新型榫卯混凝土结构节点设计与应用

王现鹏，梁勇钧

（1.白俄罗斯国立技术大学 土木工程学院，白俄罗斯 明斯克 220013；2.海南祺商公司，海南 海口 570100）

0 引言

近年来，随着我国基建行业的快速发展，配备高效多功能的装配式建筑是快速发展的首要需求。故此，现阶段多层建筑及临时性建筑的二次循环节能利用是当今建筑专业领域的研究热点，也是实现建筑工程二次循环节能利用的有效途径。传统搭接型节点连接已经不能够满足市场需求，榫卯结构作为新型装配式建筑节点连接方式，其作用在于提高结构整体性，增强构件之间协作性、相容性；能有效提高极限荷载，具有施工成本低、结构易更改、施工便捷等优点。故此，本文对新型榫卯连接结构构件进行了研究。

在各种建筑框架混凝土结构研究中，学者们对建筑物的柱件、横梁和交叉支撑等框架结构构件进行了研究，结果表明，构件与柱件之间需要通过适度可逆的抗摩擦动能才能消除构件之间的负载，保持装配式建筑的结构稳定性。Kirkayak等[1]、Vinicius等[2]分别对2层及多层装配式建筑进行了有限元分析和振动台试验，得出了装配式建筑在抗震作用下最主要的还是连接节点区的破坏。吴从晓等[3]对外框内箱结构的抗震性能进行了简要分析，结果表明，外框内箱结构竖向刚度分布均匀，受力更加合理，力的传递更加明确，能有效减小内部集装箱构件内力，更好地实现装配式结构“强柱弱梁及强节点”要求，提高结构的安全性和可靠性。密善坤[4]对装配式建筑框架结构进行了深入研究，通过对梁柱构件节点的核心区域进行力的承载和传递，对梁柱连接形式进行分析，提出了一种新型装配式混凝土框架节点——螺栓连接形式节点，并通过ABAQUS有限元软件对比分析现浇、全套筒灌浆连接和新型螺栓3种连接节点形式，得出螺栓连接节点受弯构件相较于其它节点更行之有效。

1 钢筋混凝土装配式榫卯结构

1.1 榫卯连接类型

榫卯连接分为出头榫、明榫、暗榫三大类型，分别用于主要承重构件、次要构件和装饰性构件。

1.2 混凝土装配式榫卯连接

（1）横梁与立柱连接

当横梁与立柱采用传统式柱枋、榫卯连接时，各构件之间的连接则与榫卯相吻合，从而构成富有弹性的框架。参照Xue等[5]对穿斗式木结构柱榫节点抗震性能的研究结果，利用穿斗式连接能够明显延缓节点的早拔破坏，提高构件的延性。用于混凝土结构时可采用后浇混凝土的方法提升整体性能，增设预埋铁件和墩头钢筋，加强钢筋锚固，从而改善节点的脆性，提高锚固性（见图1）。

（2）柱头与柱脚连接

柱头与柱脚在传统的脚榫方式连接上加以改进，柱头延长钢筋增加锚固性，钢筋延长处形成后浇带从而提高构件的整体性（见图2）。

2 装配式榫卯混凝土结构应力分析

2.1 节点设计

依照“强柱弱梁，加强节点锚固”的原则进行设计，梁跨度为5 m，梁柱节点采用预埋铁件及钢筋锚固措施进行加强，锚固长度计算公式为[6]：

式中：lab——受拉钢筋锚固长度，mm；

fy——普通钢筋抗拉强度设计值，MPa；

ft——混凝土轴心抗拉强度设计值，当混凝土强度等级高于C60时，按C60取值，MPa；

α——钢筋的外形系数；

d——钢筋的公称直径，mm。

此节点设计预制件采用C35混凝土，后浇采用C40混凝土，箍筋均采用HRB335，纵向受力钢筋采用HRB400，预埋铁件采用ASTM60。节点设计详图如图3所示。

2.2 数值模拟仿真分析

本研究使用Ansys SpaceClaim建模，运用Simsolid有限元进行应力计算，材料参数见表1，对节点的受力变形等特征进行研究。

表1 材料参数

2.3 柱顶加压有限元分析

通过对构件的柱顶施压发现，预制梁和节点所受到的变形最小，其最大形变发生在柱头，为2.28 mm[见图4（a）]，最大剪力发生在节点上边缘，为0.89 MPa[见图4（b）]，最大应力发生在节点中部，为1.12 MPa[见图4（c）]，当柱头混凝土被压碎时，节点同时被破坏[见图4（d）]，说明此装配式混凝土结构节点受力设计符合设计规范的受力要求，证明方案可行。柱子的剪力曲线见图5（a）、（b）。

由图5（a）、（b）可见，除1800~2250 mm处受力有明显下降现象，其余部位均呈线性，说明此装配式建筑构件节点能够充分保证其结构的整体稳定性。

2.4 最不利位置加压有限元分析（见图6）

通过对构件节点最不利位置加压发现，最大变形处依然发生在柱顶位置，最大变形为3576.30mm[见图6（a）]，其最大剪力和最大应力形变均发生在距离节点宽度6倍处。最大剪力发生在节点上边缘，最大剪力为4294.50 MPa[见图6（b）]，最大应力为8423.80 MPa[见图6（c）]。通过对上述数据分析可知，剪力和应力的最大值均发生在预制梁上，故为最先破坏构件。其节点受力均为最小受力，故为最后破坏构件。由此得出，此构件的破坏形式满足结构设计安全要求，证明节点设计方案可行[7]。

柱子的变形曲线和应力曲线见图7。

由图7可见，在1800~2250 mm处形变特征由线性变为水平，应力显著下降。

3 榫卯混凝土结构的应用范围及优点

3.1 应用范围

由于榫卯结构装配式建筑都由榫卯混凝土构件拼接而成，故不可用于强烈地震带及地壳运动剧烈板块。多用于临时性建筑，或工期较短的2~7层多层建筑。

3.2 榫卯混凝土结构的优点

榫卯混凝土结构的优点体现于以下3个方面：

（1）建筑环保及国家政策方面。随着环保建筑理念的兴起，国家也开始重点管理建筑市场，新型榫卯装配式建筑不仅符合国家绿色建筑政策方针，而且满足现代建筑使用要求，符合“十四五”建筑行业碳中和的方向，能够有效促进装配式建筑的发展。故此，在我国建筑业市场的情况下，新型榫卯混凝土装配式建筑必然可成为新型建筑产业-绿色可持续发展道路的一部分。

（2）建筑技术层面。本项研究可代替钢混结构中构件节点之间的螺母构件连接、套筒连接，但不影响其抗弯、抗拉强度及抗震效应；同时也便于施工预制、安装。能够高效及精确地进行组装和构造，并经过有限元分析能够满足梁柱构件之间的荷载及承载力的要求，符合装配式建筑相关设计规范要求。

（3）经济效益较好。装配式混凝土榫卯结构经济效益在于应用范围广、造价低、可持续利用率较高。可先进行额定尺寸的批量型预制、运输、组装。其在一定程度下不仅可以缩短建筑工程建造工期、提高建筑资产经济效益，还可以多次循环利用、降低固定资产总投资及减少固定资产折旧、增加建筑构件的可实用性，从而减少建筑工程废料的二次污染问题。

4 结语

本文对装配式榫卯结构混凝土构件的节点受力特征、抗震性能进行研究，并对混凝土榫卯结构装配式建筑的应用进行了探讨。通过有限元分析探究其节点构件的抗弯、抗折性能，结合其相关建筑设计规范，分析了其施工应用范围。通过研究充分肯定了新型榫卯结构装配式建筑的可行性和经济性。

随着城市化进程的不断加快，住宅建筑工程也进入了高速发展的阶段，混凝土装配式施工技术在工业与民用建筑工程中具有广阔的应用前景。城市建设中，社会各界对于环境保护的重视程度日益提高，建筑工程项目相继提出了节能减排的施工理念，也对混凝土装配式建筑技术的应用提出了越来越高的要求。混凝土装配式建筑施工技术的优化和升级，是其可持续发展应用的关键所在，也是相关领域学者们需要继续研究的问题。