预制装配式框架连接节点性能分析及优化_吴晓宁.pdf

2023年第1期吴晓宁：预制装配式框架连接节点性能分析及优化预制装配式框架连接节点性能分析及优化吴晓宁（福州市建设工程质量监督站，福建 福州350000）摘要：预制构件连接方式及抗震性能可靠性是装配式钢筋混凝土结构中的关键技术和研究热点。从装配式框架结构连接形式及传力分析、装配式连接节点的抗震性能三个方面介绍了目前的研究现状。在此基础上，提出一种具有良好抗震性能的装配式钢管约束耗能框架连接节点，并阐述了该连接节点的施工流程。关键词：装配式；框架结构；节点；抗震性能；优化Abstract:Structural connection and seismic capacity were key technologies in the assembly of reinforcedconcrete structures.The paper introduces the research status from three aspects:the connection form and forcetransfer analysis of prefabricated frame structure and the seismic performance of prefabricated connection joints.Based on the analysis,a kind of assembled steel pipe restrained energy dissipation frame joint with good seismicperformance was put forward to realize the seismic requirement of strong node,weak component,strong shearand weak bending.Besides,the effect of the plastic hinge is reduced to the core area.At last,the constructionprocess of the connection node is introduced.Key words:assembly；frame structure；joint；seismic performance；optimization中图分类号 TV334文献标识码 A 文章编号1004-5538（2023）01-0013-030引言我国以发展绿色建筑、智能建筑为方向，装配式钢筋混凝土结构具有生产效率高、绿色环保的优势，此外装配式构件标准化、精细化施工也提高了工程质量，是一种具有推广价值的建造方式。1装配式框架结构连接形式及传力分析1.1装配式框架结构连接形式框架连接节点是预制装配式框架结构安全可靠的关键因素,也是国内外学者研究的热点。1976年中国唐山大地震中，预制板结构普遍遭到严重破坏而且破坏主要集中在连接节点处。为了确保连接节点的合理性，各研究者从受力性能、施工方便性等方面对连接处的做法、构造措施进行了研究1-5。装配式框架结构按梁柱拆分的位置、构件连接方法、钢筋接头位置等的不同，可以分为四种类型:节点内连接形式、梁跨中连接形式、梁柱节点一体化形式、全装配式。梁柱节点内连接形式是指预制梁在节点核心区连接，核心区和叠合梁板部位均采用现浇混凝土，预制上柱通过灌浆套筒的形式与预制下柱连接。梁柱节点内连接形式也是目前国家规范推荐的形式之一，通过框架节点现浇达到“等同现浇”的目的。其优点是构件制作容易、现场模板安装量少，缺点是节点处钢筋复杂、施工质量难以保证。梁跨中连接形式与梁柱节点内连接形式的差异主要是将预制梁连接位置从节点核心区外移，将连接段设置在跨中附近，连接段做法采用传统的现浇混凝土的方式。其优点是节点处钢筋施工的难度减少，缺点是增加了梁底模板搭设的工作量。梁柱节点一体化形式则是“节点核心区-梁端”采用工厂预制形式，并在核心区内预留贯穿孔，预制下柱的钢筋穿过预留核心区贯穿孔并灌浆连接后，再与预制上柱通过灌浆套筒连接；预制梁与预制节点核心区外伸梁段采用现浇混凝土的方式连接。其优点是节点核心区预制，施工质量可以得到保证，缺点是增加了梁底模板搭设工作量。全装配式是指预制柱和预制梁的连接均通过灌浆套筒连接或在预制构件内预埋钢元件进行连接。其优点是预制率高，现场无混凝土浇筑，缺点是钢元件的制作加工精度要求高、允许偏差较小。生产技术13-2023年第1期图1装配式钢管约束耗能连接节点1.2装配式框架连接节点传力性能框架节点的传力路径、传力机理与框架节点的形式有着直接的关系，不同连接形式节点的传力机理也不尽相同。目前，梁柱节点的连接传力机理根据节点构造形式、转动能力等分为刚性连接、半刚性连接和铰接。框架节点抗弯和抗剪性能是反映节点连接可靠性的两个重要指标，抗弯能力是反映抵抗变形或破坏的主要指标6-9，抗剪能力是保证相互之间不发生滑动的关键因素。目前，在梁柱节点抗弯性能的研究方法和考察的指标上，现浇结构和装配式结构并没有明显的差异，各研究者也主要是研究节点形式、构造做法等对节点抗弯性能的影响。节点的抗剪性能包括节点核心区的抗剪性能和预制构件连接段的抗剪性能。目前规范推荐的梁柱节点内连接形式的做法，核心区抗剪与现浇混凝土结构基本相同。但也有一些学者采用钢纤维混凝土代替核心区普通混凝土，从而提高了核心区的抗剪性能。1.3装配式连接节点的抗震性能目前大部分研究者的试验结果表明合理的装配式框架连接节点在抗震性能，包括延性、耗能等方面可以达到等同现浇的水平。美国与日本合作开展的PRESS项目(PrecastSeismic Structural System Research Program)提出了3种预应力技术的延性节点，试验结果表明：使用这些延性节点的框架，侧向变形可以达到结构高度的1/25，而在超越极限风压的水平荷载下，结构甚至还可以保持弹性状态。Ertas制作了5个装配式梁柱节点并进行了低周加载试验，包括1个现浇节点、1个带牛腿柱的焊接节点和一个螺栓连接的框架节点、两个现浇整体式节点，试验结果表明这些预制的节点均表现出了良好的强度、延性、耗能等。此外，一些研究者通过在节点区域设置连接钢元件，利用钢材良好的延性和耗能提高连接节点的耗能或转动能力。但是，个别研究者也指出预制连接节点在延性和耗能也可能达不到现浇的水平。Kaya表明无粘结后张拉预应力拼接节点虽然在强度上与现浇节点等同，但是耗能却不如现浇节点。对于各种装配式连接节点，其形式和构造做法对延性和耗能的影响是各研究者关注的重点。2一种装配式钢管约束耗能连接节点为进一步提高预制装配式混凝土框架结构在地震区的应用范围，更优异的连接方式是亟需解决的问题，也是目前研究的热点。因此提出一种预制钢管约束核心区混凝土的连接节点，该连接节点在工厂预制并在核心区预留贯穿孔，预制下柱的钢筋穿过核心区预留贯穿孔后，从预制连接节点中间的注浆孔往下注浆，浆体注满预制下柱与预制连接节点之间的连接层后从贯穿孔往上溢出，保证钢筋与节点核心区的可靠粘结，然后钢筋再与预制上柱通过灌浆套筒连接，预制连接节点与预制梁的连接部位现浇钢纤维自密实混凝土。将这种预制钢管约束核心区混凝土-梁端现浇钢纤维密实混凝土的梁柱连接方式简称为“装配式钢管约束耗能连接节点”，对基于该节点的装配式框架结构称为“装配式钢管约束耗能框架结构”。预制节点构造示意如图1所示。装配式钢管约束耗能连接节点中钢管为核心区混凝土提供侧向约束，同时提高混凝土的强度和延性，实现“强节点、弱构件”的抗震设计概念。钢纤维自密实混凝土结合了传统钢纤维混凝土和自密实混凝土的优点，在自密实混凝土中掺入钢纤维，不但能增强混凝土的耗能和延性，还能抑制自密实混凝土的收缩。在梁端连接部位现浇钢纤维自密实混凝土，可更好的发挥梁端塑性铰的耗能能力、延缓塑性铰刚度的退化速率，达到基于性能抗震目的。此外，在预制节点核心区预埋外伸钢元件能提高梁端的抗剪能力，实现“强剪弱弯”，同时将塑性铰外移，减少塑性铰对节点核心区造成的不利影响。在施工层面上，周边梁纵筋可通过外伸钢元件连接，克服了传统梁柱节点核心区钢筋密集的问题，同时利用钢纤维自密实混凝土良好的流动性降低了梁端混凝土浇筑的难度。吴晓宁：预制装配式框架连接节点性能分析及优化生产技术14-2023年第1期3装配式钢管约束耗能框架结构的施工安装流程装配式钢管约束耗能框架结构拼装工艺流程主要为：核心区连接节点预制、预制梁、预制柱制作、预制板等构配件的工厂预制运输施工安装预制下柱安装预制核心区连接节点安装预制叠合梁安装叠合板浇筑预制梁与核心区连接区段浇筑叠合梁和叠合板安装预制上柱安装上一层预制的核心区连接节点.。图2为预制核心区连接节点，图3为预制下柱与预制核心区连接节点，图4为预制梁与核心区连接示意，图5为预制上柱与核心区连接示意。4结论（1）目前装配式连接节点的形式较多，而且主要以达到“等同现浇”的效果为目标。利用装配特点，结合高性能混凝土以及钢结构的优点，研究抗震性能更好、施工更高效的装配式连接节点是今后发展的趋势。（2）装配式钢管约束耗能连接节点中钢管为核心区混凝土提供侧向约束，同时提高混凝土的强度和延性，实现“强节点、弱构件”的抗震设计概念。在预制节点核心区预埋外伸钢元件提高梁端的抗剪能力，实现“强剪弱弯”，同时将塑性铰外移，减少塑性铰对节点核心区造成的不利影响。参考文献1 JGJ12014,装配式混凝土结构技术规程S.2高向玲,徐龙标,李杰,等.装配式混凝土梁柱节点试验及受力性能分析J.华中科技大学学报(自然科学版),2016,44(10):47-52.3Thinh D T,Kusunoki K,Tasai A.ExperimentalStudy on a New Precast Unbonded Post-tensionedBeam-column Jonit System with Shear Bracket J.Journal of Structural and Construction Engineering,2009,76(641):1249-1257.4Ousalem Hassane,Tshikawa Yuji,Kimura Hide-ki,et al.Seismic Performance and Flexural StiffnessVariation ofAssembled Precast High-Strength Con-crete Beam Jointed atMid-Span Using TransverseBolts J.Journal of Advanced Concrete Technology,2009，7(2):205-216.5章一萍,隗萍,张春雷,等.新型装配式混凝土框架结构后浇整体式梁柱节点研究J.四川建筑科学研究,2017,43(3):110-115.6鲁浩.预应力装配式混凝土框架结构节点半刚性研究D.杭州:浙江大学,2016.7Vasconez,Rosa M.,Antoine E.Naaman andJames K.Wight.Behavior of HPFRC connectionsfor precast concrete frames under reversed cyclicloading J.PCI Journal,1998，43(6):58-71.8陈剑佳.钢梁与混凝土梁(柱)节点受力性能研究D.广州：华南理工大学，2014.9张沛.既有钢筋混凝土柱后接梁连接的抗剪承载力试验研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.作者：吴晓宁（1978-），女，研究生，高级工程师，建筑与土木工程专业。（编辑：徐萍）（收稿日期：2022-01-5）吴晓宁：预制装配式框架连接节点性能分析及优化生产技术图2预制核心区连接节点图3预制下柱与预制核心区连接节点图4预制梁与核心区连接示意图5预制上柱与核心区连接示意15-