装配式框架结构柱连接方式研究现状与分析

张诚紫 吴思瑶 陈德强

(福建农林大学金山学院 福建福州 360028)

装配式框架结构柱连接方式研究现状与分析

张诚紫 吴思瑶 陈德强

(福建农林大学金山学院 福建福州 360028)

装配式结构的推广应用，可促进我国建筑业的转型升级。为预制装配式框架结构柱-柱连接形式在中、高层建筑中的应用提供科学依据，文章综合国内外预制装配式框架结构柱连接方式的研究成果，重点阐述了预制装配式钢筋混凝土框架结构的柱-柱间连接的节点构造形式、研究现状以及存在的问题。研究表明，目前对于全装配式钢筋混凝土框架结构的柱-柱间连接方式研究甚少，尤其在高层建筑领域广泛应用，有待进一步深入探讨。

装配式框架结构；柱连接方式；研究现状；展望

0 引言

从建国初期开始，我国的装配式框架结构体系陆续在多层建筑中应用，装配式框架结构具有施工工期短，施工效率高等优点，且绿色环保，遵循可持续发展的原则，是我国建筑行业发展的一个趋势。装配式结构的快速发展，可促进我国尽快实现建筑业的转型升级。对于装配式结构中各个构件间的连接性能及其整体性问题，国内外学者都进行了探索与研究。

装配式框架结构是梁、柱构件在预制厂或现场完成预制后运输到施工现场，经吊装、连接而形成的整体。柱是框架结构中承受水平荷载和竖向荷载的重要构件，为获得更好的力学性能，柱-柱之间的连接将显得尤为重要。本文拟就国内外装配式框架结构柱-柱连接形式的研究现状进行综述，为预制装配式框架结构柱-柱连接形式在中、高层建筑中的应用提供科学依据。

1 装配式框架结构柱-柱连接形式

根据不同的施工方法，将装配式框架结构柱-柱连接形式分为干式连接和湿式连接。

干式连接是指柱-柱之间的连接主要通过预制过程中预埋的钢板或者其他预埋件进行连接，连接形式主要为焊接或螺栓连接，且无需进行现场混凝土浇筑。

湿式连接亦可称为类现浇连接模式，是指上柱与下柱在连接处伸出的钢筋通过锚固、焊接、机械连接或搭接等后，在连接部位进行浇筑混凝土或灌浆，将两柱连接成整体。

2 国内外研究现状

20世纪中期，湿式连接开始在美国夏威夷的装配式结构中得到应用，新西兰等国家在装配式框架结构中的柱-柱连接大部分也都采用湿式连接。湿式连接的具有良好的整体性和抗震性能，从而使得节点具有较高的可靠度[1]。

L.X.Zheng等人[2]进行了10个预制钢筋混凝土浆锚插筋连接柱的抗震性能试验，研究结果表明浆锚插筋连接节点是一种可靠的连接方式，可供实际工程参考应用。

但由于湿式连接施工中需要大量的木材、模板、脚手架等进行支撑，浇筑施工后需进行养护而延长施工工期。为了消除这些弊端，美国、加拿大、日本等国家对装配式柱-柱之间的干式连接进行了研究。

美国PCI协会手册[3]中提出了3种干式连接的方法，如图1所示。此3种方法均无需进行焊接，而是通过预埋钢板由螺栓进行固定连接。此方法从整体性能考虑不如湿连接，但基于抗弯和抗剪性能方面考虑，具有较好的能量耗散和延性性能[4-5]。

图1 三种干式连接的形式

张仟朋[6]和罗青儿[7]对装配式框架结构柱-柱之间的连接形式——榫式连接进行了改进。将普通钢筋混凝土榫头改为钢管混凝土榫头，能够更好地克服榫头制作和拼接的困难，消除钢筋连接或冷挤压过程中产生的应力变形，并将柱的连接部位设在楼面以上1.0m左右处。

共对5根钢管混凝土榫头连接的框架柱和1根现浇钢筋混凝土框架柱进行了抗震性能试验研究，结果表明：通过钢管混凝土榫头连接的柱-柱干式连接装配式构件，其承载力大于现浇的钢筋混凝土框架柱，且其刚度退化的趋势比较缓慢，延性性能优于现浇钢筋混凝土框架柱。

综上所述，该榫式柱接头是可靠、方便的，值得推广应用的。

汪梅[8]通过对比国内外柱-柱的连接方式，提出了一种以焊接为基本连接方式的全装配式柱-柱干式连接的框架柱，并将柱的连接部位选在柱施工方便且弯矩较小的反弯点附近，如图2所示。

对3个全装配式干式连接框架柱进行了抗震性能试验分析和有限元非线性分析，研究结果表明：平口连接柱、一齿连接柱和二齿连接柱三者均具有良好的承载能力和耗能性能，其中二齿连接柱的综合性能较其他两者高，建议采用二齿连接柱。预埋钢板采用焊接连接，具有很好的延性性能，能很好地连接上下两柱，保证柱的刚度，并能提高其承载能力。同时，全装配式框架柱的这种干式连接方式的施工工艺比装配整体式框架柱连接方式简单，且施工过程中不易产生破坏，易于推广。

图2 试件模型

李青宁[9]对4个足尺的装配式钢板箍焊接栓筋连接的高强螺旋箍筋约束的框架柱进行了抗震性能试验研究，构件如图3所示。

研究其在不同轴压比下的破坏模式、耗能性能、刚度退化趋势及延性性能等，结果表明：在低周往复荷载作用下，装配式钢板箍焊接栓筋连接框架柱的破坏模式与现浇框架柱的破坏模式类似，呈以弯曲破坏为主的弯剪型破坏。虽延性性能不如现浇的柱，但耗能能力相当，且承载力及刚度与现浇柱相比略有提高。同时，在加载过程中，钢板箍与栓筋均达到屈服强度，焊缝也无出现破损现象。表明通过合理设计，装配式钢板箍焊接栓筋连接的框架柱可在安全、经济的前提下，用于有抗震设防要求的装配式框结构。

图3 试件模型

郑晓龙[10]对不同剪跨比下4个新型的装配整体式连接短柱进行了受剪性能试验研究，其新型的装配整体式连接短柱在柱-柱连接时分别采用浆锚插筋连接与螺栓钢板箍连接方式，如图4所示。

对装配整体式连接处钢板箍、浆锚插筋、螺栓及栓筋等的受力情况及各试件的破坏形态分析，结果表明：短柱试件的破坏为弯曲型破坏，而非剪切型破坏。4个装配整体式连接方式短柱均有着较好的塑性变形能力和耗能性能。并基于修正压力场理论提出了相应的抗剪承载力理论计算公式。此短柱的柱-柱间连接方式整体性能好，且装配效率较高，适合在实际工程中应用。

图4 试件模型

韦玮[11]提出了几种新型的装配式框架柱-柱干式连接节点——法兰盘型钢连接、新型企口连接、榫式-法兰连接，如图5～图7所示。

分别进行了整体受力理论分析，并对柱-柱榫式-法兰连接构件的有限元分析，结果表明：有限元计算结果与理论分析结果相吻合；装配式框架柱-柱干式连接节点的承载力比同等条件下的整浇构件有一定的提高，且延性性能相当；轴压比、螺栓数量、柱齿高度、混凝土强度、钢板厚度对装配式框架柱-柱干式连接节点的承载力及变形能力有着明显的影响；给出了柱-柱法兰盘型钢连接及榫式-法兰连接的受压、受剪、受弯承载力公式。

图5 柱-柱法兰盘型钢连接

图6 新型企口连接

蒋立峰[12]提出一种新的装配式框架柱-柱的榫式连接方式——单齿柱芯钢板箍连接和单齿柱芯套筒连接，该连接将柱的连接部位设在柱子的中段，并在连接部位外包一圈钢板箍以保证上下柱纵筋能够可靠的连接。

通过有限元分析软件ABAQUS进行新型的榫式连接装配式框架柱的受力性能分析，结果表明：不管是采用单齿柱芯钢板箍连接还是单齿柱芯套筒连接方式，其柱芯均起到“键”的作用，具有很好的抗剪效果。纵向受力钢筋受力性能良好，钢板箍和套筒均具有良好的延性性能，且材料强度还留有余量。

3 存在的主要问题

(1)柱-柱连接采用钢板箍时，需要考虑到钢板箍厚度对整个柱子受力性能和刚度变化的影响，同时需对钢板箍的厚度进行相应的优化。

(2)全装配式钢筋混凝土框架柱干式连接方式，采用螺栓连接时，不同直径螺栓、不同螺栓间距等对框架柱受力性能的影响尚不明确，对螺栓连接方式优化方法还需深入研究。

(3)装配式结构与整体式结构相比变形较大，且不同连接方式对变形性能有显著影响。全装配式混凝土干式连接框架柱组成的结构基于性能抗震设计方法的研究还不够深入，其在不同地震水准下的性能目标需进行专门的探讨研究。

(4)钢筋混凝土装配式结构虽施工周期短，但其现场施工工艺要求高。为使柱-柱连接节点得到推广，除了保证其整体的受力性能、抗震性能等外，还需保证现场施工中的施工工艺简单方便，施工快捷。

4 结论

装配式结构节能环保，可提高施工效率，缩短施工周期，降低人工成本，更易保证施工质量，是国家在建筑行业实现工业化的趋势，而干式连接或将成为节点间连接的发展趋势。国内外学者对装配式框架柱-柱连接方式进行了大量研究，为工程实践提供了理论基础。为使全装配式框架结构能在多、高层建筑领域得到广泛应用，仍需进行全面系统的研究。

(1)在多、高层的框架结构中，柱作为主要承受竖

向荷载的竖向构件，因此，需考虑不同轴压比对新型预制装配式框架结构柱-柱连接节点的受力性能的影响。

(2)明确不同节点连接方式的受剪机理，并作进一步优化，建立相应的设计计算理论和方法。

(3)有必要针对不同节点连接方式在不同设计地震水平作用下的地震反应进行研究，力图获得更为完善的抗震设计方法，以满足全装配式框架结构抗震设防区的设计要求。

(4)对于装配式钢筋混凝土框架柱-柱连接与现浇整体式柱之间的经济效益需进行探讨研究。

[1] 范力.装配式预制混凝土框架结构抗震性能研究[D].上海：同济大学，2007.

[2] Zheng L X. Grouted precast concrete column connections under reversed cyclic bending and compression[J]. ACI structural journal， 1996，93(3).

[3] Prestressed concret lnstitue：PCI Design Handbook， Precast， Prestressed Concret，Second Edition，Chicago， Illinois， 1978.

[4] EdwardR.Sturm.Design and typical details of connections for precast and prestressed concrete[M].PCI Committee on Connection Details， 1988.

[5] Y.C.Loo， B.Z，Yao. Static and repeat load test on precast concrete beam to column connections[J]. Journal of Precast/Prestressed Concrete Institute，1995，40(2):106-115.

[6] 张仟朋.钢筋混凝土装配整体式框架柱的试验研究[D].南京：东南大学，2007.

[7] 罗青儿，张仟朋，程文瀼.装配整体式钢筋混凝土框架柱榫式接头的试验研究[J].工业建筑，2008，38 (10)：48-52.

[8] 汪梅.新型全装配式混凝土干式连接框架柱的研究[D].南京：东南大学，2008.

[9] 李青宁，颜志勇，姜维山.装配式钢板箍焊接栓筋连接框架柱试验研究[J].四川建筑科学研究院，2013，39 (4)：24-28.

[10]郑晓龙.新型装配整体式连接短柱受剪性能试验研究[D].西安：西安建筑科技大学，2013.

[11]韦玮.全预制装配式混凝土结构节点研究[D].沈阳：东北大学，2014.

[12]蒋立峰.新型装配式RC框架柱-柱连接节点受力性能研究[D].郑州：河南工业大学，2015.

The Research Status and Analysis of Prefabricated Concrete Frame Column-Column Connection Mode

ZHANGChengziWUSiyaoCHENDeqiang

(Jinshan College of Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou 360028)

The promotion and application of prefabricated concrete structure can promote the transformation and upgrading of our construction industry. Comprehensive the achievements of prefabricated concrete frame column-column connection modes, which has been studied in China and abroad. Structure forms, research status and existing problems of prefabricated concrete frame column-column connection mode were expounded emphatically, will provide scientific basis for the study and application of prefabricated concrete frame column-column connection modes in the high-rise building. The research status showed that the studies on the prefabricated concrete frame column-column connection modes were less at present. It should to be further studied, especially in the high-rise building areas.

Prefabricated concrete frame; Column connection modes; Research status; Prospect

福建农林大学金山学院交通与土建类专业群建设经费资助(y160401)。

张诚紫(1989.11- )，女。

E-mail:syzcz@qq.com

2017-03-22

TU3

A

1004-6135(2017)09-0036-04