地震區(qū)裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)性能研究

張家富 張 敏 許耀琳

(陽(yáng)光學(xué)院，福建 福州 350015)

在當(dāng)前混凝土結(jié)構(gòu)施工方法主要有現(xiàn)澆式和裝配式，現(xiàn)澆式和裝配式兩者的區(qū)別在于前者是在施工現(xiàn)場(chǎng)完成整個(gè)步驟，而后者主要是先預(yù)制，再運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)吊裝，具體的區(qū)別如下圖1所示。

圖1 混凝結(jié)構(gòu)施工方式

從上圖中我們不難得出與傳統(tǒng)現(xiàn)澆式混凝土建筑相比裝配式建筑更具優(yōu)勢(shì)，雖然裝配式建筑優(yōu)勢(shì)相對(duì)明顯，但也存在致命弱點(diǎn)——節(jié)點(diǎn)連接剛性不足，進(jìn)而導(dǎo)致裝配式建筑整體性較差。如果將這幾年中地震資料進(jìn)行對(duì)比，我們不難發(fā)現(xiàn)在裝配式建筑中導(dǎo)致其破壞的往往是各構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)，而梁柱等構(gòu)件破壞相對(duì)較輕。所以在裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程時(shí)，往往會(huì)選擇較安全的節(jié)點(diǎn)連接方式來(lái)提高建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。因此裝配式建筑中梁柱節(jié)點(diǎn)的連接不僅是影響裝配式結(jié)構(gòu)承載力性能穩(wěn)定性的主要因素，更是影響抗震性能穩(wěn)定性的主要因素，故裝配式結(jié)構(gòu)更注重梁柱節(jié)點(diǎn)的連接問(wèn)題[1]。

節(jié)點(diǎn)連接作為裝配式建筑結(jié)構(gòu)的核心問(wèn)題，在裝配式建筑結(jié)構(gòu)中處于極其重要的地位，連接的是梁柱的核心區(qū)域。因此可靠的節(jié)點(diǎn)連接才能保證裝配式建筑各構(gòu)件之間能按設(shè)計(jì)要求傳遞梁柱之間的內(nèi)力，這樣才能保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生失穩(wěn)等安全性問(wèn)題。目前裝配式建筑中主要采用的連接方式分為濕連接和干連接。干連接主要有焊接連接、牛腿連接、預(yù)埋螺桿螺栓連接、預(yù)應(yīng)力壓接。濕連接主要包括灌漿拼接、現(xiàn)澆連接、預(yù)應(yīng)力整澆連接。所謂濕連接就是將預(yù)制構(gòu)件或預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆構(gòu)件根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計(jì)理念以二次澆筑混凝土的連接形式來(lái)實(shí)現(xiàn)梁-柱、梁-板-柱、柱-柱、板-墻之間的連接，而干連接則是在預(yù)制構(gòu)件中預(yù)埋連接構(gòu)件，然后通過(guò)灌漿套筒、螺栓連接或焊接的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件之間的連接[2]。

濕式連接是目前裝配式結(jié)構(gòu)中采用較多的連接方式。傳統(tǒng)現(xiàn)澆式建筑與裝配式建筑連接縫區(qū)別如下?，F(xiàn)澆梁柱中節(jié)點(diǎn)在柱底、柱頂存在兩處新舊混凝土結(jié)合面；裝配式梁柱中節(jié)點(diǎn)在存在4處新舊混凝土結(jié)合面(圖2，3)。

圖2 新舊混凝土結(jié)合面(一)

圖3 新舊混凝土結(jié)合面(二)

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

本課題擬根據(jù)濕式連接方式的不同，設(shè)計(jì)并澆筑兩組裝配式建筑構(gòu)件混凝土簡(jiǎn)支梁和用于實(shí)驗(yàn)對(duì)比的現(xiàn)澆混凝土簡(jiǎn)支梁。兩組裝配式建筑構(gòu)件簡(jiǎn)支梁交由預(yù)制廠(chǎng)澆筑，并根據(jù)濕式節(jié)點(diǎn)連接不同方式連接成一個(gè)整體，而在現(xiàn)場(chǎng)澆筑的兩組混凝土簡(jiǎn)支梁主要驗(yàn)證其所能承受的承載力及擾度和裂縫。

1.2 材料性能與試驗(yàn)加載方法

本次試驗(yàn)在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，濕式節(jié)點(diǎn)連接中灌漿套筒連接方式是本次裝配式建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件節(jié)點(diǎn)連接的關(guān)鍵設(shè)計(jì)部位，而構(gòu)件連接部分能否充分發(fā)揮其作用對(duì)于整體穩(wěn)定性有著舉足輕重的作用。所以在構(gòu)件設(shè)計(jì)過(guò)程中著重考慮了套筒的剛度以及在構(gòu)件連接部位強(qiáng)度這兩個(gè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)過(guò)程同時(shí)也要兼顧構(gòu)件節(jié)點(diǎn)連接部位能否連接牢固，從而滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)整體承載力的傳遞及保證結(jié)構(gòu)的安全性。

本次試驗(yàn)采用三種加載方式對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)加載。

(1)靜力載荷是在簡(jiǎn)支梁上施加一個(gè)集中荷載，意在檢驗(yàn)套筒連接處的強(qiáng)度及剛度能否達(dá)到要求。

(2)極限載荷是考慮簡(jiǎn)支梁在施加一個(gè)集中荷載后，該簡(jiǎn)支梁所能承受的最大承載力。理論上在簡(jiǎn)支梁達(dá)到極限荷載后應(yīng)表現(xiàn)為：結(jié)構(gòu)構(gòu)件受壓區(qū)混凝土破碎，構(gòu)件鋼筋斷裂，構(gòu)件表面有裂縫產(chǎn)生，從何導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性被破壞。本次實(shí)驗(yàn)前期采用力值控制，當(dāng)構(gòu)件達(dá)到承載力后采用位移控制，至最后構(gòu)件完全破壞。

(3)低周周期性加載即采用同一荷載對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行低周循環(huán)加載?？紤]到在地震區(qū)裝配式結(jié)構(gòu)建筑受地震橫縱波的影響較大，所以先采用此方法進(jìn)行模擬地震破壞，從而不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)方法，提高裝配式建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)裝配式構(gòu)件簡(jiǎn)支梁構(gòu)件節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)澆式節(jié)點(diǎn)三種加載方式的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)澆混凝土梁和裝配式混凝土梁連接節(jié)點(diǎn)部位的破壞形態(tài)具有明顯的不同。在極限加載試驗(yàn)中，不管是裝配式簡(jiǎn)支梁還是混凝土簡(jiǎn)支梁第一條裂縫都在梁端位移加載處(即梁端10mm)，但現(xiàn)澆簡(jiǎn)支梁的核心區(qū)域混凝土最初裂縫出現(xiàn)比裝配式簡(jiǎn)支梁的相對(duì)較早，傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土梁破壞的主要部位在梁柱構(gòu)件的連接處。而預(yù)制梁的混凝土破壞區(qū)域恰好在預(yù)埋型鋼構(gòu)件區(qū)域，梁表面出現(xiàn)斜拉裂縫，容易造成梁端剪切破壞。在三種實(shí)驗(yàn)下兩種節(jié)點(diǎn)結(jié)果情況表明裝配式簡(jiǎn)支梁與傳統(tǒng)簡(jiǎn)支梁的應(yīng)力應(yīng)變破壞趨勢(shì)相近，而裝配式簡(jiǎn)支梁構(gòu)件節(jié)點(diǎn)有套筒連接故其強(qiáng)度更高。通過(guò)低周反復(fù)實(shí)驗(yàn)可知裝配式簡(jiǎn)支梁因加了套筒灌漿連接其抗震性明顯提高與整體澆筑的建筑抗震性幾乎一致。

3 結(jié) 論

近些年因?yàn)樽匀粸?zāi)害較多，尤其是地震災(zāi)害給人類(lèi)帶來(lái)的不僅是生命財(cái)產(chǎn)損失，甚至對(duì)國(guó)家社會(huì)安定都產(chǎn)生了不利的影響。故在地震區(qū)裝配式建筑的使用必須有可靠的節(jié)點(diǎn)連接方式，否則發(fā)生地震時(shí)裝配式建筑節(jié)點(diǎn)將最先斷裂進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。在2008年四川汶川大地震中，大量的現(xiàn)澆建筑倒塌，現(xiàn)澆樓板像“棺材板”一樣奪去了無(wú)數(shù)人的生命，使國(guó)家遭受到了巨大的財(cái)產(chǎn)損失[3-4]。其實(shí)不管是裝配式建筑結(jié)構(gòu)還是現(xiàn)澆整體式建筑結(jié)構(gòu)關(guān)鍵要解決的問(wèn)題還是節(jié)點(diǎn)連接方式的選擇，節(jié)點(diǎn)連接方式的剛性及強(qiáng)度問(wèn)題是裝配式建筑結(jié)構(gòu)能否快速發(fā)展的主要問(wèn)題也是必須解決的問(wèn)題。故在裝配式建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程，大多數(shù)會(huì)選擇增強(qiáng)梁柱等節(jié)點(diǎn)的連接節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度從而保證裝配式建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)乃至國(guó)際上目前對(duì)裝配式建筑結(jié)構(gòu)的研究，尤其是在國(guó)內(nèi)目前的研究主要出現(xiàn)的問(wèn)題在于以下幾點(diǎn)。

第一，相當(dāng)一部分還是依托現(xiàn)澆，即采用干濕結(jié)合的節(jié)點(diǎn)鏈接方式，在現(xiàn)場(chǎng)采用人工焊接，無(wú)法提高效率。

第二，有些設(shè)計(jì)過(guò)于追求差異性導(dǎo)致梁柱連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)過(guò)于繁雜且連接時(shí)采用過(guò)多的配件，導(dǎo)致后期拆除時(shí)需要花費(fèi)較多的時(shí)間，不利于提高工作效率。

綜上，裝配式建筑結(jié)構(gòu)形式的推廣還要依托構(gòu)件節(jié)點(diǎn)連接方式的不斷創(chuàng)新。