配过程中不需要现浇混凝土，通过预埋螺栓、牛腿、角钢、焊接等实现耗能集中于连接区的梁柱连接方式，其可实现震后修复替换。（1）牛腿连接。牛腿作为干式连接之一，其可跟预制柱一起工厂预制，方便吊梁装配施工。由于牛腿的承载力很高，能可靠传递竖向力，采用牛腿设计的装配式节点在干式连接中相当普遍。牛腿依连接形式不同可分为明牛腿和暗牛腿，大量研究表明，在截面尺寸和配筋一致的情况下，明牛腿所具有的承载力远高于暗牛腿。明牛腿式的装配式节点设计会影响建筑美观且占用空间，多用于工业厂房与吊车梁支座，因此相关研究多基于降低施工成本角度。暗牛腿连接巧妙地避开了建筑美观和占用空间的弊端，可应用范围更广，因此学者们致力于解决暗牛腿存在的局压现象，即由混凝土局部压坏造成节点丧失承载力的问题，形成了诸如企口连接、暗牛腿型钢连接、暗牛腿钢筋焊接、暗牛腿延性连接等改良技术。通过两个足尺试验，一个梁内嵌入L型角钢，一个梁内嵌入槽钢，试验结果表明新型节点的抗震性能能够达到传统现浇结构80%以上。探究了暗牛腿延性节点在混凝土中柱失效后的抗连续性倒塌性能，该延性杆一端经抽丝后与锚板固接，另一端则依靠含内螺纹的连接帽与高强螺栓、连接块相连，同时梁端纵向钢筋也加工出螺纹与连接板连接。（2）焊接连接。焊接连接通过预制件中预埋钢材连接件，因造价低、焊接后能达到原有母材强度而广泛应用。（3）螺栓连接。螺栓连接在现场装配较为简单，可通过在预制件中预埋螺杆，在梁柱完成对中后进行螺栓初拧和施加预拉力的终拧即完成拼装。

3.2 装配式湿连接框架节点

湿连接表示预制构件在装配过程中，需要进行现场梁柱间后浇混凝土或添加增强措施等连成整体结构。（1）灌浆连接。套筒灌浆连接有效控制破坏在钢筋处，具有工厂化程度高等优点，在装配式柱柱连接中被广泛采用。灌浆套筒连接施工工艺为在钢筋灌浆套筒中插入带肋钢筋，钢筋之间不需要搭接或焊接，接着在钢筋与套筒之间填充水泥浆等灌浆料，通过灌浆料的硬化及其套筒内壁、钢筋表面的咬合，从而实现力的有效传递使预制构件通过连接形成有机整体。根据套筒两端是否均进行灌浆工艺分为全灌浆套筒连接、半灌浆套筒连接两种形式，目前全灌浆套筒连接应用最广泛。规范规定装配整体式框架结构房屋高度大于12m或层数超过3层时，宜采用套筒灌浆连接。灌浆套筒施工过程中钢筋的精准定位直接影响工程进度和质量水平，钢筋位置稍有偏差将导致套筒安装难度大幅上升。为解决此问题，提出两种具有高装配性能的预制柱节点连接方式，连接方式A通过扩口型直螺纹套筒对上下柱钢筋骨架进行对接连接，避免纵筋现场焊接，从而保证连接质量；连接方式B基于滚轧直螺纹套筒与灌浆套筒复合纵筋连接技术，缩短纵筋拼接长度的同时提高现场拼装效率。通过试验表明，不同轴压比下，两种新型连接节点装配式柱与现浇框架柱的抗震性能相当，且在承载力上略优于现浇构件。（2）后浇混凝土连接。后浇混凝土连接是梁柱间预留后浇带，通过键槽、（预应力）钢筋、混凝土等形成的强连接方式。有学者对同等设计原则的现浇框架节点和后浇整体式框架节点进行研究，表明：两者整体破坏、耗能特征相同，均能实现梁铰耗能，满足“等同现浇”的要求。

3.3 装配式混合连接框架节点

混合连接主要是通过干连接形成拼装框架，最后再后浇带上完成整体式连接。型钢混凝土混合装配式节点，通过梁柱埋件进行腹板螺栓连接和后浇混凝土完成整体式拼接。该类型节点具有大于5的延性系数，能将梁端根部塑性铰转移到翼缘削弱部位，达到保护节点核心区和提高抗震性能效果。梁柱干湿混合装配的节点，其通过节点嵌入式型钢与混凝土预埋钢构件进行螺栓连接，并在预留的梁柱后浇带上浇筑ECC混凝土。该种装配节点能实现强柱弱梁，表现出的承载力是现浇钢筋混凝土节点的1.15倍。增加ECC材料的体积能有效改善构件延性，在达到层间比3.5%前由ECC材料的抗拉性能和钢板屈服作用保持试件刚度稳定。

3.4 栓焊连接节点

H型钢梁与方钢管混凝土柱通过双L形带斜向加劲肋连接件连接，双L形带斜向加劲肋连接件是焊接在方钢管混凝土柱上的上、下对称布置的带斜向加劲肋的双L形连接件。L形连接件厚度与H型钢梁翼缘厚度均为8mm；三角形加劲肋高度为80mm，L形连接件翼缘与柱焊接高度为90mm，L形连接件水平长150mm。上下L形连接件各开6个螺栓孔并分别与H型钢梁上下翼缘采用高强螺栓连接。柱上焊接开螺栓孔的腹板连接板，腹板连接板贴靠H型钢梁腹板一侧并采用高强螺栓连接。π形连接件由中间开洞的“回”形底板以及上下π肢焊接而成。“回”形底板通过其内外边缘与钢管混凝土柱贴焊。腹板连接板嵌入“回”形底板孔洞后与柱焊接，其与H型钢梁腹板一侧栓接后，H型钢梁腹板应位于“回”形底板孔洞正中。上下π肢内侧翼缘通过高强螺栓与H型钢梁翼缘连接，腹板连接板通过高强螺栓与H型钢梁腹板连接。试件JHHC-DL、JHHC-π-2分别为双L形连接件H型钢柱-H型钢梁节点以及π形连接件H型钢柱-H型钢梁节点，是分别在试件JHSC-DL、JHSC-π-2的基础上将钢管混凝土柱替换为H型钢柱得来。H型钢柱截面尺寸为120×150×5×8，沿其高度方向每间隔约150mm布置加劲肋，加劲肋与H型钢梁翼缘保持水平，各试件在腹板连接板外侧、加载点及钢梁端部焊接厚度5mm的加劲肋，螺栓孔孔径均为(13。5±0。5)mm，高强螺栓均采用S8。8M12等级螺栓。

4 未来展望

装配式建筑节点连接大多青睐于湿连接，但是干连接方便快捷，顺应建筑产业化发展趋势，应对于干连接施工的节点性能进行全方位的研究，推广应用。梁柱框架节点连接研究较为成熟，但墙板连接方式单一，连接性能不佳。墙板的连接方式问题则束缚了装配式建筑的发展。受地震作用影响，节点连接问题异常突出。因地震作用而导致的装配式建筑节点连接处破坏现象屡见不鲜。参考国内外装配式建筑具体做法，良好的建筑耗能装置能有效的减弱地震作用对于装配式建筑节点连接的破坏影响，因此，建筑耗能装置应广泛应用于装配式建筑各个方面。装配式钢结构建筑节点连接更符合建筑发展趋势，应加大装配式钢结构建筑的推广，并形成相应的装配式建筑行业标准体系。结合当下背景，低碳建筑、被动式建筑等已成为发展趋势，而这类建筑在一定程度上依赖于装配式建筑的发展。现有装配式建筑框架节点的研究大都针对其结构性能，往往忽略节点引起的冷热桥效应，因此如何在保证节点抗震性能要求的前提下使其拥有良好的热工性能将成为未来装配式建筑结构节点研究的重点。

结束语

虽然装配式建筑结构节点有很大优势，但其仍存在材料造价高、施工制作不精细、设置单一和技术型人才缺失等问题。如何将节点设计制造精细化、标准化、大众化以及如何培养技术型人才都亟待解决。除此之外，当前试验方法仍以拟静力试验为主，拟动力试验和地震模拟振动台试验虽可进一步模拟地震作用，但操作难度大、参数选取以及模型不够精确等问题也较为严重。

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