嵇廣宇，李雪晨，樊 煜，鄭宇涵，王潤(rùn)民，常育豪

（1.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098）

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，裝配式建筑結(jié)構(gòu)因其便捷性、高效性與環(huán)保性在全世界得到大力推廣。在中國(guó)，裝配式建筑規(guī)劃自2015年以來(lái)密集出臺(tái)。2015年末發(fā)布《工業(yè)化建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，決定于2016年在全國(guó)全面推廣裝配式建筑。國(guó)務(wù)院總理李克強(qiáng)于2016-09-14主持召開(kāi)國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議，決定大力發(fā)展裝配式建筑，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級(jí)，裝配式建筑作為新時(shí)代社會(huì)土木工程建設(shè)的發(fā)展重點(diǎn)受到了空前的關(guān)注。由于中國(guó)受地震影響的面積廣，且國(guó)內(nèi)目前所使用的傳統(tǒng)裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的連接方法存在弊端，使得裝配式建筑的結(jié)構(gòu)性能參差不齊，抗震性能有著重大缺陷。為了提升裝配式建筑的整體性、抗震性，本文引入國(guó)外最新的slotted beam技術(shù)，通過(guò)新型開(kāi)槽梁的結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)，改善裝配式建筑結(jié)構(gòu)普遍存在的整體性、結(jié)構(gòu)性與抗震性的問(wèn)題，對(duì)當(dāng)前全面發(fā)展普及裝配式建筑、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)有著非凡的意義。

1 國(guó)內(nèi)外裝配式節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)發(fā)展概況

裝配式結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)可以大致分為預(yù)應(yīng)力拼接節(jié)點(diǎn)、后澆整體式連接節(jié)點(diǎn)、螺栓連接節(jié)點(diǎn)和焊接節(jié)點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于“裝配式建筑節(jié)點(diǎn)連接問(wèn)題”的研究還未達(dá)到詳盡的程度，經(jīng)總結(jié)，存在以下幾點(diǎn)不足。

該技術(shù)的研究仍未成熟，缺乏完善的設(shè)計(jì)理論、裝配式節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)規(guī)范的制訂沒(méi)有數(shù)據(jù)支撐。且對(duì)于各參數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力、位移的定量分析不足，對(duì)節(jié)點(diǎn)初始剛度計(jì)算模型和節(jié)點(diǎn)各構(gòu)件的屈服時(shí)序缺少更深入的研究。

各已有的裝配式梁柱連接節(jié)點(diǎn)的形式均存在一定的缺陷。以下將對(duì)幾種較常見(jiàn)的連接節(jié)點(diǎn)形式的缺陷作出說(shuō)明：①傳統(tǒng)的梁柱剛性連接節(jié)點(diǎn)。形式一般為栓焊混合連接、全焊接、全栓接。而前兩種連接形式由于受到環(huán)境和工人施工水平等因素的影響，焊接質(zhì)量難以穩(wěn)定控制，給節(jié)點(diǎn)連接受力性能埋下安全隱患；第三種費(fèi)工費(fèi)料，工程中鮮有采用。且這些連接裝配化程度不高，無(wú)法滿足真正意義上的裝配建筑的要求。②套筒式裝配式梁柱連接節(jié)點(diǎn)[1]。該連接形式是一種半剛性連接形式，結(jié)構(gòu)在地震作用下底部剪力明顯減小，動(dòng)力響應(yīng)與剛性節(jié)點(diǎn)相比存在很大差異。③內(nèi)套筒裝配式梁柱連接節(jié)點(diǎn)[2]。對(duì)于該種節(jié)點(diǎn)，當(dāng)內(nèi)套筒厚度取值過(guò)大時(shí)，節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能提升不顯著；內(nèi)套筒長(zhǎng)度增加，對(duì)拉螺栓對(duì)T形件約束能力減弱，T形件翼緣彎曲變形增加，節(jié)點(diǎn)的抗彎承載力降低。④裝配式外套筒-外伸端板組件梁與柱連接節(jié)點(diǎn)[3]。該形式由于柱與外伸端板采用對(duì)拉螺栓連接，滯回曲線在位移加載控制初期會(huì)出現(xiàn)一段滑移。

對(duì)節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)的應(yīng)用范圍的研究不夠全面，具體表現(xiàn)為：①目前對(duì)于裝配式節(jié)點(diǎn)的研究多為常溫狀態(tài)的研究，對(duì)于火災(zāi)或高溫作用下的節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的損傷時(shí)序研究較少[4]；②對(duì)螺栓與螺栓孔及板件之間因節(jié)點(diǎn)發(fā)生變形、接觸發(fā)生變化時(shí)的應(yīng)力重分布缺少進(jìn)一步研究；③對(duì)節(jié)點(diǎn)在地震、風(fēng)荷載作用下的抗側(cè)力性能缺少完備的研究，應(yīng)結(jié)合減、隔震技術(shù)，對(duì)雙向地震作用下的框架抗倒塌性能做進(jìn)一步的研究；④應(yīng)將對(duì)裝配式梁柱連接節(jié)點(diǎn)的研究擴(kuò)展到新材料、新工藝的應(yīng)用上，提高結(jié)構(gòu)震后的可修復(fù)性，采取一些易于維修加固的構(gòu)造措施等。由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)的裝配式結(jié)構(gòu)連接方式在實(shí)際應(yīng)用中均存在不足，無(wú)法滿足當(dāng)前對(duì)建筑安全性能和結(jié)構(gòu)性能的更高要求。一個(gè)新型的、完善的裝配式建筑節(jié)點(diǎn)連接方式的應(yīng)用前景是廣闊的。

采用國(guó)外最新的slotted beam技術(shù)，通過(guò)新型開(kāi)槽梁的結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)，改善裝配式建筑結(jié)構(gòu)普遍存在的整體性結(jié)構(gòu)性抗震性問(wèn)題，對(duì)當(dāng)前全面發(fā)展普及裝配式建筑，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)有著非凡的意義。

2 新型裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)

2.1 低破壞性

與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土梁相比，在相同的位移水平下，開(kāi)槽梁在連接處和樓板處的開(kāi)裂和損壞要少得多。

2.2 可忽略不計(jì)梁伸長(zhǎng)

這意味著對(duì)相鄰樓板的損壞顯著減少，并且減少了樓板對(duì)梁彎曲超強(qiáng)的貢獻(xiàn)。這也允許減少地板單元的座位寬度。

2.3 較小的柱彎矩要求

因?yàn)榕c傳統(tǒng)鋼筋混凝土梁相比，板對(duì)梁超強(qiáng)彎矩的貢獻(xiàn)要小得多，所以在帶槽梁的框架中，柱彎矩要求較小。

2.4 更低的殘余變形

由于更大的阻尼和更大的屈服后剛度，帶槽梁的框架表現(xiàn)出更小的殘余變形。

2.5 建造方法與傳統(tǒng)方式相同

由于開(kāi)槽梁與傳統(tǒng)鋼筋混凝土梁非常相似，因此可以使用新西蘭常用的相同預(yù)制仿真方法建造。這使得開(kāi)槽梁成為傳統(tǒng)鋼筋混凝土梁的實(shí)用替代品。

鋼筋混凝土開(kāi)槽梁能夠提高地震作用下鋼筋混凝土框架的性能和安全性。開(kāi)槽梁可以顯著減少對(duì)建筑物框架和地板的損壞，同時(shí)保持當(dāng)前的建造成本。

3 新型裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)缺點(diǎn)

3.1 更大的柱深需求

由于開(kāi)槽梁的黏結(jié)條件更為苛刻，因此需要更大的柱深來(lái)為底部梁縱向鋼筋提供足夠的黏結(jié)。

3.2 低周疲勞

由于底部縱向鋼筋的塑性應(yīng)變累積比常規(guī)鋼筋混凝土梁大兩三倍，開(kāi)槽梁更容易發(fā)生低周疲勞破壞。

3.3 較大的頂部縱向鋼筋需求

為了限制混凝土頂部鉸鏈的伸長(zhǎng)和開(kāi)裂，需要較大的頂部縱向鋼筋。

3.4 更多的梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋需求

由于連接到梁柱節(jié)點(diǎn)的開(kāi)槽梁底部沒(méi)有混凝土壓力，需要額外的水平節(jié)點(diǎn)箍筋來(lái)支撐節(jié)點(diǎn)中的對(duì)角混凝土支撐機(jī)構(gòu)[5]。因此，盡管需要一些改變來(lái)解決與開(kāi)槽鋼筋混凝土梁相關(guān)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，但考慮到在低損傷和可忽略的梁伸長(zhǎng)方面的諸多好處，這一概念無(wú)疑是傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的可行替代物。

4 新型裝配式混凝土梁柱結(jié)點(diǎn)進(jìn)一步研究

4.1 研究目標(biāo)

研究目標(biāo)具體如下：①借鑒新西蘭的預(yù)制裝配式開(kāi)槽梁的施工理念，構(gòu)建開(kāi)槽梁物理模型進(jìn)行試驗(yàn)；②利用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行Standard數(shù)值計(jì)算，進(jìn)行荷載承載能力分析，從而得以模擬裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)梁端的位移荷載加載試驗(yàn)，并確定裝配式混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)整體性和抗震性的影響因素分析；③綜合研究成果設(shè)計(jì)一套符合中國(guó)規(guī)范的新型裝配式開(kāi)槽梁設(shè)計(jì)方案。

4.2 承載能力分析

承載能力分析具體如下。

對(duì)新型裝配式連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)以考察其受力特性。

利用有限元軟件ABAQUS建立數(shù)值分析模型并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比。模型上側(cè)邊界面施加固定約束，下側(cè)邊界面耦合在參考點(diǎn)上，于參考點(diǎn)上施加滑動(dòng)約束，約束其X、Y向的位移和轉(zhuǎn)角以及Z向的轉(zhuǎn)角，并在耦合點(diǎn)處施加沿連接件Z向的荷載，以實(shí)現(xiàn)對(duì)連接件的均勻加載。荷載的施加分兩步完成：第一步對(duì)預(yù)緊單元施加1 kN預(yù)緊力，第二步加荷載。加載方法與試驗(yàn)加載方法保持一致。

結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的剛度會(huì)出現(xiàn)退化的現(xiàn)象，剛度退化實(shí)質(zhì)是反映了結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下的累計(jì)損傷，是結(jié)構(gòu)抗震性能分析的一個(gè)重要指標(biāo)。

通過(guò)節(jié)點(diǎn)的骨架曲線能夠了解到構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、延性、耗能及抗倒塌能力等，能夠定性地比較和衡量構(gòu)件的抗震性能。

試件的荷載位移曲線反映了試件在往復(fù)荷載作用下荷載和位移的關(guān)系，由于鋼筋混凝土的彈塑性性質(zhì)，當(dāng)加載的荷載進(jìn)入彈塑性階段后，在卸載時(shí)試件會(huì)產(chǎn)生殘余變形，即荷為零而試件位移不為零，此類現(xiàn)象稱為位移滯后荷載現(xiàn)象，當(dāng)荷載經(jīng)過(guò)正負(fù)循環(huán)后，即會(huì)形成一個(gè)荷載位移滯回環(huán)。典型的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件滯回環(huán)形狀一般有四種：梭形滯回環(huán)說(shuō)明滯回曲線的形狀非常飽滿，整個(gè)結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件塑形變形能力很強(qiáng)，具有較高的耗能能力；弓形滯回環(huán)反映了試件具有“捏縮”效應(yīng)，說(shuō)明試件受到了一定的鋼筋滑移影響，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的塑形變形能力較梭形滯回環(huán)弱，但仍具有較好的耗能能力；反S形滯回環(huán)反映了構(gòu)件或結(jié)構(gòu)受到了較大的鋼筋黏結(jié)滑移的影響，此類試件吸收地震能量較差；Z形滯回環(huán)表明試件在反復(fù)荷載作用下，鋼筋黏結(jié)滑移較嚴(yán)重，在荷載加載過(guò)程中甚至出現(xiàn)一段較長(zhǎng)的“零剛度”段，此類試件的抗震性能最差。將所有的滯回環(huán)連起來(lái)，即得到荷載位移滯回曲線，它是研究構(gòu)件抗震性能的一個(gè)重要載體，也是進(jìn)一步研究構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、延性、耗能等抗震指標(biāo)的基礎(chǔ)。

4.3 創(chuàng)新特色

基于新西蘭開(kāi)槽梁新技術(shù)的現(xiàn)有理論、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及工程實(shí)例，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出適用于中國(guó)地質(zhì)條件，符合中國(guó)建筑施工規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的新型裝配式結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的連接方式，該成果可彌補(bǔ)現(xiàn)有裝配式結(jié)構(gòu)整體性不足、抗震性能差的缺陷，在地震中減少對(duì)建筑物框架和地板的損壞，同時(shí)保持當(dāng)前的建造成本。

針對(duì)現(xiàn)行裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和施工的不完善之處，結(jié)合開(kāi)槽梁理論以及預(yù)制模擬的施工方法進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)，該成果可以對(duì)現(xiàn)行的普遍方法進(jìn)行補(bǔ)充發(fā)展，整體提高節(jié)點(diǎn)連接施工技藝，對(duì)促進(jìn)裝配式建筑在國(guó)內(nèi)的普及有著重要的價(jià)值。

利用ABAQUS有限元分析法，構(gòu)建開(kāi)槽梁在裝配式建筑結(jié)構(gòu)中的受力性能分析模型，該成果能夠填補(bǔ)國(guó)內(nèi)當(dāng)前新型梁柱節(jié)點(diǎn)連接方式的空白，得到可運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)施工中的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

本論文的研究旨在討論一種簡(jiǎn)單的無(wú)撕裂樓板框架連接，可作為傳統(tǒng)鋼筋混凝土設(shè)計(jì)的替代品，而開(kāi)槽鋼筋混凝土梁是一種可能的解決方案。它由一個(gè)傳統(tǒng)的鋼筋混凝土梁組成，在柱表面有一個(gè)狹窄的垂直槽，大約延伸到梁深度的3/4。槽的存在允許地震圍繞剩余混凝土的“頂部鉸鏈”發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而通過(guò)縫隙的打開(kāi)和關(guān)閉來(lái)適應(yīng)變形。這能把傳統(tǒng)鋼筋混凝土梁中出現(xiàn)的梁伸長(zhǎng)量降至最低，并將變形集中在遠(yuǎn)離樓板的位置，從而將對(duì)相鄰樓板的損壞降至最低。