裝配式鋼管約束耗能連接節點的受力性能研究

成寶亮

（閩南理工學院， 福建 石獅 362700）

0 引言

裝配式建筑是指結構系統、外圍護系統、設備與管線系統、內裝系統的主要部分采用預制部品部件集成的建筑[1]。我國在建國初提出了建筑工業化的發展方向，建造了大批預制裝配式單層工業廠房、裝配式大板體系等[2-4]。唐山大地震后，由于裝配式結構節點連接薄弱的缺點，使其在我國的發展一度受到限制[5]。進入21世紀后， 我國又重新開始重視了裝配式建筑。近年來，各地涌現出一批示范工程，如上海浦江大型居住社區，預制率達50%-70%等，實現了構件制造的工廠化及施工現場的裝配化[6]。福建省近年來也加大了推動裝配式建筑的發展力度，中建海峽建設發展有限公司引領建設中美清潔能源示范項目，項目集成應用綠色建筑與裝配式框架結構等多項技術。

本項目主要目標是提出一種裝配式鋼管約束耗能連接節點構造形式及其設計方法，分析裝配式鋼管約束耗能連接節點延性、耗能等評價指標。提出裝配式鋼管約束耗能連接節點性態水平及失效判別標準，建立基于構件類別的結構抗震性能化控制指標及基于性能的結構抗震設計理論，為相關規范制定和工程設計提供理論支撐。

1 靜力荷載下裝配式鋼管約束耗能連接節點的受力性能

采用“Z”型直剪試驗，考察纖維摻量、界面粗糙度、鋼纖維自密實混凝土工作性能、鋼纖維自密實混凝土強度等參數對界面粘結強度的影響。采鋼纖維自密實凝土與鋼板的直剪試驗方法，得出鋼纖維自密實凝土與外包鋼管的粘結應力一滑移關系以及極限粘結強度，確定連接界面處的傳力機制和塑性滑移模型。

1.1 鋼管約束耗能連接節點模型

在進行預制裝配式鋼管約束耗能連接節點的受力性能試驗時，要先設計兩個預制裝配式鋼管柱節點試件和一個鋼管梁柱節點試件。

1.2 裝配式鋼管約束耗能連接節點的耗能能力

在預制裝配式鋼管約束耗能連接節點結構中，其抗震能力和耗能能力起著至關重要的作用。建筑的抗震能力越高，其建筑的質量也相應提高。因此，如何提高鋼管連接節點的耗能能力，是體現建筑抗震性能中的重要方面。預制裝配式鋼筋混凝土節點試件的耗能能力大概是鋼筋混凝土節點試件的兩倍，預制裝配式鋼筋混凝土節點試件的耗能能力與軸向壓力比成反比，即隨著軸向壓力比的降低，預制鋼骨混凝土試樣的耗能能力不斷提高，表明其抗震性能較好。

2 地震作用下裝配式鋼管約束耗能連接節點的受力性能。

在進行抗震設計的過程中，基本上是以“強柱弱梁，強節點弱構件”為依據，這種設計最終的破形式是在兩段產生塑性鉸進行耗能。目前梁柱節點的試驗研究與分析大部分是以這種依據進行計的，最終的破壞形式多為出現塑性鉸，而目前對鋼管節點約束耗能連接節點的受力情況研究較少，所以為了更好的傳遞梁端剪力，節點核心區增加了外鋼管對鋼纖維自密實混凝土起到了有效的約束作用。

2.1 往復荷載作用下鋼管約束混凝土

混凝土填充鋼管作為一種新型復合材料結構，主要由軸壓和受壓構件組成，它的偏心力較小，廣泛應用于框架結構中。鋼管被混凝土填滿，可以吸收大量熱能。鋼管混凝土澆注減少了鋼管的外露面積，被外部氣體腐蝕的面積遠小于鋼結構。抗腐蝕和防腐的成本也比鋼結構低。通過循環鋼管對其內部混凝土的有效約束，使鋼管內的混凝土處于三向壓狀態，使混凝土具有較高的抗壓強度。

2.2 鋼纖維自密實混凝土的本構模型

采用“8” 字形的鋼纖維自密實混凝土試件，在液壓伺服拉力機上施加往復荷載，得到鋼纖維自密實混凝土的應力一應變骨架線，其加卸載準則在普通混凝土的加卸載準則的基礎上進行修正，建立了鋼纖維自密實混凝土在往復荷載作用下本構模型。通過數值迭代全過程分析鋼管對混凝土提供約束大小的變化，確定了核心混凝土在被動約束條件的應力一應變之間的關系。 確定了鋼管約束混凝土在往復荷載作用下的骨架曲線，進而在普通混凝土的加卸載準則的基礎上做相應修正，建立了鋼管約束混凝土在往復荷載作用下的本構模型。

2.3 裝配式鋼管約束耗能連接節點的延性

在預制裝配式鋼管約束耗能連接中，其延性對提高抗震能力和吸收地震能量具有重要意義，通過對預制鋼管接頭延性的研究，不斷提高其抗震性能和效果。預制裝配式鋼混管混凝土的節點試件有繼教號的延性，同時它的軸向壓力比不同，位移延性系數與軸向壓力比成反比。軸向壓力比對預制鋼筋混凝土梁接頭的變形能力有顯著影響。

3 結束語

裝配式建筑物的成本比現澆式建筑物的成本要高。裝配式建筑增加了深化設計階段，增加了設計過程中的部分設計成本。在施工階段，由于需要大量的起重吊裝作業，機械成本也隨之增加。預制混凝土組件已作為工業產品進入建筑企業，增加了前期成本，投資于組件生產系統，組件維護，運輸和稅收，這些也將分配給建筑成本。但是，隨著生產規模的擴大和標準化體系的完善，裝配式建筑的造價將與現澆式建筑的造價相同，甚至更低。

鋼管約束混凝土在往復荷載作用下的本構模型能更有效地體現鋼管和混凝土材料的優點，同時克服鋼管結構局部屈曲的缺點。近年來，隨著理論研究的深入和新的施工技術的出現，此模型在工程中的應用越來越廣泛。本項目應用綠色建筑與裝配式建筑等多項技術，在節約能源利于環保的基礎上，提高了部件精度及強度，保證了品質，可以加快施工進度，節約勞動力成本，提高了施工的安全性。并推動建筑產業升級，帶動了相關產業的發展，有利于促進預制裝配式混凝土結構在我省的推廣應用，產業化前景廣闊。