閆麗娟，胡錦秀，代本明，馬亞楠

（1. 青島城市學(xué)院，山東 青島 266100；2. 青島理工大學(xué)，山東 青島 266033；3. 青島平度控股集團有限公司，山東 青島 266700）

0 引言

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用建筑中，具有建筑空間布置靈活、混凝土用量少、傳力明確、延性好和施工方便等優(yōu)點。目前國內(nèi)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)主要采用現(xiàn)澆施工，裝配化程度并不高。隨著我國建筑產(chǎn)業(yè)的升級轉(zhuǎn)型以及工業(yè)5.0 的到來，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)必將是未來的發(fā)展趨勢。

裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)具有構(gòu)件質(zhì)量好、施工現(xiàn)場工作量少和施工效率高等優(yōu)點，而且隨著大型機械設(shè)備及智能裝備的普及，裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)會獲得越來越廣泛的應(yīng)用[1]。梁柱節(jié)點是裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)最關(guān)鍵的連接節(jié)點之一， 本文對近年來研究的裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點進行了梳理總結(jié)，介紹了它們的構(gòu)造特點、研究情況、耗能特點及實際應(yīng)用情況，并對未來發(fā)展方向作了一定預(yù)期。

1 非預(yù)應(yīng)力裝配式梁柱節(jié)點

非預(yù)應(yīng)力裝配梁柱節(jié)點可分為濕連接和干連接兩種[2]。濕連接是在構(gòu)件邊緣預(yù)留鋼筋，施工時將這些鋼筋相互綁扎或焊接，然后澆灌混凝土而連接成整體的一種做法。干連接則是采用螺栓、焊接等沒有濕作業(yè)的方式將構(gòu)件進行連接。

1.1 濕連接節(jié)點

濕連接節(jié)點根據(jù)連接位置可以分為兩種，一種是將預(yù)制柱和預(yù)制梁的裝配連接點設(shè)置在受力較大的梁柱交接處，甚至是抗震耗能部位附近[2]。濕連接節(jié)點等同現(xiàn)澆，其優(yōu)點是預(yù)制梁柱比較規(guī)則，便于高效生產(chǎn)、運輸和安裝；缺點是梁柱裝配區(qū)域耗鋼量大、鋼筋多，現(xiàn)場施工難度大，工期較長。另一種是將預(yù)制柱和預(yù)制梁的連接點設(shè)置在受力較小的遠離梁柱交接部位，這種連接構(gòu)造簡單，耗鋼量小、現(xiàn)場施工要求相對較低，但預(yù)制構(gòu)件多為含梁柱節(jié)點的異形構(gòu)件，給制作、運輸和安裝帶來了一定困難，目前應(yīng)用較少。

谷偉、張馨心等[3]提出了一種掛鉤式預(yù)制梁柱節(jié)點，如圖1 所示，該節(jié)點構(gòu)造由節(jié)點邊梁、預(yù)制間梁和混凝土后澆段組成。在連接區(qū)段，梁柱縱向受力鋼筋通過節(jié)點核心區(qū)且不截斷，在兩側(cè)邊梁延伸處的縱筋和箍筋端部焊接掛環(huán)，在預(yù)制間梁伸出的縱筋和箍筋端部焊接掛鉤，安裝時將預(yù)制間梁鋼筋掛鉤分別鉤掛在節(jié)點邊梁鋼筋的掛環(huán)上，然后在拼接位置澆筑高一級強度等級的混凝土使其形成整體。掛鉤式預(yù)制梁柱節(jié)點是按等同現(xiàn)澆的理念進行設(shè)計的，試驗研究表明，鋼筋鉤掛連接處應(yīng)變數(shù)值隨荷載增加而增大，鋼筋應(yīng)變速率大體呈均勻變化趨勢，表明節(jié)點工作性能良好，能有效傳遞內(nèi)力[3]。節(jié)點滯回曲線與現(xiàn)澆節(jié)點相似，具有與現(xiàn)澆節(jié)點類似的耗能能力。但鋼筋連接處工序較復(fù)雜、施工難度較大，節(jié)點的抗震性能很大程度上取決于鋼筋連接處的施工質(zhì)量，這種預(yù)制梁柱節(jié)點較難在實際工程中推廣應(yīng)用。

圖1 掛鉤式預(yù)制梁柱節(jié)點Fig.1 Hook type precast beam column joint

為了提高濕連接節(jié)點的抗震性能，很多學(xué)者研發(fā)了消能減震及隔震裝置，將其安裝在梁柱節(jié)點后均已獲得較好的耗能性能。2015 年，譚平等[4]提出了一種適用于裝配式隔震結(jié)構(gòu)中隔震層節(jié)點的設(shè)計方案（圖2）。該隔震節(jié)點上、下柱整體預(yù)制，并在節(jié)點區(qū)提前預(yù)埋與預(yù)制梁縱筋位置對應(yīng)的貫通縱筋，預(yù)制梁與預(yù)制柱通過節(jié)點區(qū)邊緣的鋼筋搭接焊連接，支墩底部設(shè)置隔震支座[1]。

圖2 裝配式梁柱隔震節(jié)點Fig.2 Precast beam column isolation joint

周云、吳從曉等[5]將扇形黏彈性阻尼器安裝在梁柱節(jié)點處，形成裝配式耗能節(jié)點，如圖3所示為扇形黏彈性阻尼器，圖4 為安裝扇形阻尼器的裝配式耗能節(jié)點。

圖3 扇形黏彈性阻尼器Fig.3 Sector viscoelastic damper

圖4 裝配式耗能節(jié)點Fig.4 Fabricated energy dissipation joint

通過試驗研究，發(fā)現(xiàn)安裝了扇形黏彈性阻尼器的裝配式框架梁柱節(jié)點的抗側(cè)移剛度和開裂荷載、極限荷載均有所提高，改善了節(jié)點的延性性能，且降低了節(jié)點承載力退化的速度；試驗試件的滯回曲線比較飽滿，節(jié)點總耗能能量是普通預(yù)制節(jié)點的2 倍。而且安裝了扇形鉛黏彈性阻尼器的預(yù)制梁柱節(jié)點受力模式得到了改變，使得節(jié)點核心區(qū)的裂縫減少了，梁端后澆區(qū)段的縱向受力鋼筋和箍筋的變形明顯減小了[5]。

1.2 干連接節(jié)點

非預(yù)應(yīng)力干連接節(jié)點一般在預(yù)制柱上附加牛腿，梁端剪力通過牛腿傳遞給預(yù)制柱，彎矩可以通過螺栓或鋼筋連接器來完成傳遞。通過不同的構(gòu)造措施可形成鉸接、剛接或半剛接節(jié)點。此外，干連接還可以結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)，在梁柱節(jié)點處形成鋼質(zhì)節(jié)點，如圖5 為馬哲昊、張紀(jì)剛等[6]提出的節(jié)點形式APDH（Artificial Plastic Dissipative Hinge），圖6 為哈爾濱工業(yè)大學(xué)王晨[7]提出的裝配式鋼質(zhì)耗能節(jié)點，重點研究了采用L 型組合鋼板、槽形鋼板（圖5）、箱型閉合截面三種不同節(jié)點的抗震性能。試驗研究表明，此類節(jié)點將鋼鉸點與混凝土梁很好地結(jié)合，提高了結(jié)構(gòu)的裝配化程度，并且具有較好的抗震性能。

圖5 裝配式人工消能塑性鉸構(gòu)造Fig.5 The ADPH joint configuration

圖6 裝配式鋼質(zhì)耗能節(jié)點Fig.6 Fabricated steel plate energy dissipation joint

以上所提的5 種非預(yù)應(yīng)力裝配式梁柱節(jié)點的受力性能匯總于表1。

表1 非預(yù)應(yīng)力裝配式梁柱節(jié)點匯總

綜上，非預(yù)應(yīng)力裝配式梁柱節(jié)點在安裝阻尼器或采用鋼質(zhì)鉸點后，其延性和耗能能力較好。而且采用鋼質(zhì)鉸點的節(jié)點屬于干連接，避免了濕作業(yè)，提高了結(jié)構(gòu)的裝配化水平。

2 預(yù)應(yīng)力裝配式梁柱節(jié)點

1990 年，美國和日本合作開展了預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)抗震研究項目PRESSS[8]（Precast Seismic Structural System Research Program） 開始對裝配式混凝土干性連接節(jié)點進行研究，即采用預(yù)應(yīng)力筋等新型連接方式直接進行拼裝，使結(jié)構(gòu)的非線性變形集中于連接區(qū)域，而結(jié)構(gòu)的其它部分基本保持彈性[8]。

更為重要的是采用預(yù)應(yīng)力筋作為裝配手段后，因為預(yù)應(yīng)力筋的回彈，預(yù)制構(gòu)件在地震作用下產(chǎn)生的非線性變形可以恢復(fù)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)自復(fù)位，減小殘余變形。由于兼具耗能性和自復(fù)位性，許多學(xué)者針對這類節(jié)點進行了更深入的研究，目前主要有以下三種形式：（1）采用預(yù)應(yīng)力筋直接進行節(jié)點拼裝；（2）在第一種形式的基礎(chǔ)上，采用鋼筋或角鋼等作為耗能件，形成混合式節(jié)點Hybird Frame Joint；（3）引入消能減震思想，在節(jié)點設(shè)置阻尼器。

2.1 有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力裝配節(jié)點

有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力節(jié)點是僅采用預(yù)應(yīng)力筋直接裝配的節(jié)點。此類節(jié)點在日本應(yīng)用較廣泛，如圖7 所示，在節(jié)點上下部均設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋，既用于裝配又可以承擔(dān)彎矩，節(jié)點自復(fù)位能力較好，但耗能能力較弱[2]。為了增強節(jié)點耗能能力，一般會在節(jié)點中引入耗能裝置。

圖7 有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力裝配節(jié)點Fig.7 Bonded prestressed assembly joint

2.2 混合式節(jié)點

混合式節(jié)點（Hybird Frame Joint） 是在預(yù)應(yīng)力裝配節(jié)點的上、下部設(shè)置耗能鋼筋或耗能角鋼，形成預(yù)應(yīng)力自復(fù)位裝配節(jié)點[1]。如圖8 所示，節(jié)點中的預(yù)應(yīng)力筋一般采用無粘結(jié)，在地震作用下，無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋始終保持彈性，這樣震后可以減小殘余變形甚至使構(gòu)件恢復(fù)原位，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)自復(fù)位；設(shè)置在梁上、下部的普通鋼筋則可以消耗地震能?；旌鲜焦?jié)點也可以在梁頂?shù)撞吭O(shè)置角鋼進行耗能，如圖9 所示。

圖8 混合式節(jié)點（耗能鋼筋）Fig.8 Hybird frame joint（energy dissipation reinforcement）

圖9 混合式節(jié)點（耗能角鋼）Fig.9 Hybird frame joint（energy dissipation angle steel）

國外學(xué)者對混合式節(jié)點進行了比較系統(tǒng)的研究，認為該體系的抗側(cè)能力基本等同現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，而且可以實現(xiàn)在地震作用下自復(fù)位、低損傷的性能要求，并且研究出了相應(yīng)的設(shè)計方法和計算機仿真分析方法。

國內(nèi)很多學(xué)者也對混合式節(jié)點進行了理論與試驗研究，并提出了一些改進措施。2008年，梁培新[9]直接取消了混合式節(jié)點下部的耗能鋼筋，預(yù)制梁上部的耗能鋼筋用直螺紋接頭與預(yù)制柱內(nèi)的鋼筋連接[2，9]，如圖10 所示。并進行了3 個邊節(jié)點試驗，通過改變預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力大小、無粘結(jié)段長度和耗能鋼筋的數(shù)量分析了節(jié)點對這些因素的敏感性[2，9]。試驗和分析表明該節(jié)點具有混合式節(jié)點低損傷的特性，但其耗能能力較現(xiàn)澆節(jié)點略低[2]。

圖10 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力裝配節(jié)點Fig.10 Unbonded prestressed assembly joint

2.3 設(shè)阻尼器的梁柱節(jié)點

為了獲得更好的耗能效果，裝配式混凝土梁柱節(jié)點一般會安裝阻尼器，并配置無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋，形成自復(fù)位耗能節(jié)點。

2012 年，郭彤[10]提出了腹板摩擦自定心無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力裝配式梁柱節(jié)點，如圖11 所示，在柱身預(yù)埋外伸的槽鋼，并將其通過摩擦片和高強螺栓進行連接，形成摩擦阻尼器夾緊梁端。地震作用下，利用梁柱相對變形產(chǎn)生的摩擦力進行節(jié)點耗能。隨后進行了14 個低周往復(fù)荷載節(jié)點試驗，結(jié)果表明，該節(jié)點具有良好的耗能能力和自復(fù)位性能，但因節(jié)點使用了槽鋼及其他摩擦裝置，導(dǎo)致節(jié)點制造較復(fù)雜，也使得造價有所提高[9-10]。

圖11 腹板摩擦自定心無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力裝配節(jié)點Fig.11 Web friction self-centering unbonded prestressed assembly joint

馬俊峰、周臻等[11]提出一種在梁頂?shù)自O(shè)摩擦阻尼器的自復(fù)位混凝土梁柱節(jié)點，并運用有限元軟件對其進行了有限元模擬和參數(shù)化分析，結(jié)果表明，節(jié)點滯回曲線飽滿，具有明顯的旗幟型特征；阻尼器摩擦力的增加提高了節(jié)點張開力和耗能能力。

Wolski M 等[12]將摩擦阻尼器設(shè)置在梁翼緣下，形成了一種BFFD（Bottom Flange Friction Device） 節(jié)點裝置，如圖12 所示，并在梁中設(shè)計預(yù)應(yīng)力筋實現(xiàn)節(jié)點自復(fù)位。之后進行了7 次大尺寸循環(huán)加載試驗，得出了影響該節(jié)點連接性能的主要因素有：BFFD 摩擦力的大小、連接構(gòu)造和循環(huán)次數(shù)。試驗結(jié)果表明，BFFD 提供了可靠的能量耗散，在設(shè)計地震下，節(jié)點無損傷[12]。

圖12 阻尼器設(shè)置在梁柱外側(cè)的耗能節(jié)點Fig.12 Energy dissipation joint with the damper

2018 年，黃林杰、周臻等[13]設(shè)計了一種應(yīng)用于混凝土自復(fù)位梁柱節(jié)點的頂?shù)啄Σ梁哪茏枘崞鳎鐖D13 所示，主要由頂?shù)淄饽Σ裂b置、內(nèi)摩擦裝置、預(yù)緊螺栓以及摩擦片組成。地震作用下，梁柱界面往復(fù)張開和閉合，梁柱產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)角，使得頂?shù)變?nèi)外摩擦裝置與摩擦片之間發(fā)生相對轉(zhuǎn)動滑移消耗地震能。

圖13 頂?shù)邹D(zhuǎn)動摩擦阻尼器裝配節(jié)點Fig.13 Precast joint with damper setting at top and bottom brace

Morgen[14]將其設(shè)計的轉(zhuǎn)動摩擦阻尼器作為耗能腋撐安裝在梁柱節(jié)點上，如圖14 所示。通過對大尺寸框架的試驗研究，確定了相對獨立于激勵速度和位移幅度的可重復(fù)和可靠的阻尼器滯回性能曲線形狀為近似矩形，每進行一次循環(huán)即有較大的能量耗散；并且得出阻尼器的初始剛度允許在響應(yīng)早期發(fā)生滑移，從而可以在結(jié)構(gòu)發(fā)生較小位移時就可以起到摩擦耗能的目的。

圖14 阻尼器作為耗能腋撐的梁柱節(jié)點Fig.14 Beam column joint with damper as rotating friction energy dissipation axillary

3 結(jié)語

本文介紹了裝配式混凝土框架梁柱節(jié)點的兩種形式：非預(yù)應(yīng)力節(jié)點和預(yù)應(yīng)力節(jié)點。針對國內(nèi)外兩類節(jié)點的各種具體形式進行了綜述分析，具體總結(jié)如下：

（1）非預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土梁柱節(jié)點中的濕連接節(jié)點等同現(xiàn)澆設(shè)計，具有較好的整體性，且構(gòu)件制作簡單，但裝配化程度并不高，難以實現(xiàn)工業(yè)化。干連接節(jié)點一般需要設(shè)置鋼構(gòu)件，例如鋼牛腿、耗能鋼板等，所以構(gòu)件制作相對復(fù)雜，且目前主要處于研究階段，真正應(yīng)用到實際工程的并不多，但具有較好的結(jié)構(gòu)延性和耗能能力。后期如果能經(jīng)過實踐檢驗并實現(xiàn)批量生產(chǎn)，可以大大提高裝配化水平。

（2）預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土梁柱節(jié)點中的有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力節(jié)點和混合式節(jié)點均有一定的工程應(yīng)用，具有較好的整體性和耗能性，但無法實現(xiàn)節(jié)點變形的自復(fù)位。為了實現(xiàn)“耗能+自復(fù)位”的目標(biāo)，現(xiàn)在更多地學(xué)者研究配置無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋和阻尼器的裝配節(jié)點，阻尼器的形式大多為摩擦型，運用摩擦阻尼器消耗地震能，通過無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋使節(jié)點殘余變形減小，最終實現(xiàn)結(jié)構(gòu)自復(fù)位。