（土木工程专业论文）装配式预制混凝土梁柱叠合板节点抗震性能研究.pdf

独创性声明 l 掣掣哕嫂掣型哕唧 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：至塑g 日期： 2 q i q ：q 5 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 戳：删 导师签名：= q 鼍 1 日妇：矽2 4 6 曰l l 厨 摘要 摘要 装配式钢筋混凝土结构由于具有构件质量好、湿作业量少、施工周期短、节 约材料、经济和社会环境效益好等优点而成为一种重要的单层或多层结构体系。 为研究高层装配式混凝土结构的抗震性能，并为建立该结构装配式节点的抗震设 计方法提供依据，本文选取某高层住宅楼典型的节点进行研究。这种装配式预制 梁柱叠合板节点，取自结构的底层，具有高轴压、大尺寸等特点。 本文共设计了5 个足尺试件，即2 个边节点足尺试件和3 个中节点足尺试件。 通过低周期往复荷载试验，研究了预制梁柱叠合板装配节点的开裂破坏形态、 滞回特性、耗能性能、刚度退化、延性性能、骨架曲线、耗能能力、节点的拼缝、 梁柱的相对转角、钢筋应变、混凝土应变等抗震性能。结果表明：锚固连接拼装 边节点( p c j b ) 与现浇边节点( i 屺j b ) 具有相当的抗震性能，贯通连接装配 中节点( p c j z g ) 与现浇中节点( r c j z ) 具有相当的抗震性能，而锚固连接拼 装中节点( p c j z m ) 的抗震性能很不稳定，梁钢筋锚固质量对其抗震性能影响 很大，设计时应增加锚固长度或采取其他方式增加连接性能。 应用a b a q u s 有限元软件对r c j b 节点和r c - j z 节点的骨架曲线进行了模 拟，模拟结果和试验结果基本吻合。a b a q u s 模拟节点的破坏部位和形式与试 验结果基本一致，验证了模型的合理性与准确性。a b a q u s 的数值模拟结果， 为结构试验提供了加载依据。 应用0 l p e n s e e s 程序对r c j b 节点和r c j z 节点的滞回曲线进行了模拟，数 值模拟的结果与试验结果比较吻合，但数值模拟的卸载刚度偏大，主要原因是 o p e l l s e e s 模型采用常刚度卸载并且不考虑钢筋与混凝土之间的滑移。 关键词：混凝土结构；预制梁柱一叠合板装配节点；抗震性能；有限元模拟； 摘要 a b s t r a c t a bs t r a c t p r e - c a s tr e i n f o r c e dc o n c r e t e 咖c t u l 髑t 1 1 a th a v el l i 曲删i 吼l i t t l ew e 俩o r k ， s h o r tc o n s 仃u c t i o np e r i o d ，s 撕n gm a t 耐a l ，g o o de c o n o m i c 觚ds o c i a le i l v e i l t a l b e i l 面t sb e c o m eak i n do fi i l l p o r t a i l ts 仃i l c t u r a ls y s t e mg r a d u a l l y s oi no r d e rt 0 锄a i y z es e i s m i cb e h a v i o r0 f 瑚l u l t i s t o 巧p r e c a s tc o n 凹e t es n m c t l l r e sa n dp r o 访d eb a s i s f 0 rs e i s m i c d e s i g nm e t l l o do f l i s 硒s e m b l yj o i n t ，t h i se x p e r i m e n t s e l e c t ss o m e 印硎m e n tb u i l d m gt y p i c a lj o i n t st 0c 0 n d u c tt h es t u 咄t h i sp r e c a s tl a y e r c ds l a ba n d b e 锄t 0c o l u l l f l i lj o i m st a l 【i n g 丘o ms m j 瓣s 目- 0 u n dn o o ra r el l i g ha x i a ll o a d i n g 锄d t h el a r g es i z ec h a r a c t 甜s t i c se t c t h ea n i c l ed e s i 朗c s 丘v em l l s c a l em o d e l sa l t o g e t h e r i n c l u d i n gt w oe x t e r i o r j o i n t s 赳1 dn m e ei n t 嘶o rj o i i l t s t h i se x p 舐m e n ti n v e s t i g a t e dt h es e i s m i cb e _ h a v i o ro f p r e c a s tl a y e r e d s l d ba n db e 锄t 0 c o l u 埘1 1 1 j o i n t s u n d e r l o w c y c l e r e v e r s e d l o a d i n i n c l u d i n g l ef a i l u r e p a t t e n l ，h y s t e r e t i cc h 娥斌嘶s t i c ，e 1 1 鹕y d i s s i p a t i o n ，r i 舀d i t yd e 蓼a d a t i o nd u c t i l i 坝s k e l e t o nc u r v e ，a b 眦e ds e 锄，r e l a t i v e 锄酉eo f b e a m 觚dc o l l m m ，r e i n f o r c 锄e n ts 觚i n ，c o n c r e t es t r a i n t h es t u d yr e s u l t si n d i c a t e dt l l a t e a n h q u a k er c s i s t a n c ep e r f o n n 锄c eo fm ep c - j bj o i n ti sa l m o s te q u a lt ot l l er c j b j o i n t ，e a r t h q u a l ( er e s i s t a n c ep e r f o m 锄c eo fm ep c - j z gj o i n ti sa l m o s te q u a lt 0t h e r c - j zj o i n t ，b me a n l l q u a l 【er e s i s t a n c ep e r f o n n 锄c eo ft h ep c - j z mj o i n ti s v e r ) ， u n s t a b l e a n c h o r a g eq u a l i t yo fb e 锄sr e i n f o r c e m e n t 雩e a t l yi n f l u e l l c ei t se a n h q u a k e r e s i s t a n c ep 柏咖a n c e d e s i g ns h o u l di n c r e a s et l l e6 册l e n g mo ft h ea n c h o ro rt a k e o m e rm e a s u r c st 0 恤c r e a s ec o 衄e 嘶v i 劬 s i m u l a t i o no fr c - j bj o i n t 锄dr c j zj o i n t ss k e l e t o n 伽r v e sa r ec o n d u c t e db y a b a q u s6 1 1 i t ee l e m 锄ts o f 啊a r e s i 舢l a t i o nr e s u l ti sv e 巧c l o s et 0e x p 甜m e l l t a l r e s u l t s i m u l a t i o l l so fj o i n t s 向i l u r ep o s i t i o na i l df o 姗c o n d u c t i 甜b ya b a q u sa r e a l i i l o s tc o n s i s t e n tw i me x p 嘶m e i l t a lr e s u l t t h es t u d yr e s u l t si n d i c a t e dt l l a tm em o d e l s e t su pr a t i o 栅a i l dc o 玎e c t t l l er e s u l t so fa b a q u sn u m e r i c a ls i m u l a t i o no 行hm e l o a db a s i sf o rs t l l j c t i l r a le x p e r i m e n t s i m u l a t i o no fr c - j bj o i n ta n dr c j zj o i n t sh y s t e r e t i cc u r v e sa r ec o n d u c t e db y o p e i l s e e s t h eh y s t e r e t i cc u r v es i m u l a t i o ni sv e 巧c l o s et oe x p 甜m e i l t a lr e s u l t s ， b u t t h eu i l l o a dr i 百d i t ya r eb i g g e rm a l l6 x p e r i m e n t a lr e s u l t t h em a i f lr e a s o ni st h a tt h e o p e n s e e sm o d e li sa d o p t e di n v a r i a b l eu m o a d er i 舀d i t ya 1 1 dn o tc o n s i d e r e ds l i p p i n g b e t w e e nr e i n f o r c i n gb a ra n dc o n c r e t e k e yw o r d s ：c o n c r e t es t m c t u e ；p r e c a s tl 明e ds l a ba n db e 锄t oc o l u 舢lj o i n t s ； s e i s m i cb e h a v i o r ；s i m u l a t i o no ff i n i t ed e m 咖 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第l 章绪论1 1 1 选题背景及意义1 1 1 1 预制混凝土结构的发展1 1 1 2 预制混凝土结构的特点2 1 1 3 预制混凝土结构的分类3 1 1 4 预制混凝土梁柱节点的在地震中的破坏。4 1 2 预制拼装混凝土梁柱节点连接方法5 l ：3 预制混凝土梁柱节点抗震性能国内外研究现状8 1 3 1 国外研究现状8 1 3 2 国内研究现状1 0 1 3 3 存在的问题1 1 1 4 研究目的、思路及内容1 2 第2 章试验设计13 2 1 试验目的13 2 2 模型的设计：1 3 2 2 1 试件设计1 3 2 2 2 试件的材料和制作1 6 2 3 试验加载与观测1 7 2 3 1 试验装置1 7 2 3 2 试验加载制度l7 2 3 3 测点的布置18 第3 章节点试验结果与分析2 l 3 1 裂缝发展及破坏现象2 1 3 1 1 现浇边节点2 l 3 1 2 拼装边节点2 2 3 1 3 现浇中节点2 2 3 1 4 拼装中节点( 底筋贯通) 2 3 3 1 5 拼装中节点( 底筋锚固) 2 4 3 2 荷载位移滞回曲线。：2 5 3 3 耗能能力2 7 3 4 刚度退化2 9 3 5 延性性能和骨架曲线3 0 3 6 节点拼缝和梁柱相对转角的影响3 2 3 7 梁筋的应变3 3 3 7 1 边节点钢筋应变3 3 3 7 2 中节点钢筋应变3 5 3 8 混凝土应变3 8 3 9 本章小结4 2 北京工业大学工学硕十学位论文 第4 章节点抗震性能的数值模拟分析4 5 4 1 材料的本构关系。4 5 4 1 1 混凝土本构关系4 5 4 1 2 钢筋本构关系4 7 4 2 混凝土损伤塑性分析模型4 8 4 3 有限元分析模型的建立5 1 4 3 1 钢筋单元5 l 4 3 2 混凝土单元5 1 4 3 - 3 有限元分析过程5 2 4 4 结果分析与对比5 3 4 5c i p e n s e e s 模拟结构滞回曲线与分析5 4 4 5 1 材料的本构关系5 5 4 5 2c i p e l l s e e s 单元类型。5 6 4 5 30 l p e n s e e s 截面恢复力模型5 6 4 5 4 结果分析与对比6 1 4 6 本章小结6 1 结论与展望6 3 参考文献6 5 攻读学位期间发表的学术论文及科研成果6 9 致 射7 1 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题背景及意义 1 1 1 预制混凝土结构的发展 1 8 7 5 年6 月1 1 日，英国人w i l l i 锄h 铋珂l a s c e l l 获得英国2 1 5 1 号发明专利 “i i n p r o v e m e n ti l lm ec o n s 仃u c t i o no fb u i l d i n g s ”标志着预制混凝土的起源【n 。随后 的几年预制混凝土结构主要是非承重构件，如预制混凝土墙板结构和小跨度的梁 板结构1 2 j 。1 8 9 1 年巴黎e d c o i 髓e t 公司首次在b i a m i z 的俱乐部建筑中使用预制 混凝土梁【3 l 。十九世纪末，预制混凝土传播到法国、德国等欧洲国家。二十世纪 初，预制混凝土又传播到美国，因为预制混凝土采用工业化的生产方式，符合资 本主义工业化大生产的要求，再加上这些国家处在大发展时期，所以预制混凝土 在上述国家得到了迅速发展。其中，法国对配筋预制混凝土的发展做出了较大的 贡献，而美国则对预应力与预制混凝土技术的结合起到了积极的推动作用【2 1 。美 国、德国等西方国家在二十世纪初，开始建造由预制混凝土构件组成的结构。第 二次世界大战结束之后，苏联、东欧一些国家以及英国、法国等国家由于战争的 破坏，急需建造大量建筑物且战后劳动力的极度紧张，促使预制混凝土结构以其 施工速度快、建设工期短、产品质量高，并能节约大量劳动力等优点长期处于发 展和应用阶段，在工程领域中发挥着较大的作用【4 一】。2 0 世纪末期，预制混凝土结 构已经广泛用于工业与民用建筑、桥梁道路、水工建筑、大型容器等工程结构领 域，发挥着不可替代的作用【3 。近2 0 年来，预制混凝土又有了一些新的发展， 主要体现在新材料的使用，对社会可持续发展影响的研究，钢混凝土预制组合 结构的发展，预制混凝土结构抗震性能和设计规范的研究等【2 1 。 我国预制混凝土起源于2 0 世纪5 0 年代。早期预制混凝土借鉴前苏联的经验， 在全国建筑生产企业推行标准化、工厂化和机械化，发展预制构件和预制装配建 筑，开始制造整体式和块拼式屋面梁、吊车梁、大型屋面板等，主要应用在工业 厂房、住宅、办公楼等建筑领域。从2 0 世纪6 0 年代初到8 0 年代中期我国预制 混凝土构件的生产经历了研究、快速发展、使用、发展停滞等阶段，到2 0 世纪8 0 年代末，全国已有数万家预制混凝土构件厂，全国预制混凝土年产量达2 5 0 0 万立 方米。2 0 世纪8 0 年代初期，建筑业曾经开发了一系列新工艺，如大板体系、升板 体系、南斯拉夫体系、预制装配式框架体系等，但在进行了这些有益的实践之后， 均未有大规模的推广。究其原因：( 1 ) 在建筑高度、建筑形式、建筑功能要求等 方面有较大的局限性；( 2 ) 受到当时的经济条件制约，建筑机具设备和运输工具落 后，运输道路狭窄，无法满足相应的工艺要求，( 3 ) 受技术水平的限制，体系及构件接 北京工业大学t 学硕f ：学位论文 头处理不善，极易造成漏水，影响正常使用；( 4 ) 在地震区的应用受到限制，唐山地震 等震害中发现预制混凝土大量破坏，使人们产生了预制混凝土抗震性能差的概 念，这对预制混凝土在地震区的推广应用产生了很大的负面影响；( 5 ) 劳动力价格 低廉。近年来，预制结构主要应用在一些桥梁工程中，民用建筑方面，装配式结 构的发展速度非常缓慢【5 】，然而预制混凝土生产效率高，产品质量好，尤其是它 改善工人劳动条件、环境影响小，有利于社会可持续发展的优点决定了预制混凝 土是未来建筑发展的一个必然方向。我国在1 9 9 3 年推出了整体预应力装配式 板柱建筑技术规程进入二十一世纪后，预制混凝土我国又重新受到重视。 总体来说预制混凝土结构的工业化发展，大致上可以分为两个阶段：自1 9 5 0 年至1 9 7 0 年是第一阶段，1 9 7 0 年至今为第二阶段。第一阶段的施工方法被称为闭 锁体系( c l o s e ds y s t e m ) ，其生产重点为标准化构件，并配合标准设计、快速施工，缺点 是结构形式有限、设计缺乏灵活性。基本施工方法可分为法国式和瑞典式。前者 的标准较低，所需劳力较多，接头部分大都采用现浇混凝土，通常称为湿体系( w e t s y s t e m ) 。后者的标准较高，接头部分大都不用现浇混凝土，通常称为干体系( d 巧 s y s t e i n ) 。第二阶段的施工方法被称为开放体系( o p e i ls y s t e m ) ，致力于发展标准化的 功能模块、设计上也要统一模数，这样易于统一又富于变化，方便了生产和施工，也 给设计更大自由。根据预制程度的不同，预制单元可分为：小型构件( 如门、窗、梁、 柱等) 、大型构件( 如楼板、屋面板、墙等) 、整间房间或整个住宅单元【2 1 0 】。 1 1 2 预制混凝土结构的特点 目前钢筋混凝土工程的施工多采用现浇体系。这一体系在工程界得到广泛的 认可和使用，必然有它巨大的优越性，但在工程实施中也存在着明显的缺陷：从搭 脚手架、支模、扎筋、到混凝土浇筑多数由手工操作，无法用机械完成，也无法 用其他方法取代这些工序，这就阻碍了全面工业化生产的实现，使得工程施工工 期长、工程成本难以有效控制、工程质量难以得到可靠保证、污染环境不利于可 持续性发展【6 删。 预制混凝土结构的建造方法，简单说来，就是用起重机及其他运载施工机械将 工厂化生产的预制混凝土构件( 如梁、板、柱) 进行组合安装的一种快速施工技术。 其施工分为两个阶段：第一阶段在工厂制作预制构件，第二阶段在现场安装。预制 混凝土结构具体的建造工序为：设计、制作、运输、安装、装饰等【4 1 。这就使得其 与传统的钢筋混凝土结构具有明显的优势： ( 1 ) 促进建筑工业的工业化大生产，在预制装配式建筑建造的过程中可以实 现全自动化生产和现代化控制，在一定程度上可以促进建筑工业的工业化大生产 【6 】 o ( 2 ) 施工方便，模板比现浇混凝土作业少，预制楼板无需支撑，叠合楼板模 第1 章绪论 板很少。采用预制及半预制形式，现场湿作业大大减少，施工更为方便【5 1 。 ( 3 ) 建造速度快，工人劳动条件好且对周围生活工作影响小。因为预制混凝 土产品大部分在工厂用机械化、自动化的方式生产，工人劳动条件和劳动强度都 好于现浇混凝土的施工方式所以生产效率高于现场浇筑混凝土的生产方式，施工 工期可以显著缩短，尤其是在闹市区施工，如百货公司、闹市区停车场、过街天 桥等，这种工程工期紧，施工文明要求高，采用预制混凝土结构往往能得到令人 满意的结果【2 1 。 ( 4 ) 产品质量好，预制混凝土产品大部分在工厂制作，生产条件好，质量易 于控制，产品在强度、密实性、耐久性、防水性等方面都比现场浇注的混凝土更 有保证；同时工厂生产可以使用复杂、精细的模板，预制构件的造型富于变化， 混凝土表面质量好可以不用粉刷直接作为清水混凝土构件使用【2 1 。 ( 5 ) 预制结构混凝土工期短，投资回收快。由于减少了现浇结构的支模、拆 模和混凝土养护等时间，施工速度大大加快。从而缩短了贷款建设的还贷时间， 缩短了投资回收周期，减少了整体成本投入，具有明显的经济效益【5 1 。 ( 6 ) 装配式混凝土结构与现浇结构相比节省建筑材料并充分利用工业废料， 减少了环境污染，有利于社会的可持续发展。由于工厂生产预制混凝土多采用高 强材料和预应力技术，因此和普通现浇混凝土相比可以节省材料。据调查统计， 通过精心设计和施工，预制混凝土结构比现浇混凝土结构可节省5 5 的混凝土和 4 0 的钢筋用量。工厂生产还可以大量利用废旧混凝土、矿渣、粉煤灰、工业废 料等原料来生产预制混凝土产品。同时预制混凝土结构的拆除也相对容易，一些 预制混凝土墙板还可以修复后重复利用。这些对充分合理利用自然资源，保证社 会可持续发展有重要意义【2 l 卜1 3 1 。 预制混凝土结构具有以上的优势的同时，与现浇结构相比也具有整体性较 差、设计难度较大、存在运输安装问题、初期设备投资大，经济指标优势不明显 等缺点【2 1 。 1 1 3 预制混凝土结构的分类 由于预制混凝土结构的多样性，其分类形式也有很多种，主要的几种分类方 法有：依据装配化程度、根据建筑类型、根据预制的部分等。 ( 1 ) 预制混凝土结构根据其装配化的程度可以分为两大类：1 ) 全装配式，这 类建筑的全部构件如同机械制造产品一样，在工厂里成批生产，然后到现场装配。 主要包括装配式大板、板柱结构、盒子结构、框架结构等。全装配式建筑的维护 结构可以采用现场砌筑或浇筑，也可以采用预制墙板。它的主要优点是生产效率 高，施工速度快，构件质量好，受季节性影响小，在建设量较大而又相对稳定的 地区，采用工厂化生产可以取得较好的效果。2 ) 半装配式，这类建筑的主要承重 构件，一部分采用预制构件，一部分现场砌筑。如砖混结构中砖墙用作竖向承重， 北京t 业大学t 学硕l 学位论文 都在现场砌筑。楼板、楼梯为水平承重构件，一般采用预制构件，内墙用工具式 模板现浇。它的主要优点是所需生产基地一次投资比全装配式少，适应性大，节 省运输费用，便于推广。在一定条件下也可以缩短工期，实现大面积流水施工， 可以取得较好的经济效果及结构整体性好【6 1 4 1 。 ( 2 ) 预制混凝土结构根据其建筑类型可以分为：1 ) 预制混凝土单层厂房， 主要构件有预制混凝土基础、预制混凝土梁、板、柱等。梁和板可采用先张预应 力构件，当跨度很大时可用后张预应力将多段构件拼装成整体。2 ) 预制混凝土多层 房屋，包括多层预制混凝土厂房、办公楼、公寓建筑等。主要结构形式有预制混 凝土框架结构、剪力墙结构掣6 引。 ( 3 ) 预制混凝土结构根据其预制的部分可以分为：墙板结构、框架结构、 屋盖结构、混合结构、非结构构件等。1 ) 墙板结构由预制墙板和预制楼板组成， 连接方式可采用后浇整体式连接或装配式连接，也有采用整个房间预制好在现场 搭积木组装的方式，如前苏联的盒子建筑( 因运输不便己逐渐淘汰) 。预制混凝土 墙板结构主要用于不需要大空间的住宅，宾馆等建筑。2 ) 预制混凝土框架结构 一般由预制柱、预制梁、预制楼板和非承重墙板组成，也有采用预制框架的形式 ( 因运输不便目前应用较少) 。构件的连接可以采用后浇整体式、预应力拼接等等 效现浇节点或装配式节点。预制混凝土框架结构主要用于需要开敞大空间的厂 房、仓库、商场、停车场等建筑。3 ) 屋盖结构，即板梁合屋盖结构，在德国和意 大利等国已发展成为标准结构构件。板的宽度一般不超过2 5 m 。跨度不超过1 5 m 的采用双t 型屋盖最经济，单t 型屋盖适用于跨度在1 2 3 0 i i l 之间；跨度在1 5 3 0 m 之间的屋盖宜用折板结构【2 一一5 1 。 ( 4 ) 预制混凝土非结构构件包括：非承重墙板、装饰构件，这是预制混凝土 在建筑工程中最早的应用形式，目前仍被广泛应用。预制混凝土永久模板用于叠 合构件，最常用的形式是叠合楼板，相对于现浇混凝土来说可以省去模板，不用 拆模；其整体性又好于全预制结构，适于在地震区应用。 1 1 4 预制混凝土梁柱节点的在地震中的破坏 在国内外几次大地震如：1 9 7 2 年尼加拉瓜首都马拉瓜地震( m a l l a g u a ) 、1 9 7 6 中国唐山地震【、1 9 8 8 年前苏联阿美尼亚地震、1 9 9 9 年的土耳其m 撇a r a 地震 【1 7 19 】等的震害调查表明，地震中有大量预制结构梁柱框架节点遭受破坏。 1 9 7 2 年1 2 月2 3 日尼加拉瓜首都马拉瓜地震( m a n a g u a ) ，震级仅6 5 ，震源 5 k m ，加速度达到o 3 4 o 3 9 9 ，破坏是空前的，7 0 以上的房屋倒塌。一栋两层装 配式钢筋混凝土框架结构的救火站，节点破坏，整个结构倒塌，救火车被压在室 内如图1 1 ( a ) 所示。 ( a ) 尼加拉瓜首都马拉瓜地震( b ) 唐山地震 图1 1 预制混凝土梁柱节点震害 f i g 1 - le a m l q u a l 【ed 髂仇l c t i o no f p d e c 髂tc o n c r e t eb c 锄c o l u m n j o n t s 1 9 7 6 年7 月2 5 日，中国唐山发生7 8 级强烈地震，如图1 1 m ) 为一个装配 式混凝土框架节点的震害图，由于接头在内力最大截面，加之钢筋接头焊接质量 不好和后浇混凝土不密实，经常发生焊接处断裂，后浇混凝土崩裂现象。另外， 搁置梁的牛腿外角混凝土压碎剥落，有的整个牛腿破坏使梁掉下。牛腿面上的预 埋钢板被焊在牛腿受力钢筋上，由于水平拉力作用，牛腿或柱子的混凝土拉裂。 对n o t l l r i d g e 等地震的震害调查表明：一些大空间的预制混凝土框架结构破坏 较严重，主要表现为因各构件问的连接破坏而导致结构整体离散。预制构件问的 连接是预制混凝土结构的薄弱环节，也是预制混凝土结构抗震研究的重点及结构 整体抗震研究的前提和基础【2 0 】。 1 2 预制拼装混凝土梁柱节点连接方法 预制拼装混凝土节点连接方法是预制混凝土框架结构体系的核心技术，有必 要作详细介绍。 ( 1 ) 从施工方法分，预制拼装混凝土节点连接方法分为湿连接和干连接【2 l 】 湿连接需要在连接的两构件之间浇筑混凝土或灌注水泥浆。为确保连接的完 整性，在浇筑混凝土前，从连接的两构件伸出的钢筋或螺栓，进行焊接、搭接或机械 连接。在通常情况下，湿连接是预制结构连接中常用且便利的连接方式，结构整体 性能更接近于现浇混凝土。包括使用预应力技术的整浇节点【2 2 1 、普通后浇整体式 节点和灌浆拼装节点。 干连接则是通过在连接的构件内植入钢板或其它钢部件，通过螺栓连接或焊 接，从而达到连接的目的，干连接使结构整体性能显得更为松散【2 3 1 。预制装配式混 凝土框架节点的干式连接如下【6 j ： 1 ) 牛腿连接 北京下业大学t 学硕i ：学位论文 牛腿的连接可分为：明牛腿连接、暗牛腿连接、型钢暗牛腿连接。由于牛腿 的承载力很高，竖向力能较可靠地传递，牛腿连接的方式在干式连接中相当普遍。 厂房的空间很大对牛腿的建筑要求不高，但是对牛腿的承载力要求较高，因此单 层或多层厂房中多用承载力较高的明牛腿。在住宅或商业用房中，牛腿应尽量满 足建筑的要求，此时常把牛腿做成不影响美观的暗牛腿。对于暗牛腿，可以有很 多种做法，如型钢暗牛腿，混凝土暗牛腿等。 2 ) 钢吊架式连接 在北美洲广泛流行着所谓的钢吊架式连接，它的用钢量比由钢轨型的牛腿要 少。显著的优点是柱子的模板能够做的简单。对于偶然出现的偏心荷载可以阻止 梁的扭曲。 3 ) 焊接连接 焊接连接是美国的干式连接方法之一，该焊接连接的抗震性能较不理想，主 要原因是该连接方法中无明显的塑性铰设置，在反复地震荷载作用下焊缝处容易 发生脆性破坏，所以其能量耗散性能较差。但是焊接连接的施工方法避免了现场 现浇混凝土，也不必进行必要的养护，可以节省工期。塑性铰设置良好的焊接接 头的优越性还是相当明显的，开发变形性能较好的焊接连接构造也是当前干式连 接构造的发展方向。在施工中为了使焊接有效和减小焊接的残余应力，应该充分 安排好相应构件的焊接工序。 4 ) 螺栓连接 螺栓连接的接头，安装迅速利落，缺点是螺栓位置在预制时必须制作特别准 确，运输以及安装时为了避免受弯、避免螺纹损伤及避免污染，必须极为当心地 予以保护，且在承受较大的荷载时，这种连接容易开裂，并且螺栓与预留螺栓孔 之间的尺寸误差，容易造成较大的整体挠度。这种连接多为临时性的或用于紧急 的修补和加固。 ( 2 ) 从受力性能分类有抗震节点和非抗震节点 根据预制构件之间节点的类型，装配式抗震框架的节点可分为两类：一类是 强节点，依靠结构构件截面的非弹性变形耗散能量，其设计思想与现浇结构是一 致的，装配整体式结构一般属于这类节点；另一类是用于全装配式框架的延性节 点，其节点区设计成较弱于预制构件，地震作用下，在预制构件维持相对不损坏 的同时，节点本身已能适应大部分侧向位移以耗散能量，设计时无需对预制构件 作严格的延性设计，若能合理优化的节点构造，甚至可以在地震后更换构件，修 复比现浇结构方便经济【2 4 1 。 唐九如在钢筋混凝土框架节点抗震一书中对明牛腿梁柱刚性节点、暗牛 腿梁柱刚性节点齿槽梁柱刚性节点、齿槽槽钢暗牛腿梁柱刚性节点、现浇装配 式梁柱节点、迭压泵锚式梁柱节点、预应力框架节点、升梁升板结构节点、柱与 柱刚性接头节点等从受力性能到设计计算和节点构造做了详细阐述。 第l 章绪论 ( 3 ) 美国预制拼装混凝土节点连接方法的分类 1 9 9 7 年美国统一建筑规范( u b c 9 7 ) 【2 5 1 ，将框架连接简化为两类：整体连接 ( m o n o l i t h i cc o n n e c t i o n ) 和强连接( s 呐n gc o n - n e c t i o n ) 。所谓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。采用整体连 接的预制混凝土框架结构符合现浇整体式混凝土结构的抗震要求。而对采用强连 接的预制混凝土框架结构体系，塑性铰产生的位置在整个预制构件上没有很大的 限制，但塑性铰区的中点位置必须距强节点至少长度( 1 l 为塑性铰区的长度) 。 强连接节点的强度与塑性铰和节点间的距离、塑性铰的强弱以及非线性变形的机 理有关。因为强连接处不允许发生屈服或滑脱，它的抗弯、抗剪强度要大于塑性 铰的要求值。 1 9 9 4 年，美国国家地震减灾委员会推荐采用柔性连接( d u c t i l ec o 加e c t i o n ) ，它 既可以用于预制混凝士框架体系，又可以用于预制混凝土板柱结构。柔性连接具 有优良的非线性反应特性，而且它的布置无需避免塑性铰区与节点的重合【5 1 。 ( 4 ) 新西兰的预制拼装混凝土节点连接方法的分类【2 6 】 1 ) 现浇混凝土柱与预制混凝土梁，预制楼板放置在预制梁上，而在梁和楼板的 表面、梁柱节点的核心以及下面一层的柱子位置上布筋，最后浇捣混凝土。这种 做法大大减少了现场模板的工作，但是梁底外伸的纵向钢筋在节点部分的锚接施 工比较困难，所以柱子的尺寸要略大于梁。还有一个问题是塑性铰可能出现在梁 柱连接的柱面上，即在现浇混凝土节点核心和预制梁之间。另外，为了保证垂直剪 力的传递，预制梁的两端也要进行处理。 2 ) 预制连续梁穿过现浇或预制柱这种做法使用的预制构件数量较多，并避免 了在梁柱节点不大的空间里布置钢筋、浇捣混凝土。混凝土柱可以现浇也可以预 制，梁从跨中延伸到柱端，预制楼板放置在预制梁上，在梁、板表面布筋，然后浇捣混 凝土。也可以采用全预制梁，预制楼板搭接在梁的一侧，预制柱安装在梁上，用灌浆 的配筋套筒连接。该体系的优点在于塑性铰在预制构件的整体部位形成，远离构 件的连接面。 3 ) 预制t 型和双十字型构件，这种体系的好处是大量运用预制构件，减少施 工现场布筋、浇注混凝土等工作，其缺点是构件太重、不便于运输与安装。 4 ) 预制预应力混凝土构件对预制u 型薄壁梁施加先张预应力，以张拉后的薄 壁梁为永久性的底模再现浇混凝土。u 型薄壁梁与其内核混凝土的连接不是靠钢 筋，而是靠u 型底梁内壁的粗糙表面与现浇混凝土粘和作用，以形成共同作用的叠 合梁。针对这种叠合梁是否适用于延性框架，新西兰学者进行了试验，试验证明，在 强地震作用下由于粘结的破坏，塑性铰区域有沿着现浇混凝土内核扩散的趋势，塑 性铰转动可以发生在梁端围绕柱面的区域之外，塑性铰的转动不会很大。因此，预 制u 型薄壁梁为底模现浇混凝土内核的叠合梁适合在延性弯矩抵抗框架中使用。 北京t 业人学工学硕 ：学位论文 1 3 预制混凝土梁柱节点抗震性能国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 国外预制混凝土梁柱节点抗震性能研究现状主要包括三方面的内容。 ( 1 ) 混凝土梁柱节点抗震性能试验的研究现状 1 9 8 9 年，f r e l l c h 等人通过对不同类型的预制预应力混凝土节点的试验得出后 张预应力试件的强度和耗能能力与现浇对比试件相近的结论【2 7 倒j 。1 9 9 0 年， p r e s s s ( p r e c a s ts e i s n l i cs 缸u c t u r a ls y s t e mr e s e 鲫c hp r o g 锄) 项目是美国和日本合 作开展的一项为期l o 年的预制混凝土结构抗震研究项，该研究项目的目标是发 展高效预制混凝土抗震体系，为现行预制混凝土抗震设计规范的修订提供帮助。 该项目分三个阶段进行：第一阶段主要是鉴别、评估在地震区有发展前景的预制 混凝土结构体系，准备预制混凝土结构的分析工具，构建规范修订建议框架；第 二阶段主要是节点的试验和分析：第三阶段主要是结构的试验和分析。p r e s s s 项 目按照力学特性将预制混凝土连接分为线弹性连接、非线性弹性连接、拉一压屈 服连接、剪切屈服连接、库仑摩擦连接等几类。得出各类连接的滞回特性和等效 阻尼比。p i 也s s s 项目进行了一系列预制混凝土节点的试验和理论研究，其中有 关框架节点的研究主要有以下大学参加明尼苏达大学、德克萨斯大学、加利福尼 亚大学、密歇根大学【2 1 。1 9 9 3 年，e r s o yu 和t n a l ( u t t 进行了5 个焊接节点和2 个 现浇节点的对比试验【2 9 1 。焊接节点为预制混凝土框架梁跨中节点，采用顶板、底 板和侧板进行焊接连接。试验表明：焊接节点的强度、刚度、耗能都与现浇节点 相当；连接侧板对该焊接节点具有重要意义，没有侧板的节点承载能力将会大大 下降，变形也会显著增加。同年，c h e o k 完成了1 0 个预制节点和4 个现浇节点的反 复加载试验研究【3 0 3 1 1 。预制节点全部为预应力拼接，在拼接界面填充纤维砂浆。 l o 个预制节点的参数变化包括预应力筋位置、预应力筋种类、黏结和非黏结等 因素。试验表明：预应力节点破坏特征为预应力筋屈服、梁端混凝土压碎、梁柱 拼接界面开裂，界面开裂宽度与预应力筋种类和黏结或非黏结关系不大，但预应力 筋位置对裂缝宽度影响较大。多数情况下，预应力节点的位移延性系数( 非黏结预 应力节点可达到1 4 ) 超过对应的现浇节点( 延性系数为6 ) 。在一次相同加载循环内， 预应力节点的耗能大约相当于现浇节点的3 0 6 0 ，但由于预应力节点具有更 高的延性，达到破坏时的累计耗能大约相当于现浇节点的8 0 1 0 0 ，有黏结预 应力节点耗能好于无黏结预应力节点。1 9 9 5 年y c l 0 0 和b z y a o 曾经对其中的 两种节点进行了试验研刭3 2 】，试验设计制作了1 8 个1 ：2 比例的试件，研究它们 在静力荷载和单向重复荷载作用下的强度和延性。与现浇节点相比较，这两种预 制构件的连接节点的抗弯强度都高于现浇节点，而且其延性和能量吸收能力一般 都比现浇节点好。同年，新西兰的r e s t r 印。进行了6 个后浇整体式预制混凝土框架 第l 章绪论 节点的反复加载试验研究【3 3 1 。这些预制构件端部伸出直筋或带弯钩钢筋在节点区 搭接。试验表明：节点的具体构造差别对试件整体的反应影响不大；6 个试件在强 度、耗能和延性等方面都表现良好，层间侧移都达到2 4 以上，位移延性系数达到 6 以上，各装配节点抗震性能达到或超过相应的现浇节点。2 0 0 2 年s e 哂o m 越c o c e r 等人曾对预制混凝土框架中的两类足尺梁一柱节点进行了试验【3 4 1 研究 其在模拟地震运动的单向和双向反复荷载作用下的性能相同和不同之处。试验结 果表明：如设计时所预料的那样，框架的破坏从节点开始：两类节点都表现出良好 的延性，当偏移大到3 5 时，才达到水平承载力；两类节点的强度分别是现浇框 架节点强度的8 0 和9 0 ，这说明预制节点是可以满足设计要求的。2 0 0 3 年 k h a l o oar 和p a r a u s t e s h 研究了预制混凝土梁柱连接在反复荷载作用下的受力性 锹3 5 1 ，证明该节点具有良好的延性性能。同年欧盟的“s e i s m i cb e h a _ v i o ro f p r e c a s t c o n c r e t es t r i l c t u r e sw i mr e s p e c tt 0e u r o c o d e8 ”项目。属于欧盟第五框架项目，共有 来自不同国家的1 0 个单位参与，对新型预制混凝土框架结构抗震性能进行系统研 究，为e u r o c o d e 8 的相关修订提供依据【1 5 】。2 0 0 4 年j m a e sf 研究了螺栓连接的预 制节点的动力性能【3 6 1 。2 0 0 6 年o n u re n 弱等人对采用节点区现浇的预制混凝土 节点进行了试验研p7 。，得出其强度和耗能指标均能满足要求的结论。 ( 2 ) 混凝土梁柱节