吳澤民 董劍玲 孟文萱 陳艷

江蘇大學(xué)京江學(xué)院 江蘇 鎮(zhèn)江 212000

1 裝配式建筑中柱節(jié)點(diǎn)的連接形式研究現(xiàn)狀

裝配式建筑因?yàn)榧庸さ倪^程基本是在建筑工業(yè)化視域下進(jìn)行的，所以建筑材料的利用率也得到了最大化，有效抑制了建造垃圾的產(chǎn)生，很大程度上提高了資源利用率[1]。預(yù)制施工也是我國綠色建筑的發(fā)展方向之一。其施工速度快、能耗低的特點(diǎn)能夠促進(jìn)裝配式建筑的快速發(fā)展。對比國內(nèi)外預(yù)制構(gòu)件的發(fā)展情況。通過文獻(xiàn)查閱和問卷調(diào)查，確定了制約裝配式建筑發(fā)展的五個(gè)主要因素。之后，以政府和市場為主體，從需求、技術(shù)、成本等方面提出促進(jìn)裝配式建筑發(fā)展的對策。

施工第一次作業(yè)現(xiàn)場的濕作業(yè)量減少，降低了灰塵和噪聲的影響，不太受到天氣因素的干擾，很大程度提升了建筑行業(yè)的建設(shè)效率，減短了建設(shè)的周期，大幅度降低了建設(shè)的生產(chǎn)所需的成本，同時(shí)還能夠履行節(jié)能減排和綠色環(huán)保的建筑理念[2]。

我國目前對建筑的需求量較大，因此為了能夠改良傳統(tǒng)建筑的建造方式和建筑質(zhì)量，我國無數(shù)學(xué)者對預(yù)制結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系列性研究。2004-2005年，范力等研究了梁柱節(jié)點(diǎn)處采用螺栓和橡膠墊連接的單層3跨混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能和破壞形式[3]。2010年，韓建強(qiáng)等對現(xiàn)澆框架以及預(yù)應(yīng)力組裝框架進(jìn)行了模擬靜力試驗(yàn)研究[4]。2018年，胡小強(qiáng)在混合連接梁柱節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了根據(jù)分階段屈服裝配式混合連接框架節(jié)點(diǎn)，并運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析了節(jié)點(diǎn)區(qū)域的整體受力性能[5]。裝配式建筑中柱節(jié)點(diǎn)的連接形式是設(shè)計(jì)和施工的重點(diǎn)探究的對象，它的最主要結(jié)構(gòu)是承受建筑物中的荷載以及傳遞荷載，但是柱的端部是建筑結(jié)構(gòu)主要負(fù)重點(diǎn)和比較輕易遭到地震等自然災(zāi)害損壞的脆弱點(diǎn)。柱端分別有水平方向的梁柱連接點(diǎn)和垂直方向的柱柱連接點(diǎn)[6]。

由于我國裝配式建筑持續(xù)推進(jìn)，隨之而來的裝配式水泥建筑工程的大量實(shí)踐過程和建造過程當(dāng)中的問題就顯露出來，如現(xiàn)裝配式混凝土關(guān)于節(jié)點(diǎn)連接、預(yù)埋吊裝等專業(yè)技術(shù)不成熟等，其中，裝配式混凝土及其節(jié)點(diǎn)研究最為關(guān)鍵，預(yù)制柱之間的連接往往關(guān)系到整體結(jié)構(gòu)的抗震性能和結(jié)構(gòu)抗倒塌能力，是框架結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的最后一道防線。

2 一種新型裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)形式的設(shè)計(jì)和制作

本研究設(shè)計(jì)了一種新型裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)形式，包括梁柱節(jié)點(diǎn)連接以及梁柱節(jié)點(diǎn)連接。采用干連接方式，保留了節(jié)點(diǎn)剛度，并解決了以往施工中的難題以及鋼構(gòu)件防腐防火的問題。

2.1 設(shè)計(jì)理念

新型裝配式梁柱、柱柱連接節(jié)點(diǎn)本節(jié)點(diǎn)結(jié)合傳統(tǒng)木質(zhì)建筑榫卯節(jié)點(diǎn)的建筑設(shè)計(jì)理念，采用傳統(tǒng)榫卯連接方式已達(dá)到吊裝簡單且強(qiáng)度與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)近似的目的。

相似理論采取的方法是對日常生活中以及自然界中類似的物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和本質(zhì)進(jìn)行模擬研究，它相比較于其他理論最大的亮點(diǎn)就是模擬和仿真，采用對一些自然現(xiàn)象的本質(zhì)觀察，總結(jié)出其實(shí)際理論框架，然后進(jìn)行模擬、對比，并且應(yīng)用到我們實(shí)際生產(chǎn)生活需要的各方面領(lǐng)域。在當(dāng)代的機(jī)械工程領(lǐng)域當(dāng)中，相似理論被大量應(yīng)用于指導(dǎo)工程的方方面面進(jìn)程的模擬，并對其進(jìn)行進(jìn)一步深入探索，以此來確定所需要采用的策略并且解決問題。

相似量的表達(dá)可以分為幾何相似、載荷相似、時(shí)間相似、質(zhì)量相似、邊界條件相似以及初始條件相似。相似原理由5個(gè)不同的性質(zhì)定理、5個(gè)推論、1個(gè)判定定理組成。在實(shí)際的工程中，各個(gè)定理互相配合使用。

從形式上看，相似準(zhǔn)則是一個(gè)單項(xiàng)式的等式，即若現(xiàn)象相似，那么現(xiàn)象的邊界單值條件就可以采用相應(yīng)的原則，來組成一組沒有量綱的因式，而依據(jù)因式與因式之間的等量關(guān)系則可以構(gòu)成一個(gè)無量綱的等式 ，每一個(gè)無量綱的等式都能夠反映系統(tǒng)不同側(cè)面的特征。這種無量綱的等式稱為相似準(zhǔn)則，這種無量綱因式的值π稱為相似準(zhǔn)數(shù)。相似準(zhǔn)則是由理論推導(dǎo)而來，相似準(zhǔn)數(shù)是通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理得到的。從這個(gè)意義上講，試驗(yàn)研究的最終方向就是求出相似準(zhǔn)則的具體數(shù)值，即相似準(zhǔn)數(shù)。

例如，影響榫卯結(jié)構(gòu)主要因素是梁與梁之間的抗彎剛度，長度以及作用在跨中的集中力。他們的量綱分別是：

Wmax=【L】，EI1+EI2=【FL2】，c=【L】，l=【L】，P=【F】

能夠描述該問題的數(shù)學(xué)函數(shù)應(yīng)為：

Wmax=F′（EI1+EI2，c，l，P）

截面應(yīng)力問題的主要物理量有n=5個(gè)，基本量綱為k=2。所以無量綱組合πi′（i=1，2，...）的數(shù)為3個(gè)。

π1′=Wmax/lπ2′= Pl2/（EI1+EI2）π3′= l/c

2.1.1 設(shè)計(jì)尺寸。

表1 構(gòu)件的理論尺寸

2.1.2 實(shí)際尺寸。

表2 構(gòu)件的實(shí)際尺寸

柱縱向受力鋼筋采用4根直徑4mm，箍筋采用直徑2mm間距50。

裝配式梁上下兩側(cè)鋼筋采用2根直徑4mm，箍筋采用直徑2mm間距50。

鋼筋型號為HPB300。混凝采用C35強(qiáng)度等級。

節(jié)點(diǎn)分為垂直方向柱柱連接部位和水平方向梁柱連接部位。

本節(jié)點(diǎn)采用干連接方式，節(jié)點(diǎn)的預(yù)制構(gòu)件主要分為預(yù)制柱和預(yù)制梁，梁端設(shè)計(jì)用古代木質(zhì)建筑榫牟節(jié)點(diǎn)中的燕尾榫模式與柱端連接，因?yàn)檠辔查臼且活愰绢^根部窄、端部寬，形似燕尾的榫卯連接。至于柱柱連接，主要是通過左右梁進(jìn)行連接使其上下為一體，且由自身重力加以固定，如圖1所示。

圖1 裝配式建模和澆筑樣品

圖2 現(xiàn)澆式節(jié)點(diǎn)建模和澆筑樣品

2.2 梁柱節(jié)點(diǎn)BIM模型可視化

如圖1所示，裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)模型的外形采用CAD圖形制作，主要包括柱模型和梁模型的輪廓。柱、梁模型采用Revit中的柱和梁模型，鋼筋主要通過放樣產(chǎn)生：繪制鋼筋截面尺寸后，輸入長度繪制路徑，將其傳遞到項(xiàng)目中的鋼筋族中，并根據(jù)要求調(diào)整鋼筋間距。本項(xiàng)目通過BIM建模平臺(tái)，建立了一批常用的裝配式建筑構(gòu)件節(jié)點(diǎn)模型，并利用三維模型對二維節(jié)點(diǎn)進(jìn)行可視化表示，從而提高對新型裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)的簡單理解，有利于節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)裝配的順利開展，提高工作效率。

3 點(diǎn)加載與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 試件加載示意圖

圖3為試件的加載裝置與U型反力架位置示意圖，節(jié)點(diǎn)的上柱不施加壓力，只在U型槽上端施加壓力進(jìn)而將壓力傳遞之梁上。

圖3 加載裝置示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果

因?yàn)樽龅氖茄b配式的和現(xiàn)澆式的，我們一共用了兩次進(jìn)行混凝土的澆筑。兩次澆筑時(shí)，我們都需要另外澆2個(gè)尺寸為150×150×150mm的立方體試塊，所有的試塊和構(gòu)件所用材料均相同，配比也相同，全都養(yǎng)護(hù)28d?；炷猎囼?yàn)在江蘇大學(xué)京江學(xué)院結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)抗剪試驗(yàn)和現(xiàn)澆式梁柱節(jié)點(diǎn)抗剪試驗(yàn)。一共有4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試塊和4個(gè)節(jié)點(diǎn)試塊。準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，需要使萬能試驗(yàn)機(jī)的底板是保持干凈的，試塊放上去之后承壓板和試塊的中心要在一條軸線上。正式加載時(shí)，應(yīng)緩慢地?cái)Q開送油閥，使得加載的速度盡量保持不變，到試件破壞后就停止。

試驗(yàn)后所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)取這兩組標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度的平均值當(dāng)作試件的實(shí)際抗壓強(qiáng)度，立方體構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的破壞狀態(tài)如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)裂紋現(xiàn)象

最終試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從表3中可以得出澆筑的混凝土強(qiáng)度達(dá)到了預(yù)設(shè)的C35混凝土的強(qiáng)度。

現(xiàn)澆式混凝土節(jié)點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度高于裝配式混凝土節(jié)點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度0.337MPa，整體的抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中不難看出，采用榫卯結(jié)構(gòu)的裝配式零件的抗剪強(qiáng)度與整體現(xiàn)澆式構(gòu)件的抗剪強(qiáng)度基本持平。

本試驗(yàn)由于時(shí)間和條件的限制，做的實(shí)驗(yàn)組數(shù)較少，還需通過大量試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證能否應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中，若驗(yàn)證一致，可用裝配式結(jié)構(gòu)部分代替建筑中的現(xiàn)澆筑結(jié)構(gòu)，提高整體房屋建筑的效率，同時(shí)節(jié)約資源。

5 結(jié)束語

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的新型裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)與國內(nèi)外其他形式的梁柱節(jié)點(diǎn)相比，具有以下特點(diǎn)：

與干式或者濕式裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)相比，本新型裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)采用干連接方式，減少了現(xiàn)場澆筑等施工作業(yè)，與其他裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)連接相比更加簡易方便。也等同了現(xiàn)澆混凝 土節(jié)點(diǎn)的剛度，還提高了安裝工作效率，降低了成本。

這種新型裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)，可顯著降低現(xiàn)場模板和鋼筋安裝的工作量，有利于降低人工成本。構(gòu)件的預(yù)制和吊裝，依托BIM技術(shù)和自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

本新型裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)的施工過程相對于其他裝配式節(jié)點(diǎn)來說較為方便，也對預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量更容易把控，吊裝施工也更安全，整體作業(yè)效率也更高。其他力學(xué)性能還有待研究，具有良好的應(yīng)用和推廣前景。

節(jié)約了建造的成本并且縮短了建造的工期，有利于減少建筑工程的拆除和改造工作對建筑材料的不必要浪費(fèi)，同時(shí)也節(jié)省了二次設(shè)計(jì)的時(shí)間和費(fèi)用。

更加適應(yīng)社會(huì)的發(fā)展趨勢，把古人智慧和現(xiàn)代科技相結(jié)合，有利于中國傳統(tǒng)工藝的發(fā)揚(yáng)與傳承。