預(yù)制裝配混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)連接方式研究綜述

秦童 劉英利

摘 要：隨著我國建筑工業(yè)化的發(fā)展，預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)得到了快速的發(fā)展。本文對(duì)比了預(yù)制混凝土與現(xiàn)澆混凝土的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了預(yù)制裝配混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)連接方式的分類，分析了各種梁柱節(jié)點(diǎn)連接方式的研究現(xiàn)狀，探討了需要進(jìn)一步研究的關(guān)鍵問題和未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：預(yù)制裝配混凝土；梁柱節(jié)點(diǎn)；連接方式

0 前言

在我國，建筑行業(yè)成為了能耗大戶，建筑行業(yè)能耗至少占全社會(huì)能耗的1/3，而建設(shè)階段的能耗又占了建筑總能耗的1/2以上。針對(duì)建筑行業(yè)現(xiàn)存的作業(yè)方式傳統(tǒng)、工業(yè)化水平低、能耗高污染大等弊端，國家提出建筑節(jié)能減排和住宅產(chǎn)業(yè)化的國家發(fā)展戰(zhàn)略，力圖消除制約建筑工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程的瓶頸。所謂建筑工業(yè)化是指采用集約化、工廠化的流水線作業(yè)方式完成大部分構(gòu)成建筑的構(gòu)件、部件、設(shè)備的預(yù)制生產(chǎn)，然后運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整體裝配集成的一種現(xiàn)代建筑方式。歐美等發(fā)達(dá)國家從上世紀(jì)40年代開始就已經(jīng)逐步推進(jìn)建筑工業(yè)化進(jìn)程，特別是日本，其建筑工業(yè)化率已經(jīng)超過70%，擁有系統(tǒng)的、先進(jìn)的、成熟的技術(shù)支持。

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)具有建造工期短、產(chǎn)品質(zhì)量高、能源損耗低、環(huán)境污染小等優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。而裝配式混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展的一個(gè)重要制約因素是節(jié)點(diǎn)連接問題。對(duì)于裝配式框架結(jié)構(gòu)，梁柱節(jié)點(diǎn)更是尤其重要，它對(duì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能有直接的影響。

1 預(yù)制混凝土與現(xiàn)澆混凝土的優(yōu)劣分析

即使現(xiàn)澆混凝土憑借其優(yōu)越性在當(dāng)今大多數(shù)工程施工中扮演著重要的角色，但也不可否認(rèn)其在工程實(shí)施中暴露的缺陷。當(dāng)遇到耗費(fèi)勞動(dòng)力多，勞動(dòng)效率比較低，工程質(zhì)量難以保證[1]等問題時(shí)，預(yù)制混凝土的優(yōu)勢(shì)便顯現(xiàn)出來了。

預(yù)制混凝土，區(qū)別于現(xiàn)澆混凝土，是指澆筑地點(diǎn)并不在施工現(xiàn)場(chǎng)，而是先在其他地點(diǎn)將混凝土澆鑄成單個(gè)的構(gòu)件后運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)后進(jìn)行拼接或組裝成建筑結(jié)構(gòu)。預(yù)制混凝土如今已經(jīng)在全世界的范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，如在洪都拉斯San Pedro Sula市的預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土懸索行人橋[2]，美國北卡洛林娜州Charlotte市IJL金融中心[3]等。下面是預(yù)制混凝土與現(xiàn)澆混凝土的對(duì)比，見下表。

2 梁柱節(jié)點(diǎn)的連接類型

框架結(jié)構(gòu)的梁柱連接也稱為梁柱節(jié)點(diǎn)或框架節(jié)點(diǎn)，主要指框架梁與框架柱相交的節(jié)點(diǎn)核心區(qū)及靠近核心區(qū)的梁端和柱端[4]。根據(jù)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的施工方式，其節(jié)點(diǎn)連接可以劃分為濕連接和干連接兩種。在兩連接構(gòu)件之間灌注水泥漿或現(xiàn)澆混凝土的連接方式為濕連接。而干連接則不需現(xiàn)澆混凝土，它的連接是通過預(yù)埋在構(gòu)件內(nèi)的鋼板或者某些鋼部件，經(jīng)過焊接或螺栓連接而成的。

2.1 預(yù)制裝配式框架的干連接

2.1.1 牛腿連接

牛腿憑借較高承載力并且能夠可靠的傳遞豎向力，是應(yīng)用較為普遍的一種干連接方式。一些大空間建筑，如單層或多層廠房等，需要承載力較高的連接方式而對(duì)美觀性方面要求較低，故多采用有較高承載力的明牛腿。而對(duì)于建筑要求比較高的民用住宅或者商業(yè)用房中多將牛腿做成不影響美觀的暗牛腿[5]。目前應(yīng)用的暗牛腿連接方式有很多種，常見的有型鋼暗牛腿、混凝土暗牛腿等。

（1）明牛腿連接。在預(yù)制裝配式多層廠房中明牛腿節(jié)點(diǎn)的連接方式占了很大的比重，如圖1所示。明牛腿節(jié)點(diǎn)有很多優(yōu)點(diǎn)，其承載力大，節(jié)點(diǎn)剛性好，在安裝方面也方便快捷。應(yīng)用明牛腿的連接方式有兩種，即可剛接又可鉸接，構(gòu)造細(xì)節(jié)是不一樣的。但是由于明牛腿主要考慮的是承載力等性能而忽視了美觀并且相對(duì)來說占用空間較大，所以明牛腿只應(yīng)用于對(duì)美觀要求較低的建筑，如廠房和吊車梁支座等。

（2）暗牛腿連接。當(dāng)民用住宅或商業(yè)用房對(duì)于建筑美觀有較高要求時(shí)，往往把柱子的牛腿做成既不影響美觀又不影響空間的暗牛腿，如圖2所示。由于考慮構(gòu)件的美觀使得構(gòu)件的力學(xué)性能會(huì)受影響，尤其是對(duì)構(gòu)件的動(dòng)力特性不利。梁端與牛腿的配筋有時(shí)會(huì)很復(fù)雜。比如用一半的梁高度來承擔(dān)剪力，而另一半的梁高度用來做出柱子的牛腿，還要牛腿的邊緣在梁邊緣的范圍內(nèi)時(shí)，配筋就會(huì)比較復(fù)雜。所以這樣的節(jié)點(diǎn)連接方式仍然有局限性。

（3）型鋼暗牛腿連接。型鋼牛腿適用于剪力較大的情況，此時(shí)梁高的一半已經(jīng)不足以承受全部的剪力。遇到此種情況應(yīng)該減小暗牛腿的高度，來增加梁端缺口處梁的高度，這樣其抗剪能力就能大大提高了[6]。有些型鋼暗牛腿在制作過程中把型鋼用混凝土包裹起來，這種牛腿在外觀上與普通現(xiàn)澆牛腿基本相同。而不用混凝土包裹的牛腿，可以直接把型鋼伸出來，也可以把型鋼伸到梁端的內(nèi)部。當(dāng)型鋼伸到梁內(nèi)部時(shí)，連接處側(cè)面的接縫，可以隱藏起來。但是考慮到明火和腐蝕的情況，安裝后的灌縫工作必須仔細(xì)的完成，如圖3所示。

2.1.2 鋼吊架式連接

鋼吊架式連接的用鋼量比較少。鋼吊架式連接區(qū)別于其他干連接的一其顯著優(yōu)點(diǎn)是其柱子的模板制作較為簡單。在實(shí)際工程中，偶然出現(xiàn)的偏心荷載會(huì)引起梁的扭曲，鋼吊架式連接恰好可以阻止此種情況的發(fā)生。如圖4就用了位于鋼吊架下方外伸的插銷來阻止這種情況發(fā)生。

該連接方式的缺點(diǎn)是連接構(gòu)件較多且承受能力相對(duì)較弱，從而構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，相應(yīng)的也就對(duì)施工質(zhì)量和安裝精度有較高的要求。所以鋼吊架式連接不能承受比較大的荷載[7]。

2.1.3 焊接連接

焊接連接的優(yōu)點(diǎn)是避免了傳統(tǒng)濕連接等方式的灌漿和養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)從而節(jié)省了工期。缺點(diǎn)是焊接連接方法中無明顯的塑性鉸設(shè)置，焊接縫在反復(fù)地震荷載作用下容易發(fā)生脆性破壞，故該連接方式的抗震性能不理想[8]。但是對(duì)于塑性鉸設(shè)置良好的焊接接頭，其優(yōu)點(diǎn)非常顯著，故當(dāng)前干式連接構(gòu)造的發(fā)展方向包括開發(fā)變形性能較好的焊接連接構(gòu)造。在施工中應(yīng)該充分安排好相應(yīng)構(gòu)件的焊接工序從而減小焊接的殘余應(yīng)力并使焊接有效。如圖5所示。

2.1.4 螺栓連接

螺栓連接的優(yōu)點(diǎn)是安裝快速利落。其缺點(diǎn)是在預(yù)制時(shí)的制作精度要求較高，不允許出現(xiàn)偏差，而且必須極為小心的保護(hù)來避免運(yùn)輸及安裝過程中出現(xiàn)的受彎、受損和污染，一旦出現(xiàn)了破壞，其更換或維修的施工操作將比較復(fù)雜[9]。圖6所示連接為牛腿和螺栓連接的組合應(yīng)用，圖6（a）所示為明牛腿和預(yù)制梁用螺栓連接的情況，圖6（b）為暗牛腿的方式。6（a）和圖6（b）連接方式可以抵抗較小的梁端彎矩和扭矩，屬于鉸接。

2.2 預(yù)制裝配框架的濕連接[10]

濕連接是指通過現(xiàn)澆混凝土將預(yù)制構(gòu)件或預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆構(gòu)件連接在一起形成框架結(jié)構(gòu)。圖 7為常用的幾種濕連接形式。

圖7（a）中，梁為預(yù)制混凝土梁，預(yù)制樓板放在預(yù)制梁上，在梁和樓板的表面，梁柱節(jié)點(diǎn)的核心區(qū)域及柱內(nèi)布置鋼筋，然后澆搗混凝土，預(yù)制梁與面層現(xiàn)澆混凝土通過鋼筋連接作用形成疊合梁共同工作。這樣做減少了現(xiàn)場(chǎng)模板的工作量，但是梁底外伸的縱向鋼筋在節(jié)點(diǎn)核心部分的錨接施工比較困難，所以柱子的尺寸要比梁的大一些。此外由于梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)配筋比較密實(shí)，所以這部分混凝土不容易澆搗密實(shí)。

圖7（b）與圖7（a）不同的是，梁、柱均為預(yù)制構(gòu)件，在預(yù)制梁、板的表面和梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)澆搗混凝土，上下柱內(nèi)的縱筋則是穿過金屬套筒，然后灌漿連接在一起。這種方式現(xiàn)場(chǎng)澆搗工作量少，但也無法避免梁底縱筋錨固和節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土澆搗的問題。

3 結(jié)論

（1）預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)是一種非常重要的框架施工方法，相對(duì)于其它方法，其優(yōu)點(diǎn)有構(gòu)件制作精確、施工較為簡易、施工周期短、減免濕作業(yè)等諸多優(yōu)點(diǎn)。在未來建筑業(yè)的發(fā)展中，預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)將會(huì)扮演非常重要的角色。

（2）由于梁柱節(jié)點(diǎn)連接形式的多樣性，目前預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)并沒有較為成熟的連接方式，規(guī)范不同也導(dǎo)致不同的連接形式分類，希望盡快出臺(tái)將梁柱節(jié)點(diǎn)連接分類形式統(tǒng)一劃分的更完整的規(guī)范以便于今后研究人員能進(jìn)行更深入的研究。

（3）國內(nèi)外關(guān)于預(yù)制混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)連接的研究還處于探索階段，但隨著建筑產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我們需要加快對(duì)于預(yù)制混凝土框架節(jié)點(diǎn)連接的研究并盡快做到深入和完善，這樣才能與時(shí)俱進(jìn)并使建筑行業(yè)發(fā)展的更快更好。

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基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51278164）。

作者簡介：秦童（1990-），女，河北唐山人，在讀研究生，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。