预制装配混凝土结构梁柱节点连接方式研究综述

秦童 刘英利

摘 要：随着我国建筑工业化的发展，预制装配式混凝土框架结构得到了快速的发展。本文对比了预制混凝土与现浇混凝土的优缺点，总结了预制装配混凝土结构梁柱节点连接方式的分类，分析了各种梁柱节点连接方式的研究现状，探讨了需要进一步研究的关键问题和未来的发展方向。

关键词：预制装配混凝土；梁柱节点；连接方式

0 前言

在我国，建筑行业成为了能耗大户，建筑行业能耗至少占全社会能耗的1/3，而建设阶段的能耗又占了建筑总能耗的1/2以上。针对建筑行业现存的作业方式传统、工业化水平低、能耗高污染大等弊端，国家提出建筑节能减排和住宅产业化的国家发展战略，力图消除制约建筑工业化发展进程的瓶颈。所谓建筑工业化是指采用集约化、工厂化的流水线作业方式完成大部分构成建筑的构件、部件、设备的预制生产，然后运至施工现场进行整体装配集成的一种现代建筑方式。欧美等发达国家从上世纪40年代开始就已经逐步推进建筑工业化进程，特别是日本，其建筑工业化率已经超过70%，拥有系统的、先进的、成熟的技术支持。

装配式混凝土结构具有建造工期短、产品质量高、能源损耗低、环境污染小等优势，是实现建筑行业可持续发展的必然选择。而装配式混凝土结构发展的一个重要制约因素是节点连接问题。对于装配式框架结构，梁柱节点更是尤其重要，它对装配式混凝土结构的抗震性能有直接的影响。

1 预制混凝土与现浇混凝土的优劣分析

即使现浇混凝土凭借其优越性在当今大多数工程施工中扮演着重要的角色，但也不可否认其在工程实施中暴露的缺陷。当遇到耗费劳动力多，劳动效率比较低，工程质量难以保证[1]等问题时，预制混凝土的优势便显现出来了。

预制混凝土，区别于现浇混凝土，是指浇筑地点并不在施工现场，而是先在其他地点将混凝土浇铸成单个的构件后运至施工现场后进行拼接或组装成建筑结构。预制混凝土如今已经在全世界的范围内得到了广泛的应用，如在洪都拉斯San Pedro Sula市的预制预应力混凝土悬索行人桥[2]，美国北卡洛林娜州Charlotte市IJL金融中心[3]等。下面是预制混凝土与现浇混凝土的对比，见下表。

2 梁柱节点的连接类型

框架结构的梁柱连接也称为梁柱节点或框架节点，主要指框架梁与框架柱相交的节点核心区及靠近核心区的梁端和柱端[4]。根据装配式混凝土结构的施工方式，其节点连接可以划分为湿连接和干连接两种。在两连接构件之间灌注水泥浆或现浇混凝土的连接方式为湿连接。而干连接则不需现浇混凝土，它的连接是通过预埋在构件内的钢板或者某些钢部件，经过焊接或螺栓连接而成的。

2.1 预制装配式框架的干连接

2.1.1 牛腿连接

牛腿凭借较高承载力并且能够可靠的传递竖向力，是应用较为普遍的一种干连接方式。一些大空间建筑，如单层或多层厂房等，需要承载力较高的连接方式而对美观性方面要求较低，故多采用有较高承载力的明牛腿。而对于建筑要求比较高的民用住宅或者商业用房中多将牛腿做成不影响美观的暗牛腿[5]。目前应用的暗牛腿连接方式有很多种，常见的有型钢暗牛腿、混凝土暗牛腿等。

（1）明牛腿连接。在预制装配式多层厂房中明牛腿节点的连接方式占了很大的比重，如图1所示。明牛腿节点有很多优点，其承载力大，节点刚性好，在安装方面也方便快捷。应用明牛腿的连接方式有两种，即可刚接又可铰接，构造细节是不一样的。但是由于明牛腿主要考虑的是承载力等性能而忽视了美观并且相对来说占用空间较大，所以明牛腿只应用于对美观要求较低的建筑，如厂房和吊车梁支座等。

（2）暗牛腿连接。当民用住宅或商业用房对于建筑美观有较高要求时，往往把柱子的牛腿做成既不影响美观又不影响空间的暗牛腿，如图2所示。由于考虑构件的美观使得构件的力学性能会受影响，尤其是对构件的动力特性不利。梁端与牛腿的配筋有时会很复杂。比如用一半的梁高度来承担剪力，而另一半的梁高度用来做出柱子的牛腿，还要牛腿的边缘在梁边缘的范围内时，配筋就会比较复杂。所以这样的节点连接方式仍然有局限性。

（3）型钢暗牛腿连接。型钢牛腿适用于剪力较大的情况，此时梁高的一半已经不足以承受全部的剪力。遇到此种情况应该减小暗牛腿的高度，来增加梁端缺口处梁的高度，这样其抗剪能力就能大大提高了[6]。有些型钢暗牛腿在制作过程中把型钢用混凝土包裹起来，这种牛腿在外观上与普通现浇牛腿基本相同。而不用混凝土包裹的牛腿，可以直接把型钢伸出来，也可以把型钢伸到梁端的内部。当型钢伸到梁内部时，连接处侧面的接缝，可以隐藏起来。但是考虑到明火和腐蚀的情况，安装后的灌缝工作必须仔细的完成，如图3所示。

2.1.2 钢吊架式连接

钢吊架式连接的用钢量比较少。钢吊架式连接区别于其他干连接的一其显著优点是其柱子的模板制作较为简单。在实际工程中，偶然出现的偏心荷载会引起梁的扭曲，钢吊架式连接恰好可以阻止此种情况的发生。如图4就用了位于钢吊架下方外伸的插销来阻止这种情况发生。

该连接方式的缺点是连接构件较多且承受能力相对较弱，从而构造相对复杂，相应的也就对施工质量和安装精度有较高的要求。所以钢吊架式连接不能承受比较大的荷载[7]。

2.1.3 焊接连接

焊接连接的优点是避免了传统湿连接等方式的灌浆和养护环节从而节省了工期。缺点是焊接连接方法中无明显的塑性铰设置，焊接缝在反复地震荷载作用下容易发生脆性破坏，故该连接方式的抗震性能不理想[8]。但是对于塑性铰设置良好的焊接接头，其优点非常显著，故当前干式连接构造的发展方向包括开发变形性能较好的焊接连接构造。在施工中应该充分安排好相应构件的焊接工序从而减小焊接的残余应力并使焊接有效。如图5所示。

2.1.4 螺栓连接

螺栓连接的优点是安装快速利落。其缺点是在预制时的制作精度要求较高，不允许出现偏差，而且必须极为小心的保护来避免运输及安装过程中出现的受弯、受损和污染，一旦出现了破坏，其更换或维修的施工操作将比较复杂[9]。图6所示连接为牛腿和螺栓连接的组合应用，图6（a）所示为明牛腿和预制梁用螺栓连接的情况，图6（b）为暗牛腿的方式。6（a）和图6（b）连接方式可以抵抗较小的梁端弯矩和扭矩，属于铰接。

2.2 预制装配框架的湿连接[10]

湿连接是指通过现浇混凝土将预制构件或预制构件与现浇构件连接在一起形成框架结构。图 7为常用的几种湿连接形式。

图7（a）中，梁为预制混凝土梁，预制楼板放在预制梁上，在梁和楼板的表面，梁柱节点的核心区域及柱内布置钢筋，然后浇捣混凝土，预制梁与面层现浇混凝土通过钢筋连接作用形成叠合梁共同工作。这样做减少了现场模板的工作量，但是梁底外伸的纵向钢筋在节点核心部分的锚接施工比较困难，所以柱子的尺寸要比梁的大一些。此外由于梁柱节点核心区配筋比较密实，所以这部分混凝土不容易浇捣密实。

图7（b）与图7（a）不同的是，梁、柱均为预制构件，在预制梁、板的表面和梁柱节点核心区浇捣混凝土，上下柱内的纵筋则是穿过金属套筒，然后灌浆连接在一起。这种方式现场浇捣工作量少，但也无法避免梁底纵筋锚固和节点核心区混凝土浇捣的问题。

3 结论

（1）预制混凝土框架结构是一种非常重要的框架施工方法，相对于其它方法，其优点有构件制作精确、施工较为简易、施工周期短、减免湿作业等诸多优点。在未来建筑业的发展中，预制混凝土结构将会扮演非常重要的角色。

（2）由于梁柱节点连接形式的多样性，目前预制混凝土结构并没有较为成熟的连接方式，规范不同也导致不同的连接形式分类，希望尽快出台将梁柱节点连接分类形式统一划分的更完整的规范以便于今后研究人员能进行更深入的研究。

（3）国内外关于预制混凝土梁柱节点连接的研究还处于探索阶段，但随着建筑产业的快速发展，我们需要加快对于预制混凝土框架节点连接的研究并尽快做到深入和完善，这样才能与时俱进并使建筑行业发展的更快更好。

参考文献：

[1]王慧英.预制混凝土工业化住宅结构体系研究[D].广州大学，2007（05）.

[2]LI Zhenqiang， RIGOBERTO R C. Precast prestressed cable 2 stayed pedestrian bridge for bufalo industrial park[J]. PCI Journal，2000（03）：22-33.

[3]STEW ART H， HAMVA S M， GLEICH H A. Curved precast facade adds elegance to IJL financial center and parking structure[J]. PCI Journal，2000（03）：34-35.

[4]蒋勤俭，钟志强.2011年中国预制混凝土构件行业发展概况[J].混凝土世界，2012（01）：94-99.

[5]唐九如.钢筋混凝土框架节点抗震[M].东南大学出版社，1989.

[6]傅信祁等译.钢筋混凝土装配式建筑[M].中国建筑工业出版社，1985.

[7]A.M.Haas. Precast Concrete： Design and Applications[M]. Applied Science Publishers，1983.

[8]Robert A. Hartland. Design of Precast Concrete[M].Great Britain：Surrey University Press，1975.

[9]Englekitk R. Seismic design considerations for percast concrete multistory buildings[J].Journal of precast/prestressed Concrete Institute，1990，35（03）：40-54.

[10]雎文静.预制混凝土框架结构的连接方法概述[J].四川建材，2011（06）：38-41.

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51278164）。

作者简介：秦童（1990-），女，河北唐山人，在读研究生，研究方向：结构工程。