装配式混凝土结构预制主次梁连接节点研究综述

2022-11-09李家豪程从密黄泽杨国明黄奕斌王黎

广东建材 2022年10期

关键词：套筒主梁灌浆

李家豪程从密黄泽杨国明黄奕斌王黎

（1 广州大学土木工程学院)

(2 华南理工大学建筑设计研究院有限公司)

(3 广州番禺桥兴建设安装工程有限公司）

0 引言

建筑业作为我国的支柱产业，给我国带来了巨大的经济效益，但与此同时，建筑业的快速发展也对环境造成了负面的影响。我国建筑能耗报告表明：2018 年，我国建筑全过程碳排放量约占全国碳排放量的51.3%[1]。在我国碳中和目标下，高耗能、高污染的传统建筑施工方式不再适用于建筑业，而由预制混凝土构件通过可靠的连接方式组成的装配式建筑[2]，因其在节能减排、工程质量、施工周期以及经济效益等方面具备显著优势，因此在建筑行业中广受关注[3]。

自党的十八大以来，国家明确提出“走新型工业化道路”，高度重视建筑产业化工作，陆续出台了一系列重要政策和指导方针。“十三五”期间，住建部提出2018 年至2020 年，全国装配式建筑占新建建筑的比例达到15%以上[4]。“十四五”之后在国家政策指导和各级地方政府积极引导下，全国各省及城市因地制宜地探索装配式建筑发展政策，并发布以及更新标准和规范来鼓励装配式的发展，有力推动了装配式项目的实施[5]。

装配式混凝土框架结构是目前国内外研究和应用最多的装配式结构体系之一[6]。在装配式混凝土框架结构中，连接节点是影响结构受力性能和施工建造方式的重要因素。装配式混凝土结构通过节点来连接预制构件，并通过节点传递预制构件的轴力、剪力以及弯矩[7]。因此为了满足“强节点，弱构件”的设计理念，以及保证框架结构的整体性和安全性，需要对预制构件的连接节点进行合理的设计。

目前国内外关于装配式混凝土框架结构节点的研究多针对于梁柱节点的抗震性能研究，而对于主次梁节点的研究则相对较少。主次梁连接节点作为装配式建筑结构重要的组成部分，在竖向荷载传递方面发挥着至关重要的作用，因此有必要对主次梁节点进行系统深入的研究分析，推动装配式预制主次梁节点的发展以及应用。

预制主次梁节点连接形式主要可分为混凝土后浇段连接和企口搁置式连接[8]，其中混凝土后浇段连接因其技术和理论相对成熟，在我国实际工程中应用较广。

目前已有学者[9～11]结合工程实际项目汇总了目前预制主次梁节点常用的连接形式，并主要对主次梁混凝土后浇段连接方式进行了优劣分析，但对于后浇段连接方式的介绍不够全面，且关于主次梁企口搁置式连接的研究相对较少。本文按混凝土后浇段连接和企口搁置式连接对预制主次梁连接节点进行详细分析。

1 节点混凝土后浇段连接

在装配式框架结构实际工程中，预制主次梁节点采用混凝土后浇段连接是较常见的做法[9]。混凝土后浇段连接节点主要可分为主梁预留槽口后浇连接节点（图1）和次梁端部后浇连接节点（图2），其中主梁设置槽口后浇段影响预制主梁刚度，结构设计实际情况往往为主次梁高差较小，在预制主梁上预留后浇槽口后下部薄壁连接处或混凝土断开处均容易在界面处应力集中，从而存在产生裂缝风险，目前此方向在国内外研究相对较少，以下主要就次梁后浇段连接节点进行探讨。次梁采用后浇段连接时，由于其整体性较好、刚度较大，结构设计中通常可按刚接设计。

次梁后浇段连接方式主要有钢筋错位搭接连接、机械套筒连接、水平灌浆套筒连接和钢构件螺栓连接等。

1.1 钢筋错位搭接连接

国家建筑标准设计图集《装配式混凝土结构连接节点构造》（楼盖和楼梯）15G310-1[8]（以下简称规范图集）提供了一种次梁后浇段预制薄壁的做法（图3），通过预制主梁内预埋机械套筒，施工时将钢筋拧入机械套筒，与次梁预制薄壁内的底筋进行直线错位绑扎搭接。主次梁连接节点处采用后浇段预制薄壁做法时，设计简单、施工简便，且能大量减免模板的使用量，但次梁端部薄壁预制构件生产难度较大，且为满足钢筋搭接长度，导致后浇段长度较大，影响了施工现场的效率。

以C30 混凝土和C20 钢筋为例（以下计算后浇段长度均以此为例），依据规范图集[8]，次梁不考虑抗震作用，钢筋绑扎搭接长度ll=ζlla=1.2×35d=840mm（其中ζl为纵向受拉钢筋搭接长度修正系数，la为受拉钢筋锚固长度），同时考虑钢筋外伸长度及构件垂直安装空间，后浇段长度lh≥ll+20=860mm。

张季超，李国甫等[12，13]通过单调静力加载试验研究了次梁后浇段预制薄壁的预制主次梁端节点和现浇主次梁端节点的受力性能，研究结果表明，预制主次梁端节点承载能力和变形能力与现浇节点基本相当。

孙琬瑜等[14]将预制主次梁连接节点处钢筋弯折90度类似于L 形底筋，并通过错位绑扎形成一种U 型搭接节点（图4），在满足钢筋绑扎搭接长度的前提下，大幅降低了后浇段混凝土的长度。

张健等[15]将此类U 型搭接节点与规范提供的直线绑扎搭接以及水平灌浆套筒连接进行了接头混凝土后浇段长度的计算，并采用有限元软件分析了预制主次梁节点处的抗震性能。研究结果表明，U 型搭接连接节点后浇段长度可设为400mm，相较于钢筋机械连接和灌浆套筒连接，其后浇段长度大幅降低，同时其耗能能力不弱于现浇节点，此做法成功应用于华南理工大学广州国际校区一期工程中[16]。

印宝权等[17]采用ABAQUS 模拟该类主次梁节点，研究了键槽设置深度和钢筋套筒对主次梁承载能力的影响，数值模拟结果表明，键槽设置深度对主次梁承载力影响不明显，而钢筋套筒对主次梁承载力影响显著，减少1 根钢筋与2 根钢筋的套筒连接，承载力分别下降14.3%和23.3%。

3.培训目标不明，培训内容空泛。对教学知识、教学技能、教学能力应该达成的具体目标没有规定，对教学知识、教学技能、教学能力的具体内容没有提出明确要求，致使培训过程流于形式，导致新教师得不到实质有效训练［4］。

张金丹等[18]介绍了一种预制主次梁环扣钢筋连接节点（图5），其连接特征在于，预制主次梁均外伸U 型钢筋形成搭接环扣区域，在环扣区域四个角部穿入短插接钢筋，最终形成一种环扣钢筋连接节点。环扣钢筋可加强对核心区混凝土的约束，同时有效传递连接所需的拉、压力，从而提高节点的力学性能和保证连接的安全性。

1.2 钢筋机械套筒连接

钢筋机械套筒连接是指钢筋与钢质套筒通过咬合作用或承压作用传递钢筋应力的连接方式[17]，主要可分为挤压套筒连接和螺纹套筒连接。

次梁后浇段采用钢筋机械套筒连接形式能有效传递钢筋应力，整体性较好，并且混凝土后浇段较短，但对构件制作的精度和连接的准确度要求较高。

韩文龙等[19]提出了一种新型叠合主次梁连接方式，预制主次梁的连接钢筋采用挤压套筒连接（图6），后浇段长度设置为300mm。通过静力加载试验研究了预制主次梁端节点和中间节点的受力性能。试验结果表明，两组节点处的承载能力基本相当，可采用“拉-压杆”模型解释次梁的受力机理和截面应变分布。

1.3 钢筋水平灌浆套筒连接

钢筋套筒灌浆连接是指在钢筋与钢质套筒之间填充高强膨胀砂浆，通过套筒的围束作用和砂浆的微膨胀特性产生摩擦力，进而传递钢筋应力的连接方式[20,21]。主要可分为全灌浆套筒连接（图7）和半灌浆套筒连接（图8）。

次梁后浇段采用全灌浆套筒连接形式时，钢筋传力效果较好，且施工简便，但混凝土后浇段较长；次梁后浇段采用半灌浆套筒连接形式时，施工较复杂，但能大幅减少混凝土后浇段长度。

曾宪纯等[22]针对预制主次梁钢筋灌浆套筒连接造成后浇段较长的问题，采用直型半灌浆套筒组件连接方式（图8），并与全灌浆套筒连接进行了对比分析。分析结果表明，采用直型半灌浆套筒可使得后浇段混凝土长度缩短2.5 倍，提高装配预制率，同时钢筋套筒的成本可下降一半。

1.4 钢构件螺栓连接

冯波等[23]为使预制主次梁在连接区域具有较高的抗弯、抗剪能力，达到等同现浇的目的，提出了一种装配式预制主次梁螺栓连接形式（图9）。该连接节点在预制主梁和预制次梁端部均嵌入不同类型的钢质连接部件，钢质连接部件之间首先通过螺栓连接固定，随后与后浇混凝土共同作用使得连接区域具有较高的抗弯承载力和刚度，保证该类节点性能不低于现浇节点。

Lee 等[24]通过位移反复加载对此内嵌钢板连接预应力混凝土梁结构进行了纯弯曲试验以及剪切试验，研究了足尺试件的承载能力、裂缝的发展状况以及不同阶段下试件位移的恢复率。研究结果表明，内嵌钢板在极限荷载状态仍具有较好的锚固能力；试件在弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段位移恢复率分别为88.34%、86.97%和66.83%。

上述学者对预制主次梁混凝土后浇段连接的连接方式进行了多方面的研究，连接节点通常为刚接，且研究方向大多基于减少后浇段混凝土的长度和方量，不同连接连接方式的后浇段长度见表1，但预制主次梁采用后浇段连接时，影响了施工周期和效率，且易引起环境污染。因此更为健康快速的企口搁置式连接引起了建筑行业内的广泛关注。

表1 次梁后浇段长度

2 企口搁置式连接

主次梁企口搁置式连接是指通过主梁或次梁外伸企口，将主梁作为次梁的支承构件，并使用无收缩砂浆填缝的连接方式。主次梁采用企口搁置式连接时，有利于提高施工效率，降低施工难度，但预制构件生产难度较大，且连接节点处整体性较差，连接节点通常按铰接设计。

企口搁置式连接主要可分为混凝土企口连接和钢企口连接。

2.1 混凝土企口连接

混凝土企口可分为预制次梁外伸企口（图10）和预制主梁外伸企口（图11）。主次梁采用混凝土企口搁置连接时，主次梁节点处受力复杂，相对应的配筋难度较高。

许勇等[25]针对上述主梁外伸企口连接节点（图11），通过足尺试件单调静力加载试验，对比分析了预制主次梁与现浇主次梁中间节点的破坏模式和承载能力。研究结果表明，预制主次梁和现浇主次梁节点的破坏模式均为节点负弯矩区域受弯破坏，但节点极限承载力略低于现浇节点。张季超等[26]在此基础上，进一步研究了该连接形式的特征位移。研究结果表明，装配式预制主次梁节点的变形能力略微大于相同配筋的现浇节点。

2.2 钢企口连接

《装配式混凝土结构技术规程》[2]（以下简称技术规程）提供了一种主次梁钢企口铰接连接方式（图12），主梁上开设槽口，槽口底部预埋承压板，次梁端部预埋栓钉钢企口，主次梁通过钢企口搁置，并使用高强填缝材料后浇区将主次梁连接为整体。虽然该种连接方式对钢质构件的重量和精度要求较高，但主次梁节点处受力简单，配筋难度相对较低，因此不少学者针对梁端钢企口的受力性能和构造形式进行了研究。

吴智伟等[28]研究了栓钉钢企口预制混凝土梁的受力性能，通过静力加载试验分析了钢企口最外侧栓钉距边缘距离和梁端配筋形式对钢企口梁端承载力的影响。试验结果表明，在一定范围内钢企口梁端承载力随钢企口最外侧栓钉边缘距离增大而减少，同时梁端箍筋加密可有效提高梁端的承载力。

颜磊等[29]在规范提供的主次梁钢企口搁置连接的基础上，提出了一种双钢板企口连接节点（图13），即预制次梁端部预埋双块栓钉钢板，钢板之间通过檩条焊接。主次梁采用双钢板企口有利于企口的承载力和稳固性。同时，于健等[30]和蔡洁等[31]在现有研究的基础上，也提出了两种不同的新型主次梁节点连接所用的钢企口：一种是在栓钉钢板两侧增设垂直布置的加劲板（图14），用于提高钢企口的整体稳定性，以及次梁节点的锚固可靠性和节点连接的整体稳定性，增加次梁的抗剪、抗扭性能。另一种是在次梁端部栓钉钢板后端设有限位挡板（图15），通过限位挡板插入主梁槽口预埋的开口套筒可以实现连接处的多向限位，从而有效增加了结构的整体水平刚度，保证了结构水平力在各竖向构件间的传递，提高了节点的整体性、安全性和抗震性能。上述两种新型装配式预制主次梁钢企口连接节点均可有效提高预制主次梁节点的整体性和安全性。