裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)干連接技術(shù)及展望*

歐天安，潘榮偉，何志

（廣西建筑材料科學(xué)研究設(shè)計(jì)院有限公司 廣西 南寧 530022）

0 引言

裝配式建筑是一種將在工廠預(yù)制生產(chǎn)的構(gòu)件運(yùn)輸至工地，并通過可靠的連接方式裝配而成的建筑[1-2]，與傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑相比，這種建筑方式具有綠色環(huán)保、施工方便的優(yōu)勢(shì)。

中國(guó)第一批裝配式建筑于20 世紀(jì)50 年代實(shí)施。20 世紀(jì)70 年代末至80 年代末，得益于住宅需求增加，裝配式建筑迎來了一次發(fā)展高潮，而后由于條件限制等原因而有所停滯[3]。2013 年1月1 日，中共中央國(guó)務(wù)院發(fā)布了《綠色建筑行動(dòng)方案》，其中明確要求推廣適合工業(yè)化生產(chǎn)的裝配式混凝土、鋼結(jié)構(gòu)等建筑體系，這極大促進(jìn)了建設(shè)工程的預(yù)制與裝配技術(shù)的發(fā)展[3]。2016 年9 月，國(guó)務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》，明確指出要爭(zhēng)取在10 年左右的時(shí)間，使裝配式建筑在新建建筑中的比例達(dá)到30%。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示[3]，當(dāng)前我國(guó)裝配式建筑僅約占新建建筑面積的3%，距離目標(biāo)尚存在一定的差距，仍需繼續(xù)努力推進(jìn)。主要介紹裝配式建筑中的裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)及其連接方式，重點(diǎn)介紹“干連接”，最后展望其今后的發(fā)展方向，望能為同行提供一定的參考價(jià)值。

1 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)及框架連接節(jié)點(diǎn)

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)主要包括裝配式板墻結(jié)構(gòu)、裝配式框架結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)體系。裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)又稱作預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)，是指承重構(gòu)件（如梁、柱、樓板等），部分或全部采用預(yù)制，在施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)，從而形成整體的結(jié)構(gòu)體系[1]，是最為常見、應(yīng)用最為廣泛的裝配式結(jié)構(gòu)體系之一。

框架結(jié)構(gòu)連接，尤其是其中的梁柱連接，是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是否可構(gòu)成體系的關(guān)鍵組成部分。為了滿足整個(gè)框架的結(jié)構(gòu)要求，每個(gè)連接必須能夠安全地傳遞垂直剪切，橫向水平剪切，軸向拉伸和壓縮，以及預(yù)制構(gòu)件之間彎曲力矩和扭矩。由此可見，尋求將預(yù)制混凝土構(gòu)件連接在一起的經(jīng)濟(jì)且實(shí)用的方法，確保其具有足夠的剛度、強(qiáng)度、延展性和穩(wěn)定性，是預(yù)制框架結(jié)構(gòu)的一大挑戰(zhàn)[4]。連接技術(shù)關(guān)乎建筑的安全可靠性，在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有舉足輕重的地位，因此裝配式混凝土的連接問題也是眾多學(xué)者與施工人員關(guān)注的熱點(diǎn)。

為深入理解框架連接節(jié)點(diǎn)性能及其失效機(jī)制，不少學(xué)者進(jìn)行了研究。Kurama Y 等[5]認(rèn)為，裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)首先出現(xiàn)受力鋼筋屈服現(xiàn)象，隨后梁端混凝土受壓破碎，最后裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)發(fā)生拼接面開裂破壞。何一凡等[6]得到的結(jié)果與其類似，他們發(fā)現(xiàn)，在低周反復(fù)荷載作用下，梁柱連接界面處為裂縫出現(xiàn)的主要區(qū)域，而破壞形式以梁端受壓區(qū)混凝土壓碎與受拉區(qū)普通鋼筋或預(yù)應(yīng)力鋼筋屈服為主，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域及構(gòu)件本身破壞較小。為了對(duì)比分析預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)的破壞模式和抗震性能，韓建強(qiáng)等[7]對(duì)2 種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)和有限元模型分析工作。其試驗(yàn)結(jié)果表明，就耗能能力而言，預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)的耗能能力更低，同時(shí)預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)的位移延性比現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)高，而兩種結(jié)構(gòu)的破壞模式基本相同，均為先梁鉸后柱鉸破壞機(jī)制。

2 裝配式混凝土中的連接技術(shù)

前已述及，連接技術(shù)是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)施工過程的核心，是保障預(yù)制混凝土框架的結(jié)構(gòu)性能和安全性能的關(guān)鍵。

按照施工時(shí)是否進(jìn)行混凝土澆筑作業(yè)，可將連接方式分為濕連接和干連接2 類。濕連接技術(shù)也稱作“仿現(xiàn)澆連接技術(shù)”[8]，即一種通過澆筑混凝土或水泥漿體完成連接的連接技術(shù)，包括套筒灌漿連接、漿錨連接等，可達(dá)到一種“后澆整體式結(jié)構(gòu)”；干連接技術(shù)，即在需連接的構(gòu)件內(nèi)植入鋼板或其他鋼筋部件，通過螺栓連接或焊接而達(dá)到連接目的連接技術(shù)[9]。干連接技術(shù)與濕連接技術(shù)除了在連接形式上不同外，還在變形方面存在差異。在濕連接框架受力時(shí)中，其塑性變形一般出現(xiàn)在連接區(qū)以外，連接區(qū)應(yīng)保持彈性；而干連接框架在地震載荷作用下彈性及塑性變形通常發(fā)生在連接區(qū)，梁、柱變形仍在彈性范圍內(nèi)，因而預(yù)制構(gòu)件的破壞程度更小，震后的修復(fù)與更換易于實(shí)現(xiàn)[1]。由此可見，濕連接的整體性較好，而干連接相較于濕連接更具有施工便捷的特點(diǎn)，符合建筑工業(yè)化的趨勢(shì)。以下將重點(diǎn)討論干連接技術(shù)。

3 干連接技術(shù)的種類及其特點(diǎn)

3.1 常見干連接技術(shù)

3.1.1 焊接連接

焊接連接是施工最為方便的連接方式，也是在預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較普遍的連接方式[3]。為一個(gè)無明顯塑性鉸設(shè)置的焊接節(jié)點(diǎn)（見圖1），當(dāng)處于地震荷載作用時(shí)，該節(jié)點(diǎn)容易發(fā)生脆性破壞，抗震性能較差[10]。若在連接時(shí)注意增加塑性鉸的設(shè)置，同時(shí)合理安排構(gòu)件的焊接順序以避免焊接的殘余應(yīng)變，此連接將獲得較為明顯的優(yōu)越性。當(dāng)前，開發(fā)變形性能較好的焊接連接構(gòu)造應(yīng)是干連接構(gòu)造的發(fā)展方向之一。

3.1.2 螺栓連接

螺栓連接是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的主要連接方式之一，是一種通過螺栓桿件及螺母將上、下層預(yù)制構(gòu)件連接為整體的連接技術(shù)[11]（見圖2），它可應(yīng)用于非抗震結(jié)構(gòu)或低抗震設(shè)防烈度或多層建筑[3]。螺栓連接施工操作簡(jiǎn)單便捷，然而其對(duì)預(yù)制構(gòu)件的制作精度要求相對(duì)較高，對(duì)偏差、受污染和破損的容忍度較低。此外，螺栓連接處還容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，因而它的應(yīng)用受到了一定的限制[3]。侯全勝等[12]通過試驗(yàn)研究螺栓連接預(yù)制構(gòu)件結(jié)合面的破壞過程和破壞形態(tài)，并分析螺栓連接預(yù)制構(gòu)件結(jié)合面的受力機(jī)理。其研究結(jié)果顯示，螺栓連接預(yù)制構(gòu)件結(jié)合面直剪破壞模式基本相同，與螺桿接觸處混凝土出現(xiàn)局壓破壞，隨著荷載的增大，試件表面混凝土剝落，螺桿受拉剪產(chǎn)生彎曲變形，增大連接螺栓直徑可以有效地提高試件的承載力。薛偉辰等[13]對(duì)一種新型螺栓連接裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行低周反復(fù)試驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)螺栓連接裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的滯回曲線相較于現(xiàn)澆剪力墻更加飽滿, 耗能能力較好。

圖2 螺栓連接結(jié)構(gòu)

3.1.3 牛腿式連接

所謂“牛腿”實(shí)際上指柱體外伸出的一個(gè)支撐固定結(jié)構(gòu)，其上部的板或梁搭接在該結(jié)構(gòu)表面，并可以通過螺栓進(jìn)行連接[10]。根據(jù)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方法的不同，牛腿連接還可分為如下幾種連接形式。

（1） 明牛腿連接：明牛腿指直接在柱體外伸出牛腿，以支撐其上部的梁[10]（見圖3），外露的牛腿占據(jù)了較大的空間，且影響美觀，因此盡管該種方式具有可承載力高，安全可靠，工期短等優(yōu)點(diǎn)，其一般也只應(yīng)用于工業(yè)建筑的廠房而不應(yīng)用在民用建筑中。

圖3 明牛腿連接結(jié)構(gòu)

（2）暗牛腿連接：暗牛腿連接結(jié)構(gòu)（見圖4）。與明牛腿對(duì)比，暗牛腿在連接處所占的空間位置較少，在建筑美觀性方面也有所提高，且其仍有著較好的承載能力[14]。然而，改變了牛腿形態(tài)實(shí)際上對(duì)牛腿的承載力會(huì)產(chǎn)生一定的影響，且其承載效果易受制作工藝影響，因此這種連接方式也存在一定的局限性[14-15]。黃祥海等[16]應(yīng)用拉壓桿模型理論對(duì)這種應(yīng)力分布極不均勻的暗牛腿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析。他們根據(jù)連接構(gòu)造中的受力特點(diǎn)提出相應(yīng)的豎向承載力計(jì)算公式，用于推算暗牛腿上部受力鋼筋的最大配筋率。最后他們得出的結(jié)論為混凝土抗壓承載力決定了暗牛腿的最大承載能力。

圖4 暗牛腿連接結(jié)構(gòu)

（3） 型鋼暗牛腿連接：型鋼暗牛腿連接實(shí)際上是將暗牛腿連接中的鋼筋混凝土暗牛腿替換成型鋼暗牛腿的連接[10]。型鋼暗牛腿連接通過混凝土包裹牛腿使用，在外觀形態(tài)方面創(chuàng)造了較美觀的構(gòu)造（見圖5），其承載力不會(huì)受到太大影響[15]。朱筱俊等[17]認(rèn)為，型鋼暗牛腿在型鋼暗牛腿節(jié)點(diǎn)構(gòu)造中是一個(gè)較為重要的承重構(gòu)件，設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行局壓驗(yàn)算非常有必要，這樣才能適應(yīng)型鋼下混凝土的受力狀態(tài)比較復(fù)雜的情況。

圖5 型鋼暗牛腿連接

3.2 新型干連接技術(shù)

3.2.1 榫式連接

榫式連接技術(shù)是一種常用于預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)柱體之間的連接技術(shù)，其連接結(jié)構(gòu)（見圖6）。榫式連接的效果通過將預(yù)制好榫頭的上柱放在下柱表面或預(yù)留孔槽中得以實(shí)現(xiàn)。其中，上下柱內(nèi)一般通過焊接的方式設(shè)置縱向鋼筋[10]。

圖6 榫接連接結(jié)構(gòu)

3.2.2 延性連接

預(yù)應(yīng)力和混合連接是主要的延性連接，其可最大限度地減少接頭的損壞。DDC(Dywidag Ductile Connection) 是一種將延性載荷插入柱，梁和柱用螺栓連接的延性連接方法，采用此方法所有結(jié)構(gòu)連接都可以完成。然而，此種方法的不僅在構(gòu)造中需要很高的精度，還有成本高的缺點(diǎn)。高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementitious Composite, ECC）是一種具有超高韌性的復(fù)合材料，Choi H K 等[4]采用這種材料進(jìn)行了延性連接（見圖7），其試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用該種連接方式時(shí)荷載有效地傳遞到了梁和接頭處。

圖7 ECC 延性連接

4 結(jié)語

裝配式建筑是建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必經(jīng)之路。雖然裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)現(xiàn)已應(yīng)用較廣，但仍然存在著許多問題，例如，節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)不成熟，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法欠規(guī)范，節(jié)點(diǎn)性能評(píng)價(jià)方法未統(tǒng)一，連接節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度不足無法滿足等同現(xiàn)澆，鋼筋采用螺栓或機(jī)械套筒連接時(shí)，螺栓或套筒定位不準(zhǔn)等，這些問題在一定程度上也影響其推廣應(yīng)用。

干連接技術(shù)減少了現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，與濕連接技術(shù)相比更加符合建筑工業(yè)化的趨勢(shì)，是裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)連接技術(shù)的發(fā)展方向，對(duì)于如何進(jìn)行新型節(jié)點(diǎn)連接形式及構(gòu)造方法的研究，如何提高干連接節(jié)點(diǎn)延性問題，如何解決框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件干式連接的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工中產(chǎn)生中的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，形成自動(dòng)化程度高、成本低廉、連接性能優(yōu)越的構(gòu)件干連接技術(shù)的研究似乎也應(yīng)該提上日程。