连接节点原理和方法

2010.09/29（包括抗震规范）的要求，甚至比现浇结构具有更好的安全性、适用性和耐久性的结构体系。从国内外的研究和应用经验来看，可采用预制装配式框架结构、预制装配式剪力墙结构、预制装配式框架－现浇剪力墙（核心筒）结构体系。结构中承重构件可以全部为预制构件或者预制与现浇构件相结合。其中，预制装配式剪力墙结构可以分为全预制剪力墙结构、部分预制剪力墙结构和适当降低结构性能要求的多层剪力墙结构（以下简称为预制装配式大板结构）。预制装配式框架结构及预制装配式框架－现浇剪力墙（核心筒）结构中的框架，梁、柱全部采用预制构件，承重构件之间的节点、拼缝连接均按照等同现浇结构要求进行设计和施工。该结构体系具有和现浇结构等同的性能，结构的适用高度、抗震等级与设计方法与现浇结构基本相同。预制装配式框架结构可以结合预制外挂墙板应用，实现主要结构接近１００％的预制化率，尽量减少现场的湿作业。部分预制剪力墙结构主要指内墙现浇、外墙预制的结构，该结构目前在北京万科的工程中已经示范应用。由于内墙现浇，结构性能和现浇结构类似，适用高度较大、适用性好；采用预制外墙可以与保温、饰面、防水、门窗、阳台等一体化预制，充分发挥预制结构的优势。该体系的适用高度可参照现行现浇结构的有关标准并适当降低，是目前阶段较为实用的一种结构体系。全预制剪力墙结构指全部剪力墙采用预制构件拼装装配。预制墙体之间的拼缝基本等同于现浇结构或者略低于现浇结构，需要通过设计计算满足拼缝的承载力、变形要求，并在整体结构分析中考虑拼缝的影响。该结构体系的预制化率高，但拼缝的连接构造比较复杂、施工难度较大，难以保证完全等同于现浇剪力墙结构，目前的研究和工程实践还不充分，在地震区的推广应用还需要进一步的研究工作。以上两种结构体系中，可以采用整块预制墙板，也可以采用预制叠合墙板；在抗震设防地区应优先采用预制叠合板。参照日本和我国上世纪的经验，结合我国城镇化及新农村建设的需求，可发展一种新型的多层预制装配剪力墙结构体系即预制装配式大板建筑体系。该结构体系主要用于６层以下的建筑，预制墙板之间的拼缝构造可不按照等同现浇要求，只连接部分钢筋，施工简单，速度快，适用于各地区大量的多层住宅建设。当然，这种结构体系尚需要进一步的研究、总结和完善。２．２结构布置要求与现浇结构相比，预制装配式结构的平面布置宜更加规则、均匀，并应具有良好的整体性。平面长宽比不宜过大，局部突出或凹入部分的尺度也不宜过大。结构竖向布置宜规则、均匀，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力竖向突变，承重构件宜上下对齐，结构侧向刚度宜下大上小。结构相关预制构件（柱、梁、墙、板）的划分，应遵循受力合理、连接简单、施工方便、少规格、多组合，能组装成形式多样的结构系列原则。3、预制装配式框架结构的研究３．１关键技术预制装配式框架结构，是指柱全部采用预制构件、梁采用叠合梁、楼板采用预制叠合楼板的结构体系。该结构也可与现浇剪力墙或者核心筒组成框架－剪力墙结构或框架－核心筒结构。结构体系中，梁、柱宜采用简单的“一”字型预制构件，便于生产、运输及安装，梁、柱预制构件在节点区拼接成等同于现浇的整体。该结构体系的关键技术主要有以下几点：１、框架梁柱节点的设计及构造装配式结构中预制构件之间或者预制构件与现浇构件之间存在节点或接缝，当采取可靠的构造措施及施工方法保证这些节点或接缝的承载力、刚度和延性不低于现浇结构，使装配整体式结构的整体性能与现浇混凝土结构基本相同时，可将预制装配式结构称为等同现浇混凝土结构，并采用与现浇结构相同的方法进行设计设计。对于预制装配式框架结构，应通过保证梁柱节点的性能使其与现浇结构等同；否则，结构设计分析方法将变得非常复杂，难以在设计单位推广应用，成为制约应用的最大问题。梁柱节点的连接可分为干式连接和湿式连接。采用干式连接法，可能实现承载力及刚度与现浇结构类似，但是其延性及恢复力性能难以与现浇节点等同，因此不能应用于等同现浇的预制框架结构中；采用湿式连接，即节点区主筋及构造加强钢筋全部连接，节点区采用后浇混凝土及灌浆材料将预制构件连为整体，才可能实现与现浇节点性能的等同。２、构件的新型配筋设计技术研发高强及大直径钢筋的应用将减少构件中配筋数量，进而简化节点及拼缝处的连接构造，降低施工难度，加快施工进度，对促进预制装配式结构的推广应用具有重要意义。３、结构体系的抗震性能研究新型预制装配式结构体系在国外（如日本）已有成功应用经验，但在国内地震区基本没有应用经验，更没有经过强震的考验；而且由于预制板等构件在历次地震中有不佳的安全性表现，使国内学术界及工程界对预制装配混凝土结构的抗震安全性产生一定的担忧，也制约了该结构体系的推广应用。因此，需要对结构整体的抗震安全性进行充分的试验研究及理论分析，提出适宜的抗震设计方法及抗震构造措施。３．２研究进展目前，中国建筑科学研究院、同济大学、哈尔滨工业大学、东南大学等单位均进行过预制装配式框架结构的研究。中国建筑科学研究院与万科企业股份有限公司合作，对预制框架结构的套筒浆锚连接技术、梁端摩擦剪机理、预制拼接叠合梁、预制拼装柱、预制拼装梁柱节点、预制叠合板进行了比较系统的试验研究（图１）。图１预制装配式框架结构系列试验研究以上试验中，所采用的构件及节点设计技术主要基于日本前田建设公司所采用的装配式框架结构技术。所有试验均采用足尺试件，试件中柱的截面尺寸为６００ｍｍ×６００ｍｍ￣８００ｍｍ×８００ｍｍ，梁截面尺寸为３５０ｍｍ×６００ｍｍ，板厚为预制层７０ｍｍ＋现浇层７０ｍｍ。通过试验研究，初步总结了预制装配式框架结构的构件及节点受力性能、设计技术及构造要求。试验结果表明，梁柱节点可以基本实现等同现浇结构的要求，但在施工技术、构造措施上还需要进行进一步的研究，以适应国内规范及现阶段施工技术水平等的要求。同济大学、哈尔滨工业大学、东南大学等单位也做出了重要的研究成果，为预制装配式框架结构技术的发展和应用提供了技术基础，不再赘述。4预制装配式剪力墙结构的研究４．１关键技术预制装配式剪力墙结构的关键结构技术主要有以下几点：１、结构体系的研究预制装配式剪力墙结构是我国目前住宅的主要结构形式，其结构体系的研究应紧密结合住宅产业化的要求，吸收国外装配结构的先进理念，在现有研究的基础上，完善预制装配式混凝土剪力墙结构体系，包括外部叠合现浇墙和内部部分现浇剪力墙、外部挂板和轻质填充墙体系以及全预制装配或大部分预制装配剪力墙结构体系，简化连接的多层预制装配式大板结构体系，研究预制工厂加工的墙体单元率与墙体连接部位现浇率的合适比例关系，为装配剪力墙结构体系的发展提供技术支撑。２、预制墙片节点及接缝连接设计技术研究与装配式框架结构相比，装配式剪力墙结构中存在更大量的水平接2010.09/31缝、竖向接缝，这些接缝的受力性能直接决定结构的整体性能。接缝的设计方法、构造要求、施工工法都需要进行系统的研究。３、装配式混凝土剪力墙结构体系的抗震性能研究在节点及接缝研究的基础上，对装配式剪力墙结构的整体抗震性能进行研究。结合大比例剪力墙（包括短肢剪力墙）模型、装配式剪力墙空间结构模型试验与理论分析、计算机仿真模拟，研究基于新型装配式剪力墙结构的整体破坏机制、承载能力、刚度退化、变形恢复能力等抗震性能；开展新型装配式住宅结构体系结构足尺装配单元墙体和节点模型、带楼板的剪力墙平面模型的性能试验研究，验证新型装配式住宅结构体系的单元和局部承载能力、变形能力和抗震性能。研究适用于新型装配式剪力墙结构的填充墙体单元的耗能减震技术；基于大比例结构模型的拟动力试验，研究主体构件与填充墙体连接节点的耗能减震设置方案、实施效果和改进措施；针对新型预制装配式结构体系的特点，研究其减震设计方法。４、多层预制装配式大板结构体系研究预制装配式大板结构体系主要用于６层以下的住宅建筑。预制墙板之间的拼缝构造可不按照等同现浇要求，进行简化。这种结构体系类似于以前的装配式大板建筑，但是构造上有所区别，施工更简单，安全性、实用性和建筑物理性更好。需要对这种结构体系的连接构造、结构性能进行系统的试验研究和理论分析，确定其设计方法和适用范围。４．２研究进展国内已有中国建筑科学研究院、清华大学、东南大学、哈尔滨工业大学、合肥工业大学、安徽建筑工业学院等多家单位开展了预制剪力墙的部分技术研究（图２）。通过试验研究，在结构体系的连接构造、抗震性能、设计方法、施工工法等方面取得了很多成果，并编制了部分地方标准，在万科集团、南通建筑工程总承包有限公司、上海瑞安集团、黑龙江宇辉集团等的开发项目中开展了部分工程应用，不再赘述。5、预制装配式结构的连接设计５．１一般要求预制装配式混凝土结构依靠节点及拼缝将预制构件连接成为整体。连接节点的选型和设计应注重概念设计，并通过合理的连接节点与构造，保证构件的连续性和结构的整体稳固性，使整个结构具有必要的承载能力、刚性和延性，以及良好的抗风、抗震和抗偶然荷载的能力，避免结构体系因偶然因素出现连续倒塌。节点和连接应同时满足使用阶段和施工阶段的承载力、稳定性和变形的要求；在保证结构整体受力性能的前提下，应力求连接构造简单、传力直接、受力明确；所有构件承受的荷载和作用，应有可靠的传向基础的连续传递路径。承重结构中节点和连接的承载能力和延性不宜低于同类现浇结构，亦不宜低于预制构件本身，应满足“强剪弱弯，更强节点”的设计理念；预制构件的连接部位应满足耐久性和防火、防水及可操作性等要求。５．２连接的传力机理及承载力设计节点、接缝压力可通过后浇混凝土或灌浆或座浆直接传递；拉力应由各式连接筋、预埋焊接件传递。不同的接缝具有不同的剪力传递途径：１、对于剪力墙竖缝剪力，弹性阶段（裂缝前），主要靠界面粘结强度及混凝土键槽或者粗糙面的抗剪强度传递，弹塑性阶段（开裂后），主要为连接筋、销键等传递。当混凝土界面的粘结强度高于构件本身混凝土的抗拉、抗剪强度时，可视为等同于现浇混凝土，新旧混凝土可直接参与剪力传递。２、剪力墙水平接缝及框架柱接头，轴压应力和弯矩产生的压应力的静摩擦力，是主要的剪力传递方式，连接筋、销键是保证节点、接缝具有较高剩余抗剪强度和延性的关键要素。３、框架梁、连系梁接头，主要靠界面粘结强度及混凝土键槽或者粗糙面的抗剪强度、销键、连接筋及弯矩压应力的静摩擦力共同传递剪力。对于装配式混凝土结构节点、接缝，应进行受剪承载力计算。当节点、接缝灌缝材料（如结构胶）的抗压强度、粘结抗拉强度、粘结抗剪强度均高于预制构件本身混凝土的抗压、抗拉及抗剪强度时，节点、接缝配筋又高于构件配筋时，可不进行节点、接缝连接的受剪承载力计算，只需按常规要求验算构件本身斜截面受剪承载力即可。装配式混凝土结构节点、接缝受压、受拉及受弯承载力，可按现行国家标准《混凝土结构设计规范》ＧＢ５００１０的相应规定计算，其中节点、接缝混凝土等效抗压强度，可取实际参与工作的构件和后浇混凝土中的较低值。当节点、接缝所配钢筋及后浇混凝土强度高于构件，且符合构造规定时，可不必进行节点、接缝的受压、受拉及受弯承载力计算。５．３连接的构造要求装配式结构中，节点及接缝处的钢筋连接宜采用机械连接、套筒浆锚连接及焊接连接，也可采用间接搭接。剪力墙竖缝处，钢筋一般锚入现浇混凝土中；剪力墙水平接缝及框架柱接头，钢筋宜采用套筒浆锚连接或者间接搭接；框架梁接头与框架梁柱节点处，水平钢筋宜采用机械连接或者焊接。连接节点应采取可靠的防腐蚀措施，其耐久性应满足工程设计年限的要求。所有外露金属件，包括连接件和预埋件的设计均应考虑环境类别的影响，并进行防腐防锈处理；有防火要求时应采取可靠的防火措施。１、套筒灌浆连接采用套筒灌浆连接时，套筒抗拉承载力应不小于连接筋抗拉承载力；套筒长度由砂浆与连接筋的握裹能力而定，要求握裹承载力不小于连接筋抗拉承载力。套筒浆锚连接钢筋可不另设，由下柱或者墙片的纵向受力筋直接外伸形成。套筒净距不宜小于２５ｍｍ。连接筋与套筒位置应完全对应，误差不得大于２ｍｍ。连接筋插入套筒后压力灌浆，待浆液充满全部套筒后，停止灌浆，静养１￣２天即可。中国建筑科学研究院对日本东京钢铁厂的套