装配整体式框架结构节点连接设计

闫帅

摘要：在装配整体式框架结构的设计中，各种预制构件之间的有效连接，是保证框架结构刚度、承载能力、变形能力、耗能能力的關键因素，直接关系到结构的整体受力性能及地震时的抗倒塌能力。本文结合某具体的工程实例，详细介绍了装配整体式框架结构设计中的各种节点连接方法，可为后续相关工程的设计提供技术指导。

关键词：装配整体式框架;梁板节点;梁柱节点;柱柱节点;连接设计

1 引言

近年来，为了响应政府绿色、低碳的可持续发展目标，建筑业逐步由现场浇筑混凝土模式向工厂预制、现场拼装模式转变。装配式混凝土结构相比传统现浇结构具有工厂批量化生产、构件成型质量高、施工质量可控等优点，是推进整个建筑产业由传统粗放模式向现代集约方式转变的必经之路[1]。装配整体式框架结构中各预制构件间的节点连接对结构的稳定性起到至关重要的作用，不仅影响结构的受力性能，对全寿命周期的耐久性能也有直接影响。同时，节点的构造要求也直接关系到结构整体的安全性能，是装配式框架结构设计和施工中必须严格把控的关键点，必须引起足够的重视。

2 工程概况

本工程为江苏省南通市某小学教学楼，地上四层，抗震设防类别为重点设防类，采用装配整体式框架结构，设计地震分组为第二组，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g。本工程采用盈建科结构设计软件进行框架主体结构设计，使用TEKLA软件进行预制构件从模型放样、碰撞检查到构件详图的全流程深化设计。根据南通市当地装配式方面的政策，需达到预制率40%的最低要求，设计时采用了预制叠合楼板、预制框架梁、预制框架柱等预制构件。本工程为重点设防类建筑，对结构安全性要求较高，因此在设计时经多方案比选后，采用了安全可靠的预制构件节点连接方式，以期达到预定的设计效果。

3 梁板节点连接设计

楼板是结构中重要的受力构件，一方面直接承受各种竖向荷载作用，另一方面将结构连成一个整体、传递水平地震作用，增加结构整体刚度。工程中通常采用叠合楼板的形式，即预制底板+现浇混凝土叠合层的形式，这样既减少了现场的支模工程量、加快施工进度、降低工程造价，又可以保证楼板的整体受力性能，达到预定的设计目标。

为满足楼板的整体工作性能，本工程设计时采用双向板方案，预制板块之间通过预留后浇带、两侧板底预制层钢筋互相搭接锚固、板顶现浇层钢筋拉通布置的方式，来保证各预制板块之间的有效连接;同时，在预制板顶面预留粗糙面，保证与现浇层混凝土有良好的粘结性能，形成整体共同受力的双向叠合板。预制板下部钢筋在板端伸入梁支座内不小于5d且伸过支座中心线，端支座楼板上部钢筋锚入预制叠合梁中，而中间支座楼板上部钢筋则在预制叠合梁内拉通布置，后期叠合板顶现浇层与叠合梁顶现浇层混凝土共同浇筑成整体。本工程典型梁板节点连接大样见图一。

4 梁柱节点连接设计

梁柱节点核心区是整个框架结构中受力最复杂的部位，钢筋上的拉应力和混凝土内的压应力共同作用于节点核心区，在各种力的耦合作用下，会形成正交的斜向拉压应力场，逐步发展成交叉的斜裂缝，进而导致梁柱节点的刚度、变形能力发生退化，造成结构整体的承载能力下降[2]，最终伴随钢筋受拉屈服、混凝土受压破坏，节点域形成塑性铰，导致整个结构丧失承载能力[3]。

本工程位于7度、0.15g地区，且为重点设防类建筑，地震作用大，软件计算出的框架梁柱配筋均较大，故本工程框架梁柱纵向受力钢筋均选用HRB500钢筋，这样可以有效减少纵向钢筋的数量，方便预制梁柱节点的现场拼装以及节点核心区现浇混凝土的振捣密实。同时在预制梁端设置键槽及粗糙面，可以实现预制梁端与节点后浇混凝土的有效粘结，提高节点核心区的承载能力。相关试验结果表明，预制梁端采用键槽方式进行连接时，梁端的受剪承载力一般会大于仅采用粗糙面的连接方式，且便于控制构件厂的加工质量及出厂检验效果。键槽深度太小时，梁端截面容易发生承压破坏，故本工程键槽深度设计为30mm，每个预制梁端头设置两个键槽。本工程在施工图审查阶段，专家提出需按《装配式混凝土结构技术规程》相关要求进行预制梁端的斜截面受剪承载力验算，经计算复核，在地震工况下，梁端受剪承载力略欠，故采用在梁端叠合面附加抗剪钢筋的方法进行补强，达到抗剪承载力的要求。本工程典型梁柱节点连接大样见图二。

5 柱柱节点连接设计

框架柱是整个结构体系中最重要的结构构件，上下层预制柱的节点连接直接关系到整个结构的稳定性和安全性，是预制构件连接中至关重要的一环。

经过多年实践探索，目前工程中应用较广的预制框架柱连接方法主要包括榫式接头连接、浆锚搭接连接以及套筒灌浆连接三种形式。榫式接头连接是指在上柱的下端设置凸起的榫头，吊装到位后将上下柱的纵向受力钢筋进行焊接连接，然后再浇筑节点核心区混凝土;这种接头形式对构件厂加工要求较高，工艺较复杂，实际工程中较少采用。浆锚搭接连接是指在上柱下端埋设一定数量的孔道，将下层预制柱的纵向受力钢筋插入对应孔道后灌浆密实;这种连接技术受到的限制较多，不仅对构件厂生产时的成孔质量要求较高，而且对现场灌浆时的压力有严格要求，防止压力过高造成孔道壁破损影响连接质量。套筒灌浆连接则是在上柱下端预埋对应数量的套筒，吊装到位后向套筒内压注高强灌浆料，待灌浆料达到设计强度后，即可实现纵向受力钢筋的可靠连接和有效传力。相比于榫式连接和浆锚搭接，套筒灌浆连接具有施工简单、安全可靠、通用性强等优点，也是目前工程中使用比例较高的一种的连接方式。

本工程设计采用全灌浆套筒并配以水泥基高强灌浆料，灌浆料的抗压强度、竖向膨胀率、工作性能应分别符合表1～表3的各项要求。

在套筒内部设置的锥楔及微膨胀灌浆料的共同作用下，可以对上下层预制柱的纵向受力钢筋形成良好的粘结力、咬合力和握裹力，保证上下层框架柱的整体工作性能。为了减少柱内的钢筋数量、方便上下柱端钢筋连接，本工程框架柱均采用直径25mm的HRB500高强钢筋，可以提高节点核心区混凝土的浇筑质量;同时，对灌浆套筒连接区域的框架柱箍筋采取加密、加强措施，有效保证箍筋的约束作用，提高框架柱的抗震抗剪承载力。本工程在预制柱的底部设置键槽及粗糙面，同时，在上柱底部预留20mm的坐浆层，在梁柱节点混凝土浇筑完成后，对坐浆层进行压密灌浆，有效保证了上下柱的连接效果。本工程典型柱柱节点连接大样见图三。

6. 结语

本工程已顺利通过竣工验收并交付业主使用两年有余，业主反馈各项使用功能均良好，达到了预期的设计目标。本文通过具体的工程设计实例，对装配整体式框架结构的各种节点连接设计方法进行了详细的分析和论述，总结出了一套行之有效的节点连接设计方法，可对相关装配式项目的设计工作起到强有力的理论指导和技术支持。当前，装配式建筑处于快速发展期，但由于理论、材料、工艺等方面的滞后，让装配式建筑的更大规模推广应用受到一定的限制，如何解决好节点连接和安装质量、预制构件节点配筋复杂等关键问题，对于我国装配式结构的设计水平和施工建造都具有重要意义，将引领整个行业的巨大进步。

参考文献：

[1]王俊，赵基达，胡宗羽.我国建筑工业化发展现状与思考[J]. 土木工程学报，2016（05）.

[2]装配式混凝土结构技术规程：JGJ 1-2014 [S]. 北京：中国建筑工业出版社，2014.

[3]赵云.装配整体式钢筋混凝土框架梁柱节点抗震性能试验研究[D].西安：西安建筑科技大学，2020.

[4]姚冰，朱张峰，刘德源，杜咏.装配式混凝土框架柱连接节点研究进展[J]. 混凝土与水泥制品，2020（01）.

[5]张兴虎，王建，潘树宾.套筒浆锚连接柱的抗震性能试验研究[J].西安建筑科技大学学报，2013，45（2）.