李家豪 程從密 黃澤 楊國明 黃奕斌 王黎

（1 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院)

(2 華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司)

(3 廣州番禺橋興建設(shè)安裝工程有限公司）

0 引言

建筑業(yè)作為我國的支柱產(chǎn)業(yè)，給我國帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，但與此同時(shí)，建筑業(yè)的快速發(fā)展也對(duì)環(huán)境造成了負(fù)面的影響。我國建筑能耗報(bào)告表明：2018 年，我國建筑全過程碳排放量約占全國碳排放量的51.3%[1]。在我國碳中和目標(biāo)下，高耗能、高污染的傳統(tǒng)建筑施工方式不再適用于建筑業(yè)，而由預(yù)制混凝土構(gòu)件通過可靠的連接方式組成的裝配式建筑[2]，因其在節(jié)能減排、工程質(zhì)量、施工周期以及經(jīng)濟(jì)效益等方面具備顯著優(yōu)勢(shì)，因此在建筑行業(yè)中廣受關(guān)注[3]。

自黨的十八大以來，國家明確提出“走新型工業(yè)化道路”，高度重視建筑產(chǎn)業(yè)化工作，陸續(xù)出臺(tái)了一系列重要政策和指導(dǎo)方針?！笆濉逼陂g，住建部提出2018 年至2020 年，全國裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到15%以上[4]。“十四五”之后在國家政策指導(dǎo)和各級(jí)地方政府積極引導(dǎo)下，全國各省及城市因地制宜地探索裝配式建筑發(fā)展政策，并發(fā)布以及更新標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范來鼓勵(lì)裝配式的發(fā)展，有力推動(dòng)了裝配式項(xiàng)目的實(shí)施[5]。

裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)是目前國內(nèi)外研究和應(yīng)用最多的裝配式結(jié)構(gòu)體系之一[6]。在裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)中，連接節(jié)點(diǎn)是影響結(jié)構(gòu)受力性能和施工建造方式的重要因素。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)通過節(jié)點(diǎn)來連接預(yù)制構(gòu)件，并通過節(jié)點(diǎn)傳遞預(yù)制構(gòu)件的軸力、剪力以及彎矩[7]。因此為了滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件”的設(shè)計(jì)理念，以及保證框架結(jié)構(gòu)的整體性和安全性，需要對(duì)預(yù)制構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

目前國內(nèi)外關(guān)于裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的研究多針對(duì)于梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究，而對(duì)于主次梁節(jié)點(diǎn)的研究則相對(duì)較少。主次梁連接節(jié)點(diǎn)作為裝配式建筑結(jié)構(gòu)重要的組成部分，在豎向荷載傳遞方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，因此有必要對(duì)主次梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究分析，推動(dòng)裝配式預(yù)制主次梁節(jié)點(diǎn)的發(fā)展以及應(yīng)用。

預(yù)制主次梁節(jié)點(diǎn)連接形式主要可分為混凝土后澆段連接和企口擱置式連接[8]，其中混凝土后澆段連接因其技術(shù)和理論相對(duì)成熟，在我國實(shí)際工程中應(yīng)用較廣。

目前已有學(xué)者[9～11]結(jié)合工程實(shí)際項(xiàng)目匯總了目前預(yù)制主次梁節(jié)點(diǎn)常用的連接形式，并主要對(duì)主次梁混凝土后澆段連接方式進(jìn)行了優(yōu)劣分析，但對(duì)于后澆段連接方式的介紹不夠全面，且關(guān)于主次梁企口擱置式連接的研究相對(duì)較少。本文按混凝土后澆段連接和企口擱置式連接對(duì)預(yù)制主次梁連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 節(jié)點(diǎn)混凝土后澆段連接

在裝配式框架結(jié)構(gòu)實(shí)際工程中，預(yù)制主次梁節(jié)點(diǎn)采用混凝土后澆段連接是較常見的做法[9]。混凝土后澆段連接節(jié)點(diǎn)主要可分為主梁預(yù)留槽口后澆連接節(jié)點(diǎn)（圖1）和次梁端部后澆連接節(jié)點(diǎn)（圖2），其中主梁設(shè)置槽口后澆段影響預(yù)制主梁剛度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)際情況往往為主次梁高差較小，在預(yù)制主梁上預(yù)留后澆槽口后下部薄壁連接處或混凝土斷開處均容易在界面處應(yīng)力集中，從而存在產(chǎn)生裂縫風(fēng)險(xiǎn)，目前此方向在國內(nèi)外研究相對(duì)較少，以下主要就次梁后澆段連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行探討。次梁采用后澆段連接時(shí)，由于其整體性較好、剛度較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通?？砂磩偨釉O(shè)計(jì)。

次梁后澆段連接方式主要有鋼筋錯(cuò)位搭接連接、機(jī)械套筒連接、水平灌漿套筒連接和鋼構(gòu)件螺栓連接等。

1.1 鋼筋錯(cuò)位搭接連接

國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造》（樓蓋和樓梯）15G310-1[8]（以下簡稱規(guī)范圖集）提供了一種次梁后澆段預(yù)制薄壁的做法（圖3），通過預(yù)制主梁內(nèi)預(yù)埋機(jī)械套筒，施工時(shí)將鋼筋擰入機(jī)械套筒，與次梁預(yù)制薄壁內(nèi)的底筋進(jìn)行直線錯(cuò)位綁扎搭接。主次梁連接節(jié)點(diǎn)處采用后澆段預(yù)制薄壁做法時(shí)，設(shè)計(jì)簡單、施工簡便，且能大量減免模板的使用量，但次梁端部薄壁預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)難度較大，且為滿足鋼筋搭接長度，導(dǎo)致后澆段長度較大，影響了施工現(xiàn)場的效率。

以C30 混凝土和C20 鋼筋為例（以下計(jì)算后澆段長度均以此為例），依據(jù)規(guī)范圖集[8]，次梁不考慮抗震作用，鋼筋綁扎搭接長度ll=ζlla=1.2×35d=840mm（其中ζl為縱向受拉鋼筋搭接長度修正系數(shù)，la為受拉鋼筋錨固長度），同時(shí)考慮鋼筋外伸長度及構(gòu)件垂直安裝空間，后澆段長度lh≥ll+20=860mm。

張季超，李國甫等[12，13]通過單調(diào)靜力加載試驗(yàn)研究了次梁后澆段預(yù)制薄壁的預(yù)制主次梁端節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)澆主次梁端節(jié)點(diǎn)的受力性能，研究結(jié)果表明，預(yù)制主次梁端節(jié)點(diǎn)承載能力和變形能力與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)基本相當(dāng)。

孫琬瑜等[14]將預(yù)制主次梁連接節(jié)點(diǎn)處鋼筋彎折90度類似于L 形底筋，并通過錯(cuò)位綁扎形成一種U 型搭接節(jié)點(diǎn)（圖4），在滿足鋼筋綁扎搭接長度的前提下，大幅降低了后澆段混凝土的長度。

張健等[15]將此類U 型搭接節(jié)點(diǎn)與規(guī)范提供的直線綁扎搭接以及水平灌漿套筒連接進(jìn)行了接頭混凝土后澆段長度的計(jì)算，并采用有限元軟件分析了預(yù)制主次梁節(jié)點(diǎn)處的抗震性能。研究結(jié)果表明，U 型搭接連接節(jié)點(diǎn)后澆段長度可設(shè)為400mm，相較于鋼筋機(jī)械連接和灌漿套筒連接，其后澆段長度大幅降低，同時(shí)其耗能能力不弱于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)，此做法成功應(yīng)用于華南理工大學(xué)廣州國際校區(qū)一期工程中[16]。

印寶權(quán)等[17]采用ABAQUS 模擬該類主次梁節(jié)點(diǎn)，研究了鍵槽設(shè)置深度和鋼筋套筒對(duì)主次梁承載能力的影響，數(shù)值模擬結(jié)果表明，鍵槽設(shè)置深度對(duì)主次梁承載力影響不明顯，而鋼筋套筒對(duì)主次梁承載力影響顯著，減少1 根鋼筋與2 根鋼筋的套筒連接，承載力分別下降14.3%和23.3%。

3.培訓(xùn)目標(biāo)不明，培訓(xùn)內(nèi)容空泛。對(duì)教學(xué)知識(shí)、教學(xué)技能、教學(xué)能力應(yīng)該達(dá)成的具體目標(biāo)沒有規(guī)定，對(duì)教學(xué)知識(shí)、教學(xué)技能、教學(xué)能力的具體內(nèi)容沒有提出明確要求，致使培訓(xùn)過程流于形式，導(dǎo)致新教師得不到實(shí)質(zhì)有效訓(xùn)練［4］。

張金丹等[18]介紹了一種預(yù)制主次梁環(huán)扣鋼筋連接節(jié)點(diǎn)（圖5），其連接特征在于，預(yù)制主次梁均外伸U 型鋼筋形成搭接環(huán)扣區(qū)域，在環(huán)扣區(qū)域四個(gè)角部穿入短插接鋼筋，最終形成一種環(huán)扣鋼筋連接節(jié)點(diǎn)。環(huán)扣鋼筋可加強(qiáng)對(duì)核心區(qū)混凝土的約束，同時(shí)有效傳遞連接所需的拉、壓力，從而提高節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能和保證連接的安全性。

1.2 鋼筋機(jī)械套筒連接

鋼筋機(jī)械套筒連接是指鋼筋與鋼質(zhì)套筒通過咬合作用或承壓作用傳遞鋼筋應(yīng)力的連接方式[17]，主要可分為擠壓套筒連接和螺紋套筒連接。

次梁后澆段采用鋼筋機(jī)械套筒連接形式能有效傳遞鋼筋應(yīng)力，整體性較好，并且混凝土后澆段較短，但對(duì)構(gòu)件制作的精度和連接的準(zhǔn)確度要求較高。

韓文龍等[19]提出了一種新型疊合主次梁連接方式，預(yù)制主次梁的連接鋼筋采用擠壓套筒連接（圖6），后澆段長度設(shè)置為300mm。通過靜力加載試驗(yàn)研究了預(yù)制主次梁端節(jié)點(diǎn)和中間節(jié)點(diǎn)的受力性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，兩組節(jié)點(diǎn)處的承載能力基本相當(dāng)，可采用“拉-壓桿”模型解釋次梁的受力機(jī)理和截面應(yīng)變分布。

1.3 鋼筋水平灌漿套筒連接

鋼筋套筒灌漿連接是指在鋼筋與鋼質(zhì)套筒之間填充高強(qiáng)膨脹砂漿，通過套筒的圍束作用和砂漿的微膨脹特性產(chǎn)生摩擦力，進(jìn)而傳遞鋼筋應(yīng)力的連接方式[20,21]。主要可分為全灌漿套筒連接（圖7）和半灌漿套筒連接（圖8）。

次梁后澆段采用全灌漿套筒連接形式時(shí)，鋼筋傳力效果較好，且施工簡便，但混凝土后澆段較長；次梁后澆段采用半灌漿套筒連接形式時(shí)，施工較復(fù)雜，但能大幅減少混凝土后澆段長度。

曾憲純等[22]針對(duì)預(yù)制主次梁鋼筋灌漿套筒連接造成后澆段較長的問題，采用直型半灌漿套筒組件連接方式（圖8），并與全灌漿套筒連接進(jìn)行了對(duì)比分析。分析結(jié)果表明，采用直型半灌漿套筒可使得后澆段混凝土長度縮短2.5 倍，提高裝配預(yù)制率，同時(shí)鋼筋套筒的成本可下降一半。

1.4 鋼構(gòu)件螺栓連接

馮波等[23]為使預(yù)制主次梁在連接區(qū)域具有較高的抗彎、抗剪能力，達(dá)到等同現(xiàn)澆的目的，提出了一種裝配式預(yù)制主次梁螺栓連接形式（圖9）。該連接節(jié)點(diǎn)在預(yù)制主梁和預(yù)制次梁端部均嵌入不同類型的鋼質(zhì)連接部件，鋼質(zhì)連接部件之間首先通過螺栓連接固定，隨后與后澆混凝土共同作用使得連接區(qū)域具有較高的抗彎承載力和剛度，保證該類節(jié)點(diǎn)性能不低于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)。

Lee 等[24]通過位移反復(fù)加載對(duì)此內(nèi)嵌鋼板連接預(yù)應(yīng)力混凝土梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了純彎曲試驗(yàn)以及剪切試驗(yàn)，研究了足尺試件的承載能力、裂縫的發(fā)展?fàn)顩r以及不同階段下試件位移的恢復(fù)率。研究結(jié)果表明，內(nèi)嵌鋼板在極限荷載狀態(tài)仍具有較好的錨固能力；試件在彈性階段、彈塑性階段、塑性階段位移恢復(fù)率分別為88.34%、86.97%和66.83%。

上述學(xué)者對(duì)預(yù)制主次梁混凝土后澆段連接的連接方式進(jìn)行了多方面的研究，連接節(jié)點(diǎn)通常為剛接，且研究方向大多基于減少后澆段混凝土的長度和方量，不同連接連接方式的后澆段長度見表1，但預(yù)制主次梁采用后澆段連接時(shí)，影響了施工周期和效率，且易引起環(huán)境污染。因此更為健康快速的企口擱置式連接引起了建筑行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注。

表1 次梁后澆段長度

2 企口擱置式連接

主次梁企口擱置式連接是指通過主梁或次梁外伸企口，將主梁作為次梁的支承構(gòu)件，并使用無收縮砂漿填縫的連接方式。主次梁采用企口擱置式連接時(shí)，有利于提高施工效率，降低施工難度，但預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)難度較大，且連接節(jié)點(diǎn)處整體性較差，連接節(jié)點(diǎn)通常按鉸接設(shè)計(jì)。

企口擱置式連接主要可分為混凝土企口連接和鋼企口連接。

2.1 混凝土企口連接

混凝土企口可分為預(yù)制次梁外伸企口（圖10）和預(yù)制主梁外伸企口（圖11）。主次梁采用混凝土企口擱置連接時(shí)，主次梁節(jié)點(diǎn)處受力復(fù)雜，相對(duì)應(yīng)的配筋難度較高。

許勇等[25]針對(duì)上述主梁外伸企口連接節(jié)點(diǎn)（圖11），通過足尺試件單調(diào)靜力加載試驗(yàn)，對(duì)比分析了預(yù)制主次梁與現(xiàn)澆主次梁中間節(jié)點(diǎn)的破壞模式和承載能力。研究結(jié)果表明，預(yù)制主次梁和現(xiàn)澆主次梁節(jié)點(diǎn)的破壞模式均為節(jié)點(diǎn)負(fù)彎矩區(qū)域受彎破壞，但節(jié)點(diǎn)極限承載力略低于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)。張季超等[26]在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了該連接形式的特征位移。研究結(jié)果表明，裝配式預(yù)制主次梁節(jié)點(diǎn)的變形能力略微大于相同配筋的現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)。

2.2 鋼企口連接

《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]（以下簡稱技術(shù)規(guī)程）提供了一種主次梁鋼企口鉸接連接方式（圖12），主梁上開設(shè)槽口，槽口底部預(yù)埋承壓板，次梁端部預(yù)埋栓釘鋼企口，主次梁通過鋼企口擱置，并使用高強(qiáng)填縫材料后澆區(qū)將主次梁連接為整體。雖然該種連接方式對(duì)鋼質(zhì)構(gòu)件的重量和精度要求較高，但主次梁節(jié)點(diǎn)處受力簡單，配筋難度相對(duì)較低，因此不少學(xué)者針對(duì)梁端鋼企口的受力性能和構(gòu)造形式進(jìn)行了研究。

吳智偉等[28]研究了栓釘鋼企口預(yù)制混凝土梁的受力性能，通過靜力加載試驗(yàn)分析了鋼企口最外側(cè)栓釘距邊緣距離和梁端配筋形式對(duì)鋼企口梁端承載力的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)鋼企口梁端承載力隨鋼企口最外側(cè)栓釘邊緣距離增大而減少，同時(shí)梁端箍筋加密可有效提高梁端的承載力。

顏磊等[29]在規(guī)范提供的主次梁鋼企口擱置連接的基礎(chǔ)上，提出了一種雙鋼板企口連接節(jié)點(diǎn)（圖13），即預(yù)制次梁端部預(yù)埋雙塊栓釘鋼板，鋼板之間通過檁條焊接。主次梁采用雙鋼板企口有利于企口的承載力和穩(wěn)固性。同時(shí)，于健等[30]和蔡潔等[31]在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，也提出了兩種不同的新型主次梁節(jié)點(diǎn)連接所用的鋼企口：一種是在栓釘鋼板兩側(cè)增設(shè)垂直布置的加勁板（圖14），用于提高鋼企口的整體穩(wěn)定性，以及次梁節(jié)點(diǎn)的錨固可靠性和節(jié)點(diǎn)連接的整體穩(wěn)定性，增加次梁的抗剪、抗扭性能。另一種是在次梁端部栓釘鋼板后端設(shè)有限位擋板（圖15），通過限位擋板插入主梁槽口預(yù)埋的開口套筒可以實(shí)現(xiàn)連接處的多向限位，從而有效增加了結(jié)構(gòu)的整體水平剛度，保證了結(jié)構(gòu)水平力在各豎向構(gòu)件間的傳遞，提高了節(jié)點(diǎn)的整體性、安全性和抗震性能。上述兩種新型裝配式預(yù)制主次梁鋼企口連接節(jié)點(diǎn)均可有效提高預(yù)制主次梁節(jié)點(diǎn)的整體性和安全性。

3 結(jié)論

⑴裝配式預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)主次梁通過合理的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，其承載能力和變形能力基本上可等同現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)。

⑵主次梁后澆段連接的研究多針對(duì)于減少混凝土后澆段的長度，其中采用機(jī)械套筒連接和半灌漿套筒連接段長度僅為直線搭接的錨固長度的65%，極大地減少施工濕式作業(yè)量，其次為U 型搭接連接。

⑶干式的企口擱置式連接在施工簡便性和綠色環(huán)保方面優(yōu)于濕式的混凝土后澆段連接，同時(shí)為后續(xù)裝配式無支撐設(shè)計(jì)創(chuàng)造更多的連接條件。