裝配式框架結構梁柱節點優化設計及抗震性能研究

劉曉光

九易莊宸科技（集團）股份有限公司，河北 石家莊 050000

近年來建筑行業所帶來的經濟收入，占國民經濟收入比重的10%以上。建筑行業不僅對我國國民經濟作出了重要貢獻，也提高了我國就業率，逐漸成為我國的支柱性產業。但在我國社會發展過程中，建筑行業存在的矛盾問題也越來越突出，傳統的粗放型施工建筑模式已經不適應當前的發展需求，因此全國各地都開始大力推進建筑工業化以及住宅產業化發展。裝配式框架結構施工技術即在工業產業化發展過程中提出的建筑施工技術及理念。

1 裝配式建筑的特點

首先，能夠實現預制構件的工業化生產。工業化生產最主要的特點是使勞動效率得到極大程度的提高，因為在工廠內部進行預制構件生產的環境比較穩定，而且構件標準化生產可以實現機械化作業。在工廠生產過程中，可以對預制構件產品開展嚴格的檢驗，使產品質量得到保障，進而保障最終的建筑結構質量。

其次，能夠大幅提高施工作業效率，極具便捷性。因為在工廠內所生產的預制構件在生產結束后可以直接運輸到施工現場，通過吊車等相關機械設備對預制構件進行拼接以及安裝，所以顯著減少了模板和支撐的使用量，可以縮短整個施工作業周期。同時，裝配式施工可以大量取代傳統施工作業的現場濕作業，既能夠縮短工程周期，又能夠改善工人施工的勞動條件。

最后，能夠帶來顯著的經濟效益。在實際施工過程中，預制混凝土結構的施工周期短，因此對于工程項目建設方來講，其投資回收速度更快。因為減少了施工現場現澆結構的拆模時間以及混凝土的養護時間，所以施工速度更快，從成本控制的角度來看，減少了施工過程中的整體成本投入，可以在一定程度上保障施工企業的經濟效益。

2 ECC材料的應用現狀

2.1 在高層建筑抗震中的應用

ECC是一種具有超高韌性和耗能性能的纖維增強水泥基復合材料，在反復的荷載作用下鋼筋增強ECC構件具有良好的耗能能力。在高層建筑施工過程中應用基于ECC材料的混凝土，可以使建筑物本身的抗震性能得到顯著提升。以日本橫濱的某41層高層建筑為例，在該建筑施工過程中，核心筒使用了預制的鋼筋增強ECC連梁，在地震的作用下，連梁本身的變形會將地震所帶來的能量大量消耗掉，從而降低地震對建筑物結構主要構件的破壞程度。因此，在建筑施工過程中，采用鋼筋增強ECC連梁，在遭遇地震后，可以減少其修復費用和時間，具有良好的經濟效益。

2.2 在橋梁結構工程中的應用

橋梁的伸縮縫會由于損壞、滲漏，使水和其他侵蝕性物質從伸縮縫位置滲透到橋面板的下部，從而導致橋梁結構受到嚴重侵蝕。橋梁伸縮縫施工現場如圖1所示。在美國的一些橋梁工程中，會依靠橋面板連接板技術代替伸縮縫防止滲漏，從而使溫度變形得到控制，但在實際應用過程中具有一定的限制，因此可采用ECC連接板代替混凝土連接板。因為ECC材料本身具有較高的極限拉應變和細密裂縫開展機制，所以在以ECC材料為基礎的連接板中，不需要增加其他的鋼筋對裂縫寬度進行限制。

圖1 橋梁伸縮縫施工現場

2.3 在結構修復及加固中的應用

ECC材料在結構加固及修復中的應用主要是針對一些工程表面出現的受損和破壞處。例如，大壩表面嚴重受損時，噴射以ECC材料為主的保護層能夠起到良好的修復效果。以ECC材料作為修復以及加固工程中的主材料，可以起到良好的修復及加固效果，因此該材料的應用前景廣闊。

3 以ECC材料為基礎的裝配式框架結構梁柱節點優化設計

3.1 裝配方案設計

（1）第1種裝配方案。首先，將預制柱安放在設計位置并固定。在固定結束后，需要將預制的疊合梁通過吊車等設備吊裝至預制柱的邊緣位置，然后對兩者進行固定，需注意的是應當保證定位準確后才可以進行固定。在定位固定結束后，需要在預制疊合梁和柱的連接端部位置開槽，同時保證預制疊合梁底部的縱向鋼筋在槽內彎起。其次，設置兩端帶彎鉤的連接鋼筋。通過連接鋼筋使預制疊合梁的兩端在節點區域內進行連接，再根據設計工作要求對節點內的箍筋和疊合梁上部的縱向鋼筋進行布置。最后，澆筑混凝土。在澆筑過程中，主要針對節點后澆區以及梁槽內和上部疊合部分，所使用的澆筑材料主要為高一等級的混凝土或者是ECC后澆。當澆筑作業結束后，需要吊裝上一層柱子，預制柱需要使用灌漿套筒進行連接。預制柱現場圖如圖2所示。

圖2 預制柱現場

（2）第2種裝配方案。第2種裝配方案與第1種裝配方案的主要區別在于梁柱節點區域在工廠和預制柱一起加工，從而縮短整個工期。因為節點區域以及柱身都在工廠預制加工，所以可以在工廠施工過程中使用ECC材料代替傳統的普通混凝土材料。

3.2 方案優化設計

上述裝配方案還需要進行進一步優化設計，主要是對連接區域的長度等進行科學確定。通過試驗進行優化設計將消耗大量的時間以及人力、物力成本等，因此采用有限元模擬分析方法對所提裝配方案進行優化。

在有限元分析過程中，采用ATENA有限元軟件進行數值模擬。該軟件是當前土木工程領域應用比較普遍的一種非線性有限元分析軟件，應用的主要目的是對鋼筋混凝土的結構力學性能進行分析，可以在混凝土裂紋破壞和混凝土鋼筋屈服等方面發揮顯著作用。

首先，確定材料本構關系。混凝土材料本構關系需要使用上述有限元軟件中的斷裂彈塑性本構模型進行確定。其次，基于上述有限元分析軟件建立有限元模型。再次，對鋼筋搭接長度參數開展分析。因為鋼筋搭接長度會影響后續的各項試驗，所以需要確定合理的鋼筋搭接長度。最后，對鋼筋黏結強度參數進行分析。由于在第2種裝配方案中節點區域的限制較大，為了保證鋼筋可以穿越節點，需要在節點區域預留孔洞，便于鋼筋進行穿孔和連接。但是，在預留孔洞后，由于基體和鋼筋之間本身沒有黏結性，就需要通過灌漿使基體與鋼筋之間產生黏結性。

4 結束語

綜上所述，文章提出了兩種不同的梁柱節點裝配方案，在經過有限元分析后，證明第2種裝配方案具有一定的可行性，能夠有效發揮ECC材料的優勢，使裝配式框架結構的梁柱節點得到全方位的優化，提高裝配式框架結構的使用性能以及抗震性能，全面提高建筑工程項目的施工質量。