装配式梁柱节点优化设计及抗震性能.docx

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装配式梁柱节点优化设计及抗震性能

预制装配式梁柱节点优化设计及抗震性能

摘要：

预制装配式结构是我国所推崇的结构形式，而节点问题特别是梁柱节点问题的研究是推动此类结构发展和应用的关键问题。

本文介绍了预制装配式梁柱节点分类及国内外研究状况，并且叙述介绍了三种预制装配式梁柱节点优化设计方法，分别是ECC材料优化预制装配式梁柱节点，在梁柱节点布置扇形铅黏弹性阻尼器，和后张无粘结混合装配式框架节点形式。

三种方法均能有效提高构件的抗震性能。

关键词：

预制装配式结构梁柱节点ECC扇形铅黏弹性阻尼器后张无粘结混合装配式结构

OptimizationDesignandSeismicBehaviorsofPrecastFrame

Beam-columnJoint

Major:

ArchitecturalandCivilEngineeringName:

MaiYixin

Abstract:

Thebehaviorofconnectionjointespeciallythebeam-columnjointisthekeytothedevelopmentandapplicationofprecastconcreteframe,whichisencouragedinChina.Thispaperintroducestheclassificationofvariousconnectionsofprecastbeam-columnjoints,andthesituationofdomesticandforeignresearch.ItisshownthattheuseofECCintheconnectionzone,theanalysisofprefabricatedconcretebeamcolumnjointwithsectorleadviscoelasticdamper,andanewtypeofunbonedpost-tensionedhybridprecastconcreteframejoint.Allthreeofthemareeffectivestrengtheningmethodstoimproveseismicperformance.

Keywords:

Prefabricatedstructure,Beam-columnjoint,ECC,Sectorleadviscoelasticdamper,Unbonedpost-tensionedhybridprefabricatedstructure

一、装配式梁柱节点

中共中央国务院提出，至2020年，装配式建筑占新建建筑的比例20%以上，到2025年装配式建筑占新建建筑的比例50%以上。

装配式结构是符合我国国情并具有广阔应用前景的热门结构形式。

1.1装配式结构的优缺点

随着我国建筑行业的迅速发展和“四节一环保”的绿色建筑发展的要求，装配式混凝土作为一种构建安全、耐用、可靠、优质、高性价比的结构体系，已被广泛接受。

预制装配式混凝土结构相比现浇混凝土结构有以下优点：

（1）由于预制混凝土可塑性较强，工厂生产的预制构件可根据细节部分进行处理和定制。

（2）预制混凝土构件由工厂统一规格制作，每一个生产步骤、质量有保障。

有效减少了不必要的损耗和误差，并且能够通过严格的质量筛选。

减少整体成本投入，有较明显的经济效益。

（3）由工厂加工完成构件，在施工现场只需较少施工机械和工人进行组合安装，较小了施工范围，在保证安全的同时缩短施工周期。

（4）环保节能减排，能够在施工期间减少噪声污染，缩短对周围环境交通等的影响时间。

除了以上的优点，装配式混凝土符合可持续发展，能够实现人、经济效益与自然环境和谐共存的“三赢”局面。

若将装配式混凝土结构使用在高烈度地震区，其整体性能和稳定性相比现浇混凝土结构较差，并且缺乏相关可靠的设计规范，导致受到较大限制。

例如北美洲（墨西哥、美国和加拿大），仍然缺乏主要适用于预制混凝土框架结构的抗震梁柱节点的设计规范[1]。

在促进现浇混凝土结构延性方向上的巨大提升，是在地震区采用预制混凝土结构的另一个阻碍[2]。

1999年，一系列的设计和构造要求由美国混凝土学会ITG（InnovationTaskGroup）出版，为装配式混凝土和现浇系统之间建立能量耗散和延性等价性提供了一个标准方法[3]。

传统混凝土结构由于混凝土现浇，节点区受力钢筋连续布置，保证了结构良好的整体性。

而装配式结构的节点是结构的薄弱部位，如何保证节点区域具有良好的抗震性能并使其在地震中不先于其他构件破坏，对整体结构的安全具有重要的意义。

1.2装配式梁柱节点的分类

过去，一些装配式混凝土框架结构由于节点设计的缺陷，抗震性能不佳[4]。

为了在装配式框架结构上重获信心，必须要解决预制构件节点连接方法的问题。

目前常见的预制装配式结构的连接形式包括美国、新西兰和中国提出的各种连接形式：

（1）美国提出的连接方式分类

根据1997年的美国统一建筑规范（UBV97）[5]，框架连接方式被分类两类，一类是整体连接（monilithicconnection）和强连接（strongconnection）。

整体连接是将预制构件与预制构件、或预制构件与现浇构件的连接节点用现浇混凝土灌注。

强连接分为柱面连接、柱-柱连接、锚接和拼接等，使构件的连接部位在地震作用下指定的非线性区域出现弹塑性变形时，仍能保持弹性[6]。

而在美国NEHRP（NationalEarthquakeHazardsReductionProgram）2000年规范[7]，预制混凝土框架连接可以分为等效现浇连接和装配式连接。

（2）新西兰提出的连接方式分类

新西兰框架节点连接可以分为两类湿连接和两类干连接[8]。

湿连接包括现浇混凝土柱与预制混凝土梁连接和预制连续梁穿过现浇或预制柱，干连接包括预制T型和双十字型构件（焊接或机械套筒连接）和预制预应力混您图对预制U型薄壁梁施加先张预应力。

（3）中国提出的连接方式分类

中国常用的连接方式有后浇筑混凝土、机械套筒连接、焊接、螺栓连接、T形钢、角钢连接等。

梁柱连接形式如表1所示。

表1梁柱连接形式

干连接

湿连接

梁柱连接

牛腿连接，榫式连接，钢板连接

普通现浇连接，底模现浇连接

螺栓连接，焊接连接，企口连接

浆锚连接，预应力技术的整浇连接

钢吊架式连接，机械套筒连接

普通后浇整体式连接，灌浆拼装等

各国预制装配式结构的连接方式的分类各不相同，从施工方法入手，可以分为[9]：

湿连接形式和干连接形式。

湿连接形式是将连接的部位预先伸出的钢筋或螺栓焊接、搭接或者机械连接，并通过现场浇筑混凝土或其他灌缝浆料将其锚固。

干连接形式是将连接部位预先植入的钢板或钢部件采用螺栓连接或焊接。

（a）（b）

图1湿连接的两种形式

湿连接中的两种方式，当梁为预制梁，预制楼板放在预制梁上，在节点核心区域及柱内布置钢筋（如图1（a））时，减少了现场模板的工作量，但在节点核心部分的锚接施工较困难；当梁、柱、板都是预制（如图（b））时，上下柱内纵筋通过套筒等灌浆方式连接在一起时，现场浇筑工作量少，但也无法避免梁底纵筋锚固和节点和新区混凝土浇捣的问题。

干连接中，T形钢、角钢焊接避免了湿连接等方式的灌浆和养护环节，但焊接缝在反复地震荷载作用下容易发生脆性破坏；螺栓连接有着安装快速的有点，但制作精度要求较高，其更换或维修的施工操作较复杂。

（a）角钢焊接（b）螺栓连接

图2干连接的两种方式

二、装配式梁柱节点研究现状

2.1国内装配式梁柱节点研究现状

我国关于预制装配式结构的研究起步较国外晚，但发展迅速。

于长海，吕志涛，冯健[10]三人进行了两根外伸梁（整体和企口连接）、两根简支梁（整体和企口连接）的对比试验。

试验表明，企口连接梁局部刚度下降，挠度、转角增加，但对构件的整体变形影响较小。

该文提出了较精确的刚度降低的计算方法。

黄祥海[11]对比了各种干式连接的优点和不足，改进了几种干式连接构造，并提出了新型全预制装配式混凝土框架节点的设想。

许准[12]和马涛[13]对装配式框架结构的节点进行优化设计，采用ECC（超高延性纤维增强水泥基材料）实现装配式框架结构抗震性能的大幅提升。

柳炳康等[14,15]对预压装配式预应力混凝土框架节点和框架结构进行低周反复荷载试验和拟动力试验研究，提出了预制预应力混凝土装配式框架的设计方法。

2.2国外装配式梁柱节点研究现状

早在20世纪70年代，国外就开始对预制装配式梁柱节点的抗震性能进行研究。

墨西哥建筑规范（MCBC）[16]允许基于整体现浇混凝土系统性能仿真的预制混凝土结构体系的使用，在规范中给出了对材料性能、施工细节和设计的特殊要求。

Nakaki[17]等进行了有延性连接器的装配式混凝土框架梁柱的反复加载试验，试验表明由延性杆提供的耗能、变形使得这类节点具有较好的抗震性能。

土耳其的Ertas[18]进行了5个预制混凝土梁柱节点的反复加载试验研究，这些预制混凝土试件与现浇试件都表现出良好的抗震性能。

Shariatmadar[19]总结了梁柱连接中梁纵向钢筋的连接方式，包括钢筋搭接，U型钢筋和型钢板辅助连接等方式，并与现浇节点进行了对比试验，结果表明这些连接方式都能应用于抗震设防区，但需要一定的锚固长度。

H.Parastesh[20]提出了新的连接方式。

该连接方式的特点是在预制梁端留有U型键槽。

结果表明该连接方法能有效地提高构件的抗震性能。

三、装配式梁柱节点的优化设计及抗震性能

3.1ECC材料

ECC（Engineeredcementitiouscomposites）是一种具有超高韧性和优越耗能性能的纤维增强水泥基复合材料，将其应用于工程结构中能大大提高构件的抗震性能。

研究表明[21]：

ECC有类似于金属材料的拉伸强化现象，其极限拉伸应变可达5%~6%，与钢材的变形能力几乎相近。

特别是ECC已走上了绿色化的道路，经纤维与活性掺合料有效复合，有进一步强化了混凝土材料各项关键性能，大幅度地提升了耐久性，延长了材料和结构的服役寿命。

ECC最早由美国Michigan大学的Victor.C.Li教授[22]在20世纪90年代初提出来的，是基于微观力学原理对水泥基材料中纤维、基体以及二者在界面处的相互作用进行改善，以水泥浆或砂浆为基体，以纤维为增强材料的复合材料，其基本性能如表2所示。

表2ECC材料基本性能

受压强度（MPa）

初裂强度

（MPa）

极限抗拉强度

（MPa）

极限拉应变

（%）

弹性模量

（GPa）

弯曲强度

（MPa）

密度

（g/cc）

20~95

3~7

4~12

1~8

18~34

10~30

0.95~2.3

图3ECC单轴受拉应力应变曲线

图3为典型的ECC单轴拉伸应力应变曲线。

从图中可以看出，ECC表现出高延性（极限拉应变达到5%左右）、裂缝细而密、在弹性段后期的类似于金属的应变硬化特征，以及峰值点过后的软化行为等特征。

梁兴文、邓明科等[23]提出ECC作为一种新型的防倒塌结构，即在结构的关键部位，用高性能ECC提高构件和结构的变形、损耗和耐损伤能力。

如在强震作用下，设计良好的联肢剪力墙应是连梁首先屈服，而后剪力墙底部屈服。

因此，联肢剪力墙结构的关键部位是连梁和墙肢的底部。

为了方便施工，连梁用R/ECC预制构件，墙肢底部用现浇R/ECC，其他部位用现浇R/C，形成新型抗震联肢墙结构。

单奇峰[24]在2016年将ECC材料应用于装配式节点后浇连续区域，结果表明：

采用ECC后浇的试件滞回曲线更加饱满，具有更好的耗能能力。

此外，在同一级荷载下，ECC试件的箍筋应力水平较混凝土试件低，表明ECC可以分担部分剪力，可部分代替箍筋的作用。

并采用OpenSees平台中ECC单轴本构能较好的模拟钢筋增强受弯构件的抗震性能：

随着ECC强度增加，节点模型的屈服荷载和峰值荷载均会不同程度增加；基体材料在同一抗压强度下，后浇ECC模型较后浇混凝土模型的屈服荷载和峰值荷载更高；ECC弹模的折减对节点初始刚度和强度均有影响，但影响较小。

对ECC材料应用问题，目前尚有以下为题待深入研究：

（1）研制并生产适合于工程应用的高性能低造价PVA纤维。

（2）ECC材料的基本性能。

对于结构分析和设计来讲，ECC材料的受压强度、受拉强度、峰值应变、极限应变和本构关系是必须研究解决的问题。

（3）关键部位采用ECC材料的R/ECC构件基本性能研究。

如梁、柱端和节点采用ECC材料等构件的承载力、变形计算和延性、耗能能力。

（4）关键部位采用R/ECC构件的新型消能抗震破坏机理及设计方法研究。

3.2扇形铅黏弹性阻尼器

阻尼器主要用于减震或用于防震，低速时允许移动，在速度或加速度超过相应的值时闭锁，形成刚性支撑。

其主要的分类有：

弹簧阻尼器，液压阻尼器，脉冲阻尼器，旋转阻尼器，和黏弹性阻尼器。

其中粘弹性阻尼器是一种十分有效安全的耗能减震装置。

铅黏弹性阻尼器作为一种复合型阻尼器，是利用铅的剪切或挤压屈服后产生塑性变形和粘弹性材料的剪切滞回变形耗能[25]。

图4扇形铅黏弹性阻尼器

扇形铅黏弹性阻尼器（SectorLeadViscoelasticDamper,SLVD）是在铅黏弹性阻尼器研究基础上发展形成的一种新型腋撑型阻尼器[26]，其力学性能试验和分析研究表明该阻尼器具有耗能机理明确、滞回性能稳定、耗能能力强、疲劳性能好等优点[27-29]。

作为一种新型腋撑，扇形铅黏弹性阻尼器的设计原理是综合利用不同耗能机制[30]。

地震作用下扇形铅黏弹性阻尼器通过铅芯产生剪切或挤压变形和粘弹性材料产生剪切变形进行耗能，成为保护节点区的第一道抗震防线。

吴从晓，周云，张超等[31]为进一步研究扇形铅黏弹性阻尼器对预制装配式框架梁柱节点抗震性能的影响，在梁柱节点布置扇形铅黏弹性阻尼器的现浇框架节点和预制框架节点1/3缩尺模型进行抗震性能试验，对比研究两者的破坏模式、滞回耗能性能、承载能力、位移延性、承载力退化和节点核心区钢筋应变等。

得出结论：

扇形铅黏弹性阻尼器改变了预制和现浇试件受力模式，减缓和控制了试件核心区裂缝开展，保护了节点。

并进行了有限元分析[32]。

朱琰洁，周云等[33]采用ETABS和Perform-3D软件对装有扇形铅黏弹性阻尼器结构进行消能减震设计与地震反应分析，得出：

多遇地震和罕遇地震下，采用扇形铅黏弹性阻尼器能够显著降低结构的地震反应，减小框架节点处内力。

在多遇地震和罕遇地震下都能满足相关规范要求和性能指标。

扇形铅黏弹性阻尼器是一种新型梁柱腋撑型阻尼器，其应用不受结构、环境的限制，目前的研究仍处于初级阶段，还有以下问题待研究：

（1）缺乏一套适用于新型扇形铅黏弹性阻尼器的消能减震设计方法，以确保在实际工程中能定量确定阻尼器的各设计参数。

（2）对装有扇形铅黏弹性阻尼器框架进行低周反复试验，研究原框架结构的破坏形式、骨架曲线、耗能能力等。

3.3后张无粘结混合装配式框架节点

预制预应力混凝土框架结构是把预制好的梁和柱运至施工现场，采用吊装机械把构件吊装就位，在梁柱预留孔道中穿入预应力筋，通过后张预应力筋的挤压力把梁柱构件拼装成整体框架的一种结构。

后张预应力筋既可以在施工阶段作为构件之间拼装连接的手段，又可以在使用阶段承受梁端弯矩，构成整体受力节点和连续受力框架，预制构件之间的这种连接方式称为预应力连接方式，它属于“干性连接”和“延性连接”的范畴。

在预制混凝土框架结构中引入后张预应力筋所形成的结构体系，除了具有普通预制混凝土结构的优势外，还具有以下几个特点：

（1）易于实现梁铰耗能机制；

（2）易于评估地震造成的结构损伤；

（3）结构恢复性能好，残余变形小，易于修复。

70年代末，国内学者从南斯拉夫引进了预制预应力混凝土板柱结构体系（IMS体系），之后随着装配式结构预应力技术的发展，越来越多的国内学者将预应力预制装配技术作为研究重点。

柳炳康等[34]进行了多层多跨预压装配式框架的试验，董挺峰等[35]对无粘结预应力直接装配节点和混合装配节点试件进行了抗震性能试验研究，并对节点进行了分析。

（a）中小跨度情况

（b）大跨度情况

图5种迅提出的后张预应力节点形式

种迅等[36]提出了一种受理合理且施工方便的后张预应力连接方式，并在对结构形式加以改进的基础上，形成了一种新型的预制混泥土框架结构，即后张预应力预制混凝土框架饥饿哦股，其结构图如图5所示。

并分别对后张有粘结和部分无粘结预应力预制梁柱节点的受力性能进行低周反复加载试验研究，并采用两种数值分析方法（自编程序的简化分析方法和DRAIN-2DX有限元方法），研究节点的受力性能。

根据截面的受力平衡条件，推导出梁柱连接截面开裂点、线性极限点、屈服点等特征点对应的弯矩值的简化计算公式，经比较与试验结果拟合良好，具有一定的可靠性。

张晨，周宇凌等[37]提出了一种新型的后张无粘结混合装配式框架（PTHP）节点（图6），对3榀（PTHP）边节点进行了低周往复荷载试验。

对构件的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、耗能能力、延性、刚度退化以及残余变形等抗震性能进行了分析。

结果表明：

无粘结的后张预应力筋在加载过程中始终保持弹性，为节点提供了良好的自恢复能力。

PTHP节点具有较好的承载力、刚度和耗能能力，与现浇结构相比其变形能力、自恢复能力更好，残余变形更小。

图6后张无粘结混合装配式混凝土框架（PTHP））节点

从上述前人总结的经验可以看出，装配式无粘结预应力混凝土框架结构体系在震后修复工作和自身修复能力相对于现浇结构具有明显优势，但还需要在以下几个方面做进一步研究：

（1）装配式无粘结预应力混凝土框架结构体系的地震耗能能力较差，可以考虑引进隔震或减震装置提高其耗能能力。

（2）考虑接缝处砂浆的强度、接缝宽度对结构的抗震能力的影响作用。

四、结语

4.1小结

地震是严重危及人类生命财产的自然灾害。

我国是一个多地震国家，20世纪60年代以来，多次遭受地震灾害，震害经验积累和建筑抗震设计规范的实施，对建筑抗震减灾起到了一定作用。

房屋建筑与各类工程结构是人们从事生活和生产活动的基本场所和基础设施，其安全性，尤其是抗震能力必须得到充分保障。

减少和避免地震引起房屋建筑和各类工程结构的破坏，已成为我国工程结构安全和防灾减灾研究的一个至关重要方向。

随着我国经济建设的发展，各类大型建筑、高层和超高层建筑的兴建，对结构抗震设计提出了更高的要求，消能、隔震得到日益增多的应用，大量结构抗震试验研究成果的积累，使基于性能的抗震设计逐渐成为可能实现的方法。

（1）预制混凝土结构的连接形式种类繁多，目前还没有较为成熟的节点连接方式和较好的统一总结，各类不同的规范也会导致连接形式分类和工艺标准不同，值得我们去研究和探索。

（2）新型节点的施工问题同样值得进一步研究探讨，尤其是实际工程中不同跨度、不同结构布置等情况下，施工的流程及顺序仍需进一步明确。

施工过程中预制构件的制作和定位，梁柱连接缝隙如何灌浆，以及耗能角钢与梁柱结构的有效连接等等，都必须在参照国内外已有经验的基础上，进行细致的考虑和研究。

（3）国内外对于装配式混凝土梁柱节点连接的研究还在初级阶段，住宅产业化的迅速发展迫切要求我们需要跟紧时代的步伐，对此类研究必须不断完善深入，才能使住宅产业化发展得更好。

4.2致谢

时光飞逝，随着结课论文的结束，一学期的课程即将落幕。

感谢杨涛老师，在《地震工程与结构抗震理论》这门课程中，认真负责，让我们亲自完成与抗震知识相关的ppt和十分钟讲授过程，这使我受益匪浅，能够从杨老师给出的问题中思考课题相关的内容。

希望通过这次课程，我能够在专业学术上有所建树。

参考文献

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