冯 波
(中国五冶集团有限公司，四川 成都 610000)
1 概述
装配式混凝土结构是指建造房屋所需要的构件在工厂进行预制并在现场通过可靠的连接形成的混凝土结构体系[1]。与传统的现浇结构体系相比，装配式结构具有施工速度快、绿色环保等优点。并且，装配式结构的构件采用了工厂预制的生产方式，因此可同其他制造业一样，实现机械化生产以及流水作业，提高生产效率，降低劳动力需求，改善劳动者的工作环境，同时还有助于保证产品质量[2-4]，Basler统计发现[5]，装配式结构混凝土的强度变异系数为7%，明显低于现浇结构的变异系数。
正因为装配式结构相较于传统的现浇结构而言有着众多的优势，装配式结构已经在美国、日本、欧洲和新西兰等国家和地区有着广泛的应用。调查结果显示，在欧洲土木工程结构中，装配式结构占到了35%～40%，美国为35%，俄罗斯达到了50%[6]。虽然我国从20世纪50年代就已经着手预制装配式结构的研究与应用[7]，但是目前我国的装配式建筑在新建建筑中的应用比例还不到5%[8]。为了推动装配式建筑在我国的应用，2016年国务院明确提出要在我国大力发展装配式建筑，力争到2025年装配式建筑要占到新建建筑的30%[9]。
限制装配式结构在我国推广的一个重要原因是装配式结构的抗震性能较差，在汶川地震中大量预制板的破坏更是凸显了装配式结构抗震性能差的问题[10-12]，在汶川地震中预制板被当地人民称为“棺材板”。除此以外，限制装配式结构在我国推广的原因还有装配式结构设计难度较大，缺乏相应的设计人员和设计理论，以及预制构件运输困难等[13]。
装配式结构的连接形式是影响装配式结构抗震性能的重要因素之一。汶川地震的震害调查结果表明，缺乏有效的连接是导致装配式结构在地震中倒塌的一个重要原因，因此提高装配式结构的抗震性能最直接的措施就是提高构件间的连接性能。本文针对装配式混凝土框架结构总结了目前的节点连接形式，并分析了各种连接形式的优缺点。
2 节点连接形式
装配式混凝土框架结构的节点连接形式是影响结构性能的关键因素之一，目前应用比较广泛的节点连接形式主要有3种：后张预应力连接、干式连接和后浇整体式连接。
2.1 后张预应力式连接
后浇预应力式连接是通过预应力的夹持作用将装配式混凝土框架结构中的梁和柱连接成为一个整体。国外对于这类连接形式的研究比较有代表性的为1987年美国国家标准与科学技术协会(NIST)发起的关于研发预制混合抗弯框架结构体系PHMRFS(Precast Hybrid Moment Resistant Frame System)的研究项目。
PHMRFS研究项目对节点连接形式的研究分为4个阶段，第一阶段为探索阶段，在这一阶段中对两个采用无黏结后张预应力连接的预制梁柱节点和4个现浇节点进行了低周反复试验，试验结果显示[14]在抗弯承载力和延性方面，采用无黏结后张预应力连接的预制梁柱节点均高于现浇节点，但是耗能能力大幅下降，单周耗能和积累耗能分别仅为现浇节点的30%和70%。
为了提高节点的耗能能力，Cheok和Lew开展了第二阶段的研究[15]。在这一阶段，Cheok和Lew对6个预制梁柱节点进行了试验研究，试验中将节点连接形式由无黏结后张预应力连接改为了有黏结后张预应力连接，增加了后张预应力钢筋与混凝土间的锚固，改变了预应力钢筋的种类，并把预应力钢筋的位置移动到截面中部。试验结果表明，装配式节点的抗弯承载力和延性同样高于现浇节点，并且连接形式改进后有效提高了预制节点的耗能能力，但是改进后的节点单个滞回环耗散的能量也仅为现浇节点的60%。试验中还发现，在试验后期，预应力钢筋进入塑性，节点刚度明显降低。
在第三阶段的研究中[16]，Cheok和Lew采用了Priestley和Tao提出的部分无黏结后张预应力的连接形式，即在节点核心区及其附近区域，后张预应力钢筋不锚固，以降低该区域预应力钢筋的应变，延缓其进入塑性阶段，提高节点在加载后期的刚度。通过试验发现，经过上述改进后，节点的承载力和刚度均有所提高，但是耗能能力依然较低，其耗能能力大约为采用有黏结预应力连接节点的50%。
第四阶段的研究[17]进一步改进了连接形式，在采用后张预应力连接的同时，加入了非预应力钢筋，通过非预应力钢筋的屈服提高节点的耗能能力。试验结果发现，采用改进连接形式的梁柱节点耗能能力明显提高，在层间位移角小于1.5%以前耗能能力与现浇节点基本相当，但是到了后期由于非预应力钢筋的断裂，耗能能力迅速下降，远低于现浇节点。
在20世纪90年代美国和日本合作开展的PRESSS项目(Precast Seismic Structural System Research Program)中，Priestley等对后张预应力式的节点连接形式进行了系列研究。1993年，Priestley等[18]首先对采用部分无黏结后张预应力式连接的梁柱节点进行了理论研究，建立起了理论分析方法，并且指出在节点核心区以及节点两侧一定范围内预应力钢筋与混凝土不黏结可以保证当节点发生较大变形时预应力钢筋保持弹性，降低发生大变形后节点刚度退化以及残余变形，提高大震后的可修复性，但是由于预应力钢筋处于弹性状态，节点耗能能力较弱。同时也指出，为了能够保证梁端塑性铰性能，应在梁端区域增加体积配筋率不低于2%的螺旋箍筋。
1996年，Priestley等[19-20]对两个采用后张无黏结预应力连接的梁柱节点进行了试验研究，研究结果表明，预制节点的层间位移角可达到2.8%～4%，远大于规范的相关要求，且残余变形小，在地震后具有良好的自恢复能力，在经历低周反复荷载后节点损伤较小，但是采用后张无黏结预应力连接的梁柱节点耗能能力较低。Priestley等根据试验结果还提出节点的拉压杆模型以及滞回模型，为该类节点的分析设计提供了依据。
1999年，Priestley等[21]对一个缩尺比例为60%的装配式建筑进行拟动力试验。从试验结果中可以看到，采用后张预应力式连接的装配式框架结构损伤程度较小，仅在梁端产生了轻微的混凝土保护层剥落，结构具有很强的变形能力，远大于规范要求，且残余变形很小(如图1所示)。
国内部分科研机构在近年来也对后张预应力式连接进行了研究，东南大学的潘其健等[22-23]在2006年对采用有黏结和部分黏结的后张预应力连接的装配式框架节点进行了试验研究，试验中为了防止在大震下预应力钢筋发生预应力的大量损失，导致节点抗剪能力不足，在预制柱上设置了暗牛腿，以提供部分抗剪承载力。试验结果显示采用后张预应力式连接的框架节点，其破坏模式为接缝面的张开和接缝面处混凝土的压碎，预制构件损伤较小，残余变形小，自恢复能力强，但是节点的耗能能力较差，同时牛腿处损伤严重，应当在设计中加强。
北京工业大学的董挺峰等[24]对采用无黏结后张预应力连接的装配式框架节点进行了研究，其研究结果与其他学者的研究结果类似，发现该类节点具有良好的变形能力和延性，残余变形小，自恢复能力强，但是耗能能力较差，仅为现浇节点的60%～80%。
从国内外的研究结果可以看出，采用后张预应力的连接形式会造成装配式混凝土框架结构耗能能力的明显降低，这将导致装配式结构在地震中的响应增强。为了能够提高结构的耗能能力，部分学者提出在结构中设置附加的耗能装置，如设置阻尼器或者在节点中加入软钢[25-26]，以提高结构的耗能能力。通过试验结果可以发现，添加附加的耗能装置能够有效提高节点的耗能能力，但是这也提高了房屋的造价以及施工的难度。并且，由于采用这种连接方式需要在现场对结构施加后张预应力，这也会提高结构的造价以及施工难度，因此也就限制了该类连接形式在工程中的应用。
2.2 干式连接
干式连接是通过在预制构件内预埋连接件，在现场安装时利用螺栓或者焊接等方式将各个预制构件连接成为整体。采用这种连接方式能够有效减少现场的湿作业，由于不需养护，所以能够快速形成承载力。
2009年，南洋理工大学的Li等[27]对采用螺栓连接的装配式混凝土梁柱节点进行了试验研究，构件制作时在梁和柱内预埋角钢，并在角钢上预留螺栓孔，最后通过螺栓连接将预制构件连接成为一个整体。试验结果表明，在反复荷载作用下，采用这种连接方式的梁柱节点具有较高的承载力以及良好的延性，角钢对节点核心区混凝土起到了良好的约束作用，降低了节点核心区混凝土的剪切变形。Li等还在试验结果的基础上进行了有限元分析，分析结果表明角钢的尺寸对节点的性能有较大影响，并依据有限元结果给出了优化的角钢尺寸以及预埋长度。
2009年，Ousalem等[28]对采用螺栓连接的高强混凝土预制梁进行了试验研究。Ousalem提出的连接方式选择在跨中进行连接，对需要连接的梁在连接区域设置企口并在企口处预留螺栓孔，连接时将螺栓穿过企口，将梁连接到一起。试验结果表明，采用这种连接方式的梁其破坏模式与现浇梁类似，且具有良好的延性、承载力和耗能能力，表现出良好的抗震性能。
国内研究方面，2005年，天津大学的李忠献[29-30]提出了在混凝土梁和柱内预埋型钢，再通过螺栓将梁柱的节点连接，并且为了体现强柱弱梁的设计理念，对预埋在梁内的型钢翼缘进行了削弱。试验结果显示，采用这种连接形式的梁柱节点能够具有良好的抗震性能。
2005年—2007年，范力等对采用橡胶螺栓连接的框架节点进行了试验研究，研究表明，橡胶螺栓连接框架节点的恢复力模型与现浇节点有较大差异，表现为非线性弹性模式，滞回曲线捏缩现象明显，耗能能力较差，但是弹性变形能力大，残余变形较小。
从对采用干式连接的装配式混凝土框架梁、柱以及梁柱节点的研究结果可以看出，采用适当的干式连接形式且经过合理的设计能够保证框架节点具有良好的抗震能力。但是，螺栓或者焊接等干式连接形式仍然具有一定的问题。采用螺栓连接的装配式框架结构对构件的制作、安装都有着很高的精度要求，这对我国装配式建筑的构件制作技术和施工技术是较大的挑战。焊接的质量很大程度上受工人技术的影响，使得质量难以得到保证，通常需要增加现场的检验，以免留下安全隐患[31]。并且，采用干式连接的装配式框架结构还会增大结构的用钢量，提高结构的造价。因此，目前干式连接在我国的装配式混凝土建筑中应用还并不广泛。
2.3 后浇整体式连接
目前，后浇整体式连接是我国应用最为广泛的一种连接形式。这种连接形式是通过在装配式结构中预留后浇区域，待构件吊装就位以后，在后浇区域内二次浇筑混凝土使结构连接成整体。目前，国内外部分学者针对这种连接形式进行了相应的研究。
1995年，Loo和Yao[32]对18个1/2缩尺梁柱节点模型进行了试验研究，试件共分为6组，每组中包含1个现浇节点，2个后浇整体式节点，这两个装配式节点的差别主要为有无牛腿，组与组之间的差别为加载方式以及梁的配筋率。试验结果表明，后浇整体式节点与现浇节点在开裂模式上基本相同，且在承载力、延性以及耗能能力方面均优于现浇节点，无牛腿节点在静力荷载作用下的延性优于带牛腿节点的延性。
1995年，新西兰的Restrepo等[33-34]对6种后浇整体式梁柱节点进行了拟静力试验研究，所有试件均按照新西兰高烈度区10层左右的建筑进行设计，试件的差异主要有后浇位置、钢筋连接形式等。试验结果表明，后浇整体式梁柱节点都表现出良好的承载力、延性以及耗能能力，延性系数均大于6，层间位移角超过2.4%，试件中的构造差异并未产生明显影响。
在我国应用比较广泛的叠合式的框架结构[35](如图2所示)同样采用的是后浇整体式的节点连接形式，其通常的做法是将梁和楼板的下部预制，上部预留钢筋，同时柱也在工厂预制，安装时将楼板和梁的上部以及梁柱节点核心区在现场一起二次浇筑，形成整体的框架结构。北京建筑大学[36]和北方工业大学[37]在2014年都对叠合式框架节点进行了试验研究，研究表明，叠合式梁柱节点的抗震性能基本达到等同现浇，实际工程中对这类节点的设计可以按照现浇节点进行设计。
南京大地集团从法国引进的世构体系(Scope)[38]采用的也是后浇整体式连接，其预制构件包括预制钢筋混凝土柱，预制预应力叠合梁、叠合板(见图3)。该体系在柱的两侧设置后浇段和键槽，后浇段内预留钢筋设置90°弯钩以保证其锚固性能，连接时将叠合梁的上部、叠合板的上部、后浇段以及节点核心区进行二次浇筑。东南大学的朱洪进[39]在2006年对采用世构体系的装配式框架节点进行了试验研究、数值研究以及受力机理分析。研究结果表明，世构体系具有较好的抗震性能，并且按照现行的抗震设计规范以及混凝土设计规范对结构进行设计能够满足结构的抗震要求[40]。
2015年，广州大学的吴从晓等[41]对后浇整体式梁柱边节点进行了试验研究，并与现浇节点进行了对比。通过分析两类节点的延性、承载力以及耗能，发现后浇整体式框架节点与现浇节点具有相同或者相似的抗震能力。
从国内外对后浇整体式梁柱节点的研究结果可以看出，后浇整体式框架节点具有良好的抗震能力，经过合理的设计基本能够达到等同现浇，因此采用后浇整体式连接的装配式混凝土框架结构可以按照现浇结构的设计方法进行设计，降低了设计的难度。与干式连接和后浇整体式连接相比，后浇整体式连接对构件制作以及安装的精度要求较低，施工简单，这也就使得这种连接方式更具有推广应用的潜力。
3 结语
本文通过对文献的整理，将装配式框架结构连接形式分为了三类，分别为后张预应力连接、干式连接和后浇整体式连接。其中，后张预应力式连接会造成结构耗能能力的降低，容易造成结构在地震作用下响应增加，且施工不便，因此在我国应用并不广泛。干式连接现场湿作业少，且能快速形成承载力，但是对预制构件的生产和安装精度要求较高，因此现阶段推广困难。后浇整体式连接对构架精度要求较低，设计方法基本可沿用现浇理论，研究结果也表明其抗震性能可以达到等同现浇，因此在目前我国建筑业制造水平不高的情况下最具有推广潜力。
