装配式混凝土框架梁柱节点发展研究

闫丽娟，胡锦秀，代本明，马亚楠

（1. 青岛城市学院，山东 青岛 266100；
2. 青岛理工大学，山东 青岛 266033；
3. 青岛平度控股集团有限公司，山东 青岛 266700）

钢筋混凝土框架结构体系广泛应用于工业和民用建筑中，具有建筑空间布置灵活、混凝土用量少、传力明确、延性好和施工方便等优点。目前国内的钢筋混凝土框架结构主要采用现浇施工，装配化程度并不高。随着我国建筑产业的升级转型以及工业5.0 的到来，装配式混凝土结构必将是未来的发展趋势。

装配式混凝土框架结构具有构件质量好、施工现场工作量少和施工效率高等优点，而且随着大型机械设备及智能装备的普及，装配式混凝土框架结构会获得越来越广泛的应用[1]。梁柱节点是装配式混凝土框架结构最关键的连接节点之一， 本文对近年来研究的装配式混凝土框架结构梁柱节点进行了梳理总结，介绍了它们的构造特点、研究情况、耗能特点及实际应用情况，并对未来发展方向作了一定预期。

非预应力装配梁柱节点可分为湿连接和干连接两种[2]。湿连接是在构件边缘预留钢筋，施工时将这些钢筋相互绑扎或焊接，然后浇灌混凝土而连接成整体的一种做法。干连接则是采用螺栓、焊接等没有湿作业的方式将构件进行连接。

1.1 湿连接节点

湿连接节点根据连接位置可以分为两种，一种是将预制柱和预制梁的装配连接点设置在受力较大的梁柱交接处，甚至是抗震耗能部位附近[2]。湿连接节点等同现浇，其优点是预制梁柱比较规则，便于高效生产、运输和安装；
缺点是梁柱装配区域耗钢量大、钢筋多，现场施工难度大，工期较长。另一种是将预制柱和预制梁的连接点设置在受力较小的远离梁柱交接部位，这种连接构造简单，耗钢量小、现场施工要求相对较低，但预制构件多为含梁柱节点的异形构件，给制作、运输和安装带来了一定困难，目前应用较少。

谷伟、张馨心等[3]提出了一种挂钩式预制梁柱节点，如图1 所示，该节点构造由节点边梁、预制间梁和混凝土后浇段组成。在连接区段，梁柱纵向受力钢筋通过节点核心区且不截断，在两侧边梁延伸处的纵筋和箍筋端部焊接挂环，在预制间梁伸出的纵筋和箍筋端部焊接挂钩，安装时将预制间梁钢筋挂钩分别钩挂在节点边梁钢筋的挂环上，然后在拼接位置浇筑高一级强度等级的混凝土使其形成整体。挂钩式预制梁柱节点是按等同现浇的理念进行设计的，试验研究表明，钢筋钩挂连接处应变数值随荷载增加而增大，钢筋应变速率大体呈均匀变化趋势，表明节点工作性能良好，能有效传递内力[3]。节点滞回曲线与现浇节点相似，具有与现浇节点类似的耗能能力。但钢筋连接处工序较复杂、施工难度较大，节点的抗震性能很大程度上取决于钢筋连接处的施工质量，这种预制梁柱节点较难在实际工程中推广应用。

图1 挂钩式预制梁柱节点Fig.1 Hook type precast beam column joint

为了提高湿连接节点的抗震性能，很多学者研发了消能减震及隔震装置，将其安装在梁柱节点后均已获得较好的耗能性能。2015 年，谭平等[4]提出了一种适用于装配式隔震结构中隔震层节点的设计方案（图2）。该隔震节点上、下柱整体预制，并在节点区提前预埋与预制梁纵筋位置对应的贯通纵筋，预制梁与预制柱通过节点区边缘的钢筋搭接焊连接，支墩底部设置隔震支座[1]。

图2 装配式梁柱隔震节点Fig.2 Precast beam column isolation joint

周云、吴从晓等[5]将扇形黏弹性阻尼器安装在梁柱节点处，形成装配式耗能节点，如图3所示为扇形黏弹性阻尼器，图4 为安装扇形阻尼器的装配式耗能节点。

图3 扇形黏弹性阻尼器Fig.3 Sector viscoelastic damper

图4 装配式耗能节点Fig.4 Fabricated energy dissipation joint

通过试验研究，发现安装了扇形黏弹性阻尼器的装配式框架梁柱节点的抗侧移刚度和开裂荷载、极限荷载均有所提高，改善了节点的延性性能，且降低了节点承载力退化的速度；
试验试件的滞回曲线比较饱满，节点总耗能能量是普通预制节点的2 倍。而且安装了扇形铅黏弹性阻尼器的预制梁柱节点受力模式得到了改变，使得节点核心区的裂缝减少了，梁端后浇区段的纵向受力钢筋和箍筋的变形明显减小了[5]。

1.2 干连接节点

非预应力干连接节点一般在预制柱上附加牛腿，梁端剪力通过牛腿传递给预制柱，弯矩可以通过螺栓或钢筋连接器来完成传递。通过不同的构造措施可形成铰接、刚接或半刚接节点。此外，干连接还可以结合钢结构，在梁柱节点处形成钢质节点，如图5 为马哲昊、张纪刚等[6]提出的节点形式APDH（Artificial Plastic Dissipative Hinge），图6 为哈尔滨工业大学王晨[7]提出的装配式钢质耗能节点，重点研究了采用L 型组合钢板、槽形钢板（图5）、箱型闭合截面三种不同节点的抗震性能。试验研究表明，此类节点将钢铰点与混凝土梁很好地结合，提高了结构的装配化程度，并且具有较好的抗震性能。

图5 装配式人工消能塑性铰构造Fig.5 The ADPH joint configuration

图6 装配式钢质耗能节点Fig.6 Fabricated steel plate energy dissipation joint

以上所提的5 种非预应力装配式梁柱节点的受力性能汇总于表1。

表1 非预应力装配式梁柱节点汇总

综上，非预应力装配式梁柱节点在安装阻尼器或采用钢质铰点后，其延性和耗能能力较好。而且采用钢质铰点的节点属于干连接，避免了湿作业，提高了结构的装配化水平。

1990 年，美国和日本合作开展了预制混凝土结构抗震研究项目PRESSS[8]（Precast Seismic Structural System Research Program） 开始对装配式混凝土干性连接节点进行研究，即采用预应力筋等新型连接方式直接进行拼装，使结构的非线性变形集中于连接区域，而结构的其它部分基本保持弹性[8]。

更为重要的是采用预应力筋作为装配手段后，因为预应力筋的回弹，预制构件在地震作用下产生的非线性变形可以恢复，实现结构自复位，减小残余变形。由于兼具耗能性和自复位性，许多学者针对这类节点进行了更深入的研究，目前主要有以下三种形式：（1）采用预应力筋直接进行节点拼装；
（2）在第一种形式的基础上，采用钢筋或角钢等作为耗能件，形成混合式节点Hybird Frame Joint；
（3）引入消能减震思想，在节点设置阻尼器。

2.1 有粘结预应力装配节点

有粘结预应力节点是仅采用预应力筋直接装配的节点。此类节点在日本应用较广泛，如图7 所示，在节点上下部均设置预应力筋，既用于装配又可以承担弯矩，节点自复位能力较好，但耗能能力较弱[2]。为了增强节点耗能能力，一般会在节点中引入耗能装置。

图7 有粘结预应力装配节点Fig.7 Bonded prestressed assembly joint

2.2 混合式节点

混合式节点（Hybird Frame Joint） 是在预应力装配节点的上、下部设置耗能钢筋或耗能角钢，形成预应力自复位装配节点[1]。如图8 所示，节点中的预应力筋一般采用无粘结，在地震作用下，无粘结预应力筋始终保持弹性，这样震后可以减小残余变形甚至使构件恢复原位，实现结构自复位；
设置在梁上、下部的普通钢筋则可以消耗地震能。混合式节点也可以在梁顶底部设置角钢进行耗能，如图9 所示。

图8 混合式节点（耗能钢筋）Fig.8 Hybird frame joint（energy dissipation reinforcement）

图9 混合式节点（耗能角钢）Fig.9 Hybird frame joint（energy dissipation angle steel）

国外学者对混合式节点进行了比较系统的研究，认为该体系的抗侧能力基本等同现浇结构，而且可以实现在地震作用下自复位、低损伤的性能要求，并且研究出了相应的设计方法和计算机仿真分析方法。

国内很多学者也对混合式节点进行了理论与试验研究，并提出了一些改进措施。2008年，梁培新[9]直接取消了混合式节点下部的耗能钢筋，预制梁上部的耗能钢筋用直螺纹接头与预制柱内的钢筋连接[2，9]，如图10 所示。并进行了3 个边节点试验，通过改变预应力钢筋的应力大小、无粘结段长度和耗能钢筋的数量分析了节点对这些因素的敏感性[2，9]。试验和分析表明该节点具有混合式节点低损伤的特性，但其耗能能力较现浇节点略低[2]。

图10 无粘结预应力装配节点Fig.10 Unbonded prestressed assembly joint

2.3 设阻尼器的梁柱节点

为了获得更好的耗能效果，装配式混凝土梁柱节点一般会安装阻尼器，并配置无粘结预应力钢筋，形成自复位耗能节点。

2012 年，郭彤[10]提出了腹板摩擦自定心无粘结预应力装配式梁柱节点，如图11 所示，在柱身预埋外伸的槽钢，并将其通过摩擦片和高强螺栓进行连接，形成摩擦阻尼器夹紧梁端。地震作用下，利用梁柱相对变形产生的摩擦力进行节点耗能。随后进行了14 个低周往复荷载节点试验，结果表明，该节点具有良好的耗能能力和自复位性能，但因节点使用了槽钢及其他摩擦装置，导致节点制造较复杂，也使得造价有所提高[9-10]。

图11 腹板摩擦自定心无粘结预应力装配节点Fig.11 Web friction self-centering unbonded prestressed assembly joint

马俊峰、周臻等[11]提出一种在梁顶底设摩擦阻尼器的自复位混凝土梁柱节点，并运用有限元软件对其进行了有限元模拟和参数化分析，结果表明，节点滞回曲线饱满，具有明显的旗帜型特征；
阻尼器摩擦力的增加提高了节点张开力和耗能能力。

Wolski M 等[12]将摩擦阻尼器设置在梁翼缘下，形成了一种BFFD（Bottom Flange Friction Device） 节点装置，如图12 所示，并在梁中设计预应力筋实现节点自复位。之后进行了7 次大尺寸循环加载试验，得出了影响该节点连接性能的主要因素有：BFFD 摩擦力的大小、连接构造和循环次数。试验结果表明，BFFD 提供了可靠的能量耗散，在设计地震下，节点无损伤[12]。

图12 阻尼器设置在梁柱外侧的耗能节点Fig.12 Energy dissipation joint with the damper

2018 年，黄林杰、周臻等[13]设计了一种应用于混凝土自复位梁柱节点的顶底摩擦耗能阻尼器，如图13 所示，主要由顶底外摩擦装置、内摩擦装置、预紧螺栓以及摩擦片组成。地震作用下，梁柱界面往复张开和闭合，梁柱产生一定的转角，使得顶底内外摩擦装置与摩擦片之间发生相对转动滑移消耗地震能。

图13 顶底转动摩擦阻尼器装配节点Fig.13 Precast joint with damper setting at top and bottom brace

Morgen[14]将其设计的转动摩擦阻尼器作为耗能腋撑安装在梁柱节点上，如图14 所示。通过对大尺寸框架的试验研究，确定了相对独立于激励速度和位移幅度的可重复和可靠的阻尼器滞回性能曲线形状为近似矩形，每进行一次循环即有较大的能量耗散；
并且得出阻尼器的初始刚度允许在响应早期发生滑移，从而可以在结构发生较小位移时就可以起到摩擦耗能的目的。

图14 阻尼器作为耗能腋撑的梁柱节点Fig.14 Beam column joint with damper as rotating friction energy dissipation axillary

本文介绍了装配式混凝土框架梁柱节点的两种形式：非预应力节点和预应力节点。针对国内外两类节点的各种具体形式进行了综述分析，具体总结如下：

（1）非预应力装配式混凝土梁柱节点中的湿连接节点等同现浇设计，具有较好的整体性，且构件制作简单，但装配化程度并不高，难以实现工业化。干连接节点一般需要设置钢构件，例如钢牛腿、耗能钢板等，所以构件制作相对复杂，且目前主要处于研究阶段，真正应用到实际工程的并不多，但具有较好的结构延性和耗能能力。后期如果能经过实践检验并实现批量生产，可以大大提高装配化水平。

（2）预应力装配式混凝土梁柱节点中的有粘结预应力节点和混合式节点均有一定的工程应用，具有较好的整体性和耗能性，但无法实现节点变形的自复位。为了实现“耗能+自复位”的目标，现在更多地学者研究配置无粘结预应力筋和阻尼器的装配节点，阻尼器的形式大多为摩擦型，运用摩擦阻尼器消耗地震能，通过无粘结预应力筋使节点残余变形减小，最终实现结构自复位。