装配式绿色建筑梁柱节点固定方法研究

姚 健

(中国铁建房地产集团有限公司 北京 100039)

1 引言

装配式绿色建筑其实用性越来越大，并广泛应用于城市建筑中。由于装配式绿色建筑的建设周期短、能耗开销小，从而被广泛应用在新农村建设、厂房建设等领域[1]。在装配式绿色建筑设计中，装配式绿色建筑梁柱节点固定方法是技术难点，通过装配式绿色建筑梁柱节点的优化固定设计，提高建筑结构整体的稳定性和应力可靠性，研究装配式绿色建筑梁柱节点固定方法，在优化装配式绿色建筑梁柱单元的结构设计中具有重要意义，相关的装配式绿色建筑梁柱节点固定方法研究受到诸多学者极大关注。

对装配式绿色建筑梁柱节点固定设计是建立在对装配式绿色建筑梁柱节点力学参数优化设计基础上，结合数值模拟和力学分析，实现装配式绿色建筑梁柱节点固定优化[2]。当前，对装配式绿色建筑梁柱节点固定方法主要采用锚节点固定方法、基坑固定方法以及对拉钢筋固定方法等，采用双钢板混凝土组合墙设计的方法，实现对装配式绿色建筑梁柱节点的稳定性控制[3]。文献[4]提出一种采用承载力、刚度、裂缝形态控制的装配式绿色建筑梁柱节点固定方法，根据节点锚固性能分析和参数解析，实现装配式绿色建筑梁柱节点固定，但该方法进行装配式绿色建筑梁柱节点固定的搭接强度不高。文献[5]提出基于非接触式的若干锚固钢筋稳定性固定方法，实现对装配式绿色建筑梁柱节点固定，在细节构造、传力机制上，提高了装配式绿色建筑梁柱节点固定的输出可靠性和稳定性，通过栓钉实现锚固，但该方法缺乏相应的理论和试验支撑。

针对上述问题，本文提出基于节点受剪性能整体结构优化的装配式绿色建筑梁柱节点固定方法。首先在装配整体式剪力墙结构中，采用框架中节点的混凝土应力分析方法，选择埋件式锚固方法，结合预应力度分析和屈服响应分析，实现对装配式绿色建筑梁柱节点的等强连接；然后采用静力单调拉伸试验方法，增大钢筋与钢板间的不平衡力矩，提高梁柱节点固定的稳定性和可靠性，采用节点受剪性能整体结构优化方法，降低搭接钢筋与钢板距离；最后进行实验测试，展示本文方法在提高装配式绿色建筑梁柱节点锚固能力方面的优越性能。

2 连接形式和材料本构关系

2.1 装配式绿色建筑梁柱节点连接形式

结合对装配式绿色建筑梁柱节点的应力参数分析方法，建立装配式绿色建筑梁柱节点的混凝土基础与双钢板组合墙节点连接模型[6]。装配式绿色建筑梁柱节点的基坑环境分布如图1所示。

图1 装配式绿色建筑梁柱节点的基坑环境分布(单位:m)

采用钢筋混凝土筏板作为基础，结合嵌入式锚固和埋件式锚固的方法，建立装配式绿色建筑梁柱节点的锚固连接模块，根据三种锚固形式，采用双钢板混凝土组合墙配置方法，利用装配式绿色建筑梁柱节点两侧的栓钉实现锚固[7－8]。考虑到筏板基础，在装配式绿色建筑梁柱节点的嵌入钢板上穿孔，对钢筋搭接试件的裂缝采用锚杆固定的方法进行梁柱节点固定，采用埋件式锚固方法，在混凝土中带肋钢筋进行搭接连接，通过对拉钢筋及钢板应变检测和力学参数分析，确定装配式绿色建筑梁柱节点的墙－钢筋混凝土基础参数，进行装配式绿色建筑梁柱单元的抗震设计，设置拉钢筋配置[9]。装配式绿色建筑梁柱节点连接结构形式如图2所示。

图2 装配式绿色建筑梁柱节点连接结构形式(单位:m)

2.2 装配式绿色建筑梁柱节点材料本构关系

建筑梁柱节点材料在加固改造工程中具有广泛的应用。装配式绿色建筑物装饰装修中，节点材料主要用于板材粘接、墙面预处理、贴墙、陶瓷墙地砖、各种地板及地毯的铺设粘接，通过其能够提高防水、密封、弹性和抗冲击性能。这些性能不仅能提高装配式绿色建筑装饰质量，增加美观与舒适度，还能改善施工工艺，提高施工效率与质量。在装配整体式剪力墙结构中，采用框架中节点的混凝土应力分析方法，计算装配式绿色建筑梁柱节点的承载力和预应力[10]，构建装配式绿色建筑梁柱节点材料本构关系模型，采用埋件式锚固方法，结合预应力度分析和屈服响应分析，实现对装配式绿色建筑梁柱节点的等强连接[11]，抗弯应力模型为:

式中:Vt1为拉钢筋配置相对于节点性能内力；Vu1为钢筋标准锚固长度；ΔVt为搭接钢筋与钢板的间距。采用静力加载试验方法，分析搭接钢筋直径的修正因子为:

式中:dei为试件截面及钢板上的滞回系数；dpti为较大局部变形的屈曲关系，混凝土浇筑时两侧模板参数。锚固钢筋应力参数为:

式中:λ为受压和受拉损伤指标；t为体积配箍率。考虑加载装置尺寸和加载能力，得到装配式绿色建筑梁柱节点受拉损伤指标系数满足[12]u:I×IRd→IR，混凝土弹性模量为:

式中:τ≥0。分析混凝土受压和受拉损伤指标系数，钢管内混凝土的受拉损伤指标:

式中:P(Y｜λi)为双轴抗压屈服强度；P(Y｜λj)为单轴受拉时应力；P(Y｜λT)为初始弹性模量。由此建立装配式绿色建筑梁柱节点材料本构关系模型，在单轴受力情况下，实现对装配式绿色建筑梁柱节点本构关系分析。

3 装配式绿色建筑梁柱节点固定优化

3.1 节点受剪性能整体结构参数分析

在构建了装配式绿色建筑梁柱节点材料本构关系模型的基础上，采用搭接钢筋布置方式，进行装配式绿色建筑梁柱节点的搭接传力分析，通过分析装配式绿色建筑梁柱节点的承载力、刚度等参数信息，建立装配式绿色建筑梁柱节点的应力参数分析模型，在钢板底部焊接的钢板之间，实现对柱与基础锚固区域的应力参数解算，构建抗剪承载力计算模型，采用埋件式锚固方法，结合预应力度分析和屈服响应分析，得到装配式绿色建筑梁柱节点的纵向强度，建立梁节点的有限元模型，得到混凝土受压应力为:

式中:n为施加预应力；φi为混凝土受压序列值；b、t、a均为混凝土受压系数；v为受压时速度。结合组合框架节点有限元分析，得到压应力和压应变的关系如图3所示。

图3 压应力和压应变关系

根据图3所示的压应力和压应变的关系，采用有限元模拟的方法，进行钢板与钢筋间搭接传力测试。在组合框架节点有限元分析模型中，根据受压应力－应变关系分布，采用锚固方法，将拉钢筋两端均焊接在钢板上，分析不同位置对拉钢筋的受力情况，得出受力为:

式中:aii为应力－应变联合分布特征；bi为流动势偏量值；为混凝土膨胀角；为单轴受压相应的应变。根据节点受剪性能整体结构参数分析法，计算钢筋标准锚固长度，分析锚固长度对节点性能的影响。

3.2 装配式绿色建筑梁柱节点应力优化

采用静力单调拉伸试验方法，增大钢筋与钢板间的不平衡力矩，构建装配式绿色建筑梁柱节点的搭接模型，得到搭接位置变化指标为:

式中:Is为纵横向间距；μj为受压应力－应变关系分布；Aj为单轴受压应力－应变；W′为单轴受拉下降段参数值；F为双轴抗压屈服强度。

当F＝0.1时，得到双轴抗压屈服强度满足:

式中:λn为装配式绿色建筑梁柱节点单轴抗拉强度；fvk为单轴受拉下降段参数值的标准值；ω为流动势偏量值；Ac、Aw分别为箍筋约束下混凝土的截面参数和分布面积；∑Af为刚度恢复系数；n为钢材初始弹性模量。

根据锚杆体支护顺序，结合混凝土支撑柱工程，实现对装配式绿色建筑梁柱节点的应力结构参数分析。在插筋锚固节点中，通过分析试件的承载力，实现对装配式绿色建筑梁柱节点的等强连接，采用静力单调拉伸试验方法，实现对装配式绿色建筑梁柱节点固定。节点优化模型如图4所示。

图4 装配式绿色建筑梁柱节点优化

4 实验分析

测试分析中，设定钢筋强度等级均为HRB400，采用工字钢、钢管和内加强设计方法，建立装配式绿色建筑梁柱节点极限强度检测模型，屈服预应力度为234.1 MPa、232.0 MPa。装配式绿色建筑梁柱节点性能评价指标体系如表1所示。

表1 装配式绿色建筑梁柱节点性能评价指标体系

根据表1的参数评价指标体系，在塑性损伤模型中进行装配式绿色建筑梁柱节点固定的受力分析，如图5所示。

图5 装配式绿色建筑梁柱节点固定的受力分析

根据图5装配式绿色建筑梁柱节点固定的受力情况，其抗拉力受力特征值最高为72%，屈服应力受力特征值最高为70%。在此基础上，分析装配式绿色建筑梁柱节点固定的力学参数解析结果如表2所示。

表2 装配式绿色建筑梁柱节点固定的受力参数解析结果

根据表2参数解析结果可知，采用本文方法进行绿色建筑梁柱节点固定的受力可靠性较好。装配式绿色建筑层间位移测试结果如图6所示。

分析图6可知，通过装配式绿色建筑梁柱节点固定设计，降低了层间位移，预应力度分别为0.31、0.79，满足设计要求。

图6 层间位移测试结果

5 结束语

本文进行装配式绿色建筑梁柱节点固定方法的优化设计，并提出基于节点受剪性能整体结构优化的装配式绿色建筑梁柱节点固定方法。在装配整体式剪力墙结构中，采用框架中节点的混凝土应力分析方法，建立装配式绿色建筑梁柱节点的混凝土基础与双钢板组合墙节点连接模型，采用钢筋混凝土筏板作为基础，结合嵌入式锚固和埋件式锚固的方法，构建装配式绿色建筑梁柱节点材料本构关系模型，采用埋件式锚固方法，结合预应力度分析和屈服响应分析采用节点受剪性能整体结构优化方法，降低搭接钢筋与钢板距离。采用本文方法进行装配式绿色建筑梁柱节点固定的抗拉能力较好，搭接钢筋的滑移得到有效控制，提高了装配式绿色建筑梁柱单元的稳定性，具有很好的工程应用价值。