装配式框架结构节点研究现状与展望

0 前言

目前，我国建筑业主要以现场建造为主，具有生产效率低、资源浪费情况严重、品质难以保障、对环境影响大等缺点。为解决上述问题，以“构件生产工厂化，施工运作装配化”为特点的预制装配式结构得到了越来越多的研究与应用，其主要优势体现在：①建造质量更容易控制，提高部品的使用寿命；②节约材料、环保效果明显；③有利于废旧混凝土及轻质高强材料等新型建筑材料的推广和应用。

梁-柱节点的性能是影响整个框架结构抗震性能的关键，尤其是对装配式混凝土结构。本文围绕装配式钢梁-混凝土柱组合节点、装配式钢筋混凝土框架节点、装配式预应力混凝土框架节点及其他形式节点，对国内外研究成果进行了综述。针对现有装配式框架节点存在的问题，提出了改进型钢-混组合框架节点构造形式，可为开展新型装配式组合框架节点抗震性能和设计方法研究提供参考。

1 装配式螺栓连接钢梁-混凝土柱框架节点

国内学者研究螺栓贯通型连接节点（如图1）较多，主要采取两种做法：①直接将螺杆预埋进柱内，待柱混凝土浇筑完成并达到设计强度后再安装钢梁；②在柱内预埋PVC管，待混凝土终凝后将PVC管拔出后成孔，再安装钢梁。二者最后都是通过对高强螺栓施加预拉力将混凝土柱和钢梁连接。螺杆穿越核心区，对节点核心区混凝土削弱较多，影响节点抗震性能。螺杆较长，节点刚度难以满足刚性节点的要求。混凝土柱与钢梁端板接触面容易引起局部受压破坏。

肖岩等通过两组足尺螺栓连接钢-混凝土柱组合节点试件的低周反复荷载试验，重点研究了其抗震性能及影响因素。试验结果表明：两组试件均具有较高的承载力、良好的延性和耗能能力，它们的延性系数都超过4；高强螺栓的预拉力及端板的厚度是影响该节点抗震性能的主要因素；但两组试件均发生了螺栓断裂，因此，保证螺栓质量的可靠性至关重要。

李贤等提出了一种端板高强螺栓连接的狗骨式削弱钢梁-钢筋混凝土柱节点，通过两组试件的抗震性能试验。研究表明：此类节点的强度和刚度较高，破坏时塑性铰发生在梁端，具有较好的延性；高强螺栓预压力的存在，节点核心区的抗剪、抗开裂能力及节点刚度都得到提高；钢梁进行狗骨式削弱后，梁端塑性铰将外移，能有效地保护端板与钢梁间的焊缝, 使得节点的变形能力和耗能能力得到提高，但是狗骨式削弱的作用是在保证节点的连接质量的前提下才能充分发挥，因此，必须保证端板和钢梁的焊接质量。

陆铁坚等进行了7个1/2缩尺的端板螺栓连接的钢-混凝土组合梁与混凝土柱节点的低周反复荷载试验研究。对该节点的破坏形式、耗能能力、延性、滞回性能等抗震性能进行了研究，并分析了组合梁横向配筋率、配筋形式及剪力连接度等因素对节点的延性的影响。结果表明：该节点试件滞回曲线呈梭形，且较为丰满，耗能能力强；增大横向配筋率、横向配筋为封闭式及提高剪力连接度均可提高节点的变形能力，但对节点承载力的影响较小。该研究并未对节点抗剪机理及抗剪承载力进行深入的研究。

马宏伟等通过对组合梁-连续复合螺旋箍筋混凝土柱节点的抗震性能试验研究及有限分析，给出了钢筋连接节点的具体构造措施，同时分析了梁混凝土强度、配筋率、钢材强度对该节点抗震性能的影响，综合试验及有限元分析结果提出了端板螺栓连接节点的抗剪承载力计算公式。

李升才等通过对四组不同连接形式的蜂窝梁-焊接环式箍筋柱组合节点的抗震性能试验研究，针对节点的破坏形态、承载力、延性、耗能及滞回性能展开研究。结果显示：外伸式端板螺栓连接型节点的承载力最高、延性最好，但极限荷载后刚度退化严重；螺杆采取的是焊接而成的，试验过程中断裂，因此，需采用一次成型加工工艺的高强螺杆。

李升才等为研究不同螺栓数目、螺栓直径及排列方式对外伸式端板螺栓连接型节点的抗震性能，进行了7个1/2外伸式端板螺栓连接蜂窝梁-混凝土柱组合节点的低周反复荷载试验研究。结果表明：8个螺栓4行2列的排列形式为最合理的抗震节点形式，且延性和耗能性能最佳。同时提出了该型节点的恢复力模型及节点抗剪承载力计算方法。但在文献中却指出三行三列的螺栓布置方式是最为合理的节点连接形式，与文献中结论有差别。因此，针对螺栓合理布置方式仍需进一步探讨。

郭子雄等在综合前述研究的基础上，提出了一种新型的螺栓连接方式即螺栓-钢板桶连接（如图2），并对该连接方式进行4个1/2比例的框架节点进行了低周反复加载试验研究，分析了节点区加劲腹板厚度及开洞对节点抗震性能的影响。研究结果表明：采用该型连接方式具有良好的可靠性，节点的剪切变形较小，加劲腹板开洞对节点受力性能影响不大，但加劲腹板对节点抗剪承载力的贡献程度有待进一步研究。文献并未研究轴压比、强节点系数、加劲腹板构造等参数对节点受力性能及抗震性能的影响，因此，郭子雄等综合上述因素对12个1/2试件进行低周反复荷载试验。试验结果显示：随着强节点系数的增大，节点分别发生剪切破坏、柱端弯曲破坏及梁端弯曲破坏；强节点系数越大，节点耗能性能越好；钢板桶可增大节点的刚度和强度，缓解节点区裂缝的开展，可有效防止由于节点的失效而垮塌；钢梁与钢板桶之间的连接构造合理可靠；给出了综合考虑钢腹板、混凝土及条带板的贡献节点抗剪承载力计算公式。但关于螺栓是否可能是连接节点的薄弱部位及梁端弯矩传递与螺栓预拉力之间的关系并未进行系统的理论分析与试验研究。

Ertas等针对后浇整体式节点、螺栓连接节点、带牛腿的焊接节点及现浇节点进行低周反复荷载作用下的抗震性能进行了对比分析，表明螺栓连接节点较其他节点形式在强度、耗能、延性及施工的便捷性等方面表现出良好的优越性。

2 装配式混凝土框架节点

装配式混凝土框架结构可有效改善环境问题，节约资源，为人民群众创造良好的生活环境，因而具有良好的发展前景。但在我国的发展还相对比较落后，原因是建筑水平较低、社会认知度较低、相关教育体系还不完善及配套生产技术复杂等。近年来，我国对装配式混凝土框架节点的抗震性能研究渐多。

Y.C.Loo等[29]分别对非线性弹性连接、拉压屈服、库伦摩擦及预应力拼接节点进行了研究，结果表明：以上几种节点形式在地震作用下具有良好的耗能性能、残余强度和刚度较高、残余变形较小等优点。

Cheok等对无黏结预应力筋拼装的梁柱节点及有黏结的钢筋混凝土梁柱节点进行低周反复荷载下的对比试验，结果表明：在延性、耗能等方面前者好于后者；强度和刚度的损失量、残余变形方面前者小于后者；综合抗震性能前者优于后者。

Restrepo等对采用预制构件的端部伸出直筋或带弯钩的钢筋锚固在节点区的装配式框架节点进行了低周反复加载试验，试验表明：细部构造对节点整体反应影响不大；强度、耗能及延性等性能良好。

林宗凡等设计了四个试件分别体现了拉-压屈服、摩擦滑移及非线弹性反映三种延性节点行为的机理，并对其进行低周反复加载试验研究。研究结果表明：提供间接传力途径的节点连接构造会促使试件的过早破坏；牛腿-梁互嵌式接头节点并未发生性能蜕化的现象。若把这一节点构造倒置过来设计，可避免楼板等水平构件的翘曲和破坏；采用摩擦滑移装置可显著改善结构的抗震反应，延性效果较为理想，但造价颇高。部分节点在层架侧移角很大时，其强度保持良好且无损坏征兆，因此，关于预制构件之间的相对距离及节点的设计方法仍需进一步研究。

吕西林等采用足尺模型对比试验方法对现浇、装配整体式及全装配式高强混凝土梁柱组合件在低周反复荷载作用下的抗震性能指标进行了系统研究。装配整体式梁柱组合件与现浇梁柱组合件抗震性能并无差异，但全装配式预制混凝土梁柱组合件与前二者在抗震性能方面差异明显。因此，需采取措施增强节点的耗能能力后方能应用到实际工程中，但并未对如何增强节点的耗能能力给出具体做法。

董挺峰等通过6个预应力与非预应力混合配筋连接装配式混凝土框架内节点试件在低周反复荷载下的试验研究，指出：混合连接装配式混凝土框架节点与现浇整体式框架节点耗能能力相当；大变形后强度和刚度衰减、残余变形较小；焊接方式比螺栓连接的节点整体性好、变形能力大；非预应力连接钢筋不黏结长度对延性系数的影响不明显；非预应力筋的黏结锚固性能存在连接钢筋有黏结滑移现象及在接缝处被拉断又显示了连接的有效性较好这两种截然不同的现象。因此，对于不黏结长度的影响规律仍需进一步研究。

杨旭等开展了装配整体式混凝土框架节点抗震性能及其设计方法的试验研究，研究结果显示：装配整体式混凝土框架节点与整体现浇混凝土框架节点破坏形态相似，均出现了梁端塑性铰破坏，破坏界面主要集中于梁柱交接处；二者抗震性能接近，预制梁、板及叠合层之间的接触面性能良好；采用新型高效大直径钢筋套筒灌浆连接接头的装配整体式混凝土框架节点具有良好的抗震性能。

黄祥海等分析了明牛腿连接、暗牛腿连接、型钢暗牛腿连接钢吊架式牛腿连接、焊接连接、螺栓连接等目前应用较多的干式连接方式并对其进行有限元对比分析，并提出了考虑刚性连接、传力路径、延性并借鉴钢结构的连接方式提出了包括企口连接节点、对接焊接节点、混凝土暗牛腿及型钢暗牛腿等新兴连接形式。同时对企口梁及暗牛腿的受力性能进行了分析，但对以上新型全装配式干式连接框架柱的构造要求尚未明确给出，尚未研究轴压比等因素对该节点的受力性能的影响。

蔡建国等对世构体系框架中节点抗震性能进行了试验研究，世构体系的节点采用的是先张法。研究表明：世构体系梁柱节点的主要破坏发生在梁端塑性铰区，符合“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”的抗震设计原则。

孔亚美等在综合已有研究的基础上提出了焊接钢板桶及螺栓连接钢板桶的连接方式并对之进行有限元分析。指出利用钢板桶可避免节点核心区箍筋钢筋过密的问题，减少施工难度，节点处十字加劲腹板加大了钢板桶与混凝土间的摩擦黏结，与混凝土协同抗剪，并能有效进行力的传递。但仅依靠理论和有限元分析并不能准确反应该型节点的实际工作状态及机理，因此，对于文献中提出的节点连接方式仍需通过试验加以佐证。

李世达等以约束浆锚钢筋搭接连接方式为切入点，提出了三种不同预制混凝土框架节点组装方式，并进行三个装配式足尺混凝土框架节点和一个现浇节点对比件的静力试验。通过对节点的滞回曲线、骨架曲线及刚度退化情况综合分析预制混凝土框架节点的抗震性能。文献中给出了包括增加钢筋搭接长度、加密螺旋箍筋、现浇混凝土强度提高一级等建议，但节点的连接性能对结构承载力及变形能力的影响应进行进一步研究和改进。

韩建强等通过对不同配筋率下现浇钢筋混凝土框架和附加角钢板预应力装配式混凝土框架的节点，在低周反复荷载作用下的试验对比，结果表明：附加角钢板的预应力装配式框架节点的刚度退化速度比现浇节点慢，同时配筋率越高，刚度退化越慢；预应力装配式框架节点整体耗能能力及延性均优于现浇节点。

刘海涛、晋哲锋等通过两榀预压装配式框架节点的低周反复加载试验及有限元分析，分析了节点的破坏形态、耗能能力、延性及开裂情况，对该节点的抗震性能及抗裂能力做出了评估。节点最终的破坏均在梁端，而节点核心区未出现裂缝，说明节点的抗剪及抗裂性能优异。力-位移滞回曲线饱满显示出节点在高荷载作用下具有良好的耗能能力。预应力大小及作用位置、不同节点等参数影响下该节点的抗震性能及破坏机理的影响仍有待于进一步探索。

柳炳康等通过预压装配式混凝土框架在低周反复荷载下的加载试验及数值模拟，重点分析了节点核心区的受力状态、剪切变形、剪切角滞回曲线、抗裂度及抗剪承载力等。结果表明：由于预压力的存在使节点区混凝土处于双向受压状态，提高节点的抗剪承载力；预应力筋与混凝土之间的黏结破坏最终导致了节点抗剪承载力的丧失；节点抗裂能力较强，通过分析并最终建立了节点区抗裂受剪承载力公式。但由于数据的离散性，结论仍仅可用于试验阶段，同时，节点核心区梁中预应力筋与其表面混凝土的黏结力的破坏对节点核心区的水平剪力传递影响并未作出定量的分析。

3 存在主要问题

（1）关于螺栓连接型节点的试验具有很大的离散性，且关于节点核心区的破坏特征及受力机理尚未明确统一。

（2）螺栓连接型节点的螺栓数量、布置方式及连接构造仍需进一步优化并经试验验证。

（3）不同研究者提出节点的计算模型、抗剪承载力公式及设计方法不尽相同，建议今后的研究工作能综合国内试验研究成果对上述内容加以统一。

（4）螺栓连接型节点的抗震性能研究主要集中于单个节点，关于该型框架中节点的受力性能及抗震性能指标研究甚少，建议今后进行平面框架的抗震性能试验，以期提出衡量该型节点的抗震性能指标及设计方法。

（5）针对装配式框架结构提出的恢复力模型，由于试件数量以及试验参数的限制，要进一步扩大其适用性，有待于今后的试验数据完善。

（6）增强装配式混凝土框架节点耗能能力的构造措施及方法仍未经试验验证。

（7）预压装配式预应力混凝土框架节点的研究数量较少，且关于预应力筋对节点区受剪承载力的量化并未研究明确。

4 一种改进型装配式钢-混框架节点的构造形式

图1建议的钢板桶连接方式虽能解决节点核心区钢筋过密、螺栓穿越核心区削弱混凝土等问题，但与现行规范中节点核心区箍筋应封闭且加密的要求相违背，容易造成纵筋压屈的问题。为改善节点的受力性能及施工适应性，推广装配式组合结构的应用，提出一种构造简单、适应性较强的节点构造形式，如图3所示。

该节点区由内置钢板桶、加劲肋与外围钢板箍组成。外围钢板箍与内置钢板桶通过加劲肋焊接组成，内置钢板桶与钢梁通过螺栓连接，螺栓深入柱核心区内部的长度与图2相比较长，增强了螺杆在地震作用下的工作性能。同时在钢板箍间隔处可按设计自主布置箍筋，有效地解决纵筋可能被压屈的潜在危险。

与前述构造相比，图3所示节点形式有以下优势：①由钢板箍和核心钢板桶组成的节点连接方式与箍筋一起可提供有效的抗剪承载力，并可增强节点区的耗能能力，满足抗震设计中“强节点”的要求；②箍筋的布置不受限制，施工较为方便；③节点的焊接工作均在工厂内进行，工业化程度较高。

5 结语

建筑工业化是我国今后建筑业发展的趋势所在，而装配式框架结构是实现框架结构工业化的最有效途径之一。装配式框架结构具有施工效率高、经济效益好、节能环保等优点，而节点的受力性能优劣是装配式框架结构能否有效工作的关键所在。为使装配式框架结构能够在工程实践中推广应用，仍需大力开展以下工作：

（1）明确各不同装配式框架结构节点的受剪机理，优化得出合理的构造形式，并建立设计方法。

（2）为更好研究装配式框架结构的受力特征，仍需对有楼板约束的平面框架进行抗震性能试验研究，综合评价装配式框架节点的抗震受力性能。

（3）研究装配式框架结构的抗震性能，提出不同设计地震水平下的地震反应分析方法。

摘自《混凝土与水泥制品》杂志