装配式建筑框架节点研究综述

崔洪军， 朱嘉锋， 姚胜， 朱敏清

(1.河北工业大学土木与交通学院， 天津 300401； 2.河北工业大学建筑与艺术设计学院， 天津 300130)

装配式建筑于20世纪迅速发展起来，在20世纪90年代，美国和日本联合发起了预制混凝土结构抗震性能研究项目——预制抗震结构体系(precast seismic structural system，PRESSS)，很大地推动了预制装配式混凝土结构在地震区的应用[1]，而德国创新性地将装配式建筑与节能联系起来，为后来的研究提供了巨大的参考价值[2]。由于受质量低、保温防水效果差以及震害大等原因影响，中国装配式建筑发展相对缓慢，进入21世纪后在借鉴国外经验的基础上，重新提出了建筑工业化理念并出台了相应的支持政策[3]。

装配式混凝土结构由预制混凝土构件拼装而成，其预制构件和门窗等在工厂就可以进行加工，然后再现场吊装，因此可以实现工业化生产，减少物料损耗和施工时的劳动时间，节约施工成本和减少对周围环境的影响[2，4]。框架节点是指框架梁柱重叠区域，是结构受力的主要部位，梁柱节点承受柱和梁传递来的各种力，受力十分复杂，而装配式结构构件在此拼接，因此常常会受到施工和连接方式的影响成为薄弱环节。中国是地震灾害最严重的国家之一，一次地震甚至一次中等大小的地震所造成的损失都可能非常大[5]，钢筋混凝土框架结构又是中国工业和民用建筑比较常见的结构形式，因此必须加强框架节点构造形式的设计与研究，确保装配式建筑结构的安全可靠[6]。2020年，阿热帕提·艾斯凯尔等[1]概括了构件连接方式，介绍了新型预制混凝土框架结构和剪力墙结构的连接方法，为未来的研究提供了方向；欧卫星等[6]对装配式建筑框架节点进行了总结，给出了节点类型的适用范围和优缺点。现有综述大部分以总结连接方式、画示意图并提出优缺点为主，很少将其与国外发展进行系统的分析对比。

现针对装配式建筑框架节点的研究，运用CITESPACE可视化分析软件对中国知网(CNKI)数据库和Web of Science(WoS)数据库中有关装配式建筑框架节点的文献进行分析，总结其研究现状，以期为今后相关领域研究提供参考。

1 可视化文献分析

1.1 样本提取

针对CNKI数据库和WoS数据库分别进行不同年限的搜索。

首先选取CNKI收录的核心期刊文献，设置检索时间为2011年1月—2021年12月，以装配式节点为主题搜索，共有191篇中文文献，去除与装配式建筑框架节点无关的文献9篇，最终得到了182篇有效文献，运用CITESPACE进行科学知识图谱分析，设置时区分割为1年，如图1所示。

图1 中国知网发文量年度趋势Fig.1 Annual trend of the published papers on CNKI

20世纪80年代前后，装配式建筑在国外得到大力发展，因此选取WoS核心合集1991年至今的全部文献。以Assembled和Joint为主题分别进行基本检索，随后在高级检索中对这两次检所记录进行“AND”组合，共搜索出3 985篇文献，发文量年度趋势如图2所示，然后进行CITESPACE软件分析。

图2 WoS发文量年度趋势Fig.2 Annual trend of the published papers on WoS

圆圈大小代表发文数量，不同颜色代表不同年份图3 装配式节点主要研究国家发文量及其合作网络Fig.3 Number of articles published by the main research countries on the assembled building joints and countries’ cooperation networks

通过图2可得，国内外相关发文量总体呈上升趋势，尤其国外期刊，在2015年后的发文量一直处于高速上升状态。

1.2 研究所属国家分析

将WoS数据库核心合集样本数载入CITESPACE软件进行可视化分析，得到如图3所示的研究国家分布图谱，共生成知识节点99个，连接线556条。可以看出，中心性排在前三的分别是美国、法国和中国，但根据发文量排名，美国位列第一，中国紧随其后，德国居于第三，详细的国家发文量和中心性信息如表1所示。

表1 中心性排名前五的国家及其发文量

1.3 研究机构共现分析

将中国知网CNKI与WoS核心合集样本数分别载入CITESPACE软件，针对研究机构参数进行可视化分析。

由对CNKI数据库的研究机构参数可视化分析结果可以得出发文量最多的为东南大学混凝土及预应力结构教育部重点实验室，发文数量达到了17篇，其次为中南大学土木工程学院和北京工业大学北京市高层和大跨度预应力钢结构工程技术研究中心，发文数量是15篇，其余研究机构发文数量(10篇以上)如表2所示。

表2 2011—2021年研究发文量前16位机构

针对WoS数据库的分析结果显示，发文量排在前5名的机构全部在中国国内，其中3所机构位于北京，分别是北京科技大学、北京未来城市设计先进创新中心和北京交通大学，且3所机构之间连线紧密，联合研究较多，其余两所是同济大学和哈尔滨工业大学。在这5所机构之中，同济大学的中心性最高，参考价值更为可靠。

综上可以看出，在国内研究的佼佼者中，东南大学及北京工业大学在国内期刊发文量较多，而同济大学、哈尔滨工业大学、北京科技大学和北京交通大学更倾向于在国外期刊发表论文。

1.4 关键词共现分析

将CNKI数据库和WoS数据库样本导入CITESPACE进行关键词的可视化分析，即可得出一个时间段内的研究热点。

将CNKI数据库载入CITESPACE中选择关键词进行可视化分析，得到的关键词图谱中共生成了194个主题节点和535条连接线。关键词出现的次数和节点的大小成正比，节点越大，表示关键词共现的次数越多，在此段时间内的热度越高。从节点的大小可以看出，抗震性能、装配式、装配式节点、梁柱节点、自复位、拟静力试验、预制装配式、数值模拟、框架结构、框架节点、滞回曲线等关键词直径较大，出现频率较高，映现了在2011—2021年这10年间，这些关键词是这个领域的研究热点。

将WoS数据库样本载入CITESPACE中选择关键词参数进行分析，筛选出现频率较高的关键词，得到如图4所示的关键词图谱，共生成了633个主题节点，2 866条连接线。从节点大小可以看出，各国在beha-vior、performance、joint、design、model、strength和mechanical等方面的研究较多，各研究之间联系较为密切。

图4 WoS数据关键词共现分析Fig.4 Keywords co-occurrence analysis of WoS data

从CNKI Timeline图分析，如图5所示，在2011—2013年，承载力、剪力墙、拟静力试验和装配式的研究较多。在2013—2016年，关于框架结构、钢材料的使用、荷载试验、连接性能和预应力方面的研究逐渐增多，而且部分节点之间连线丰富，说明各研究热点之间存在紧密联系。在2016—2019年，节点的连接方式及抗震性能、试验研究、数值分析、梁柱节点和钢结构等方面的研究较多，且也与之前的研究交叉频繁，标志着该领域形成的框架逐渐完善。2019年后，关于复式节点等新型节点的研究逐渐增多。

图5 2011—2021年装配式领域的Timeline图(CNKI)Fig.5 Timeline diagram of the assembled field from 2011 to 2021(CNKI)

从WoS Timeline图(图6)中(关键词只选择了前8位)，可以发现各个时间段的研究热点。2004—2010年，连接节点相关的研究较为广泛，图中直径较大的节点为connection、design、behavior和joint等方面的研究；而在2010—2016年，关于抗震方面的研究逐渐增多，其中performance成为一大热点，其次还有frame、seismic performance、strength和column等方面的研究，并且从图6中可以看出，这些领域之间的联系已经很密切；2016年至今，研究重点倾向earthquake-resilient、test和seismic behavior。

图6 2004—2021年装配式领域的Timeline图(WoS)Fig.6 Timeline diagram of the assembled field from 2004 to 2021(WoS)

综上可以看出，无论国内还是国外，抗震性能是装配式建筑框架节点的研究重点，钢作为一种新型材料也逐渐被国内外广泛应用。

2 研究内容分析

2.1 装配式建筑框架节点形式

根据浇混凝土的施工方法，装配式建筑框架节点可分为两大类：干式连接和湿式连接。干式连接是在构件从工厂运到施工场地后，通过螺栓连接或者焊接连接进行组装，无需浇筑；而与之相反的湿式连接，则是将运输来的构件通过浇筑节点来实现连接。目前，常用干式连接的具体形式主要包括螺栓连接、后张拉预应力连接、键槽连接、牛腿连接、钢吊架式连接以及焊接连接等；湿式连接的具体形式包括现浇带连接、灌浆套筒连接、环筋扣合锚接搭接和预留孔浆锚搭接等[6,8]。常见装配式建筑框架节点及特征如表3所示。

表3 装配式建筑框架节点形式

钢结构建筑作为天然的装配式建筑，有着自重轻、延展性好等得天独厚的优点，在国内外逐渐得到广泛应用，其框架节点形式大致分为3类：刚性连接、半刚性连接和铰接，连接方式则主要有3种：全焊、栓焊混合和全螺栓。具体特征如表4所示。

表4 钢结构节点具体特征

随着经济的发展，单纯的装配式混凝土结构和钢结构由于自身缺点的限制逐渐不能满足社会需求，于是部分包覆钢-混凝土组合结构(partially encased composite structures of steel and concrete，PEC)得到了青睐。PEC结构不仅有着预制率高、装配率高的优点，同时相对于纯钢结构，也有着更大的刚度、更高的承载力和更好的防火性能，其拼接节点施工技术则是由PEC钢骨施工技术、PEC构件后浇节点施工技术组成[18]。PEC构件既可形成单一的PEC框架结构，也可与其他类型的结构构件共同使用。

2.2 节点受力与抗震性能

装配式建筑框架节点的受力性能和连接方式对建筑的抗震要求和安全可靠性起着极为重要的作用，因此众多学者进行了大量的研究来验证节点的承载能力与抗震性能，一般围绕节点的连接方式、消能减震性能等方面展开研究。

Irtem等[19]、Girgin等[20]、Ertas等[21]着重研究了节点的连接形式。Irtem等[19]就螺栓连接进行了试验，然后对节点进行了参数分析，研究了刚接、铰接以及弹性连接对节点受力性能的影响。Girgin等[20]对焊接连接形式进行了研究，通过试验数据分析得出其在强度、刚度和耗能方面具有良好的特性。Ertas等[21]则对牛腿搭接连接进行试验，证明了其良好的抗震性能，并对现浇节点、螺栓连接节点及焊接连接进行研究，发现采用改进螺栓连接的节点抗震性能与现浇节点相似，在强度、刚度、延性等抗震性能方面均优于其他节点；然而随着社会的发展，相关研究由“抵抗”地震转变为“抵抗”与“缓冲”相结合的方法，因此，对消能减震的研究也应运而生。谢鲁齐等[22]提出了一种新型的连接节点并进行拟静力试验，研究了节点的能耗状态、破坏形态以及震后修复工作，证明了节点的安全性。吴从晓等[23]则提出了一种新型节点，并通过低周反复加载试验研究其抗震性能和破坏特征，结果表明消能减震节点的抗震性能和延性较普通型节点有所提高，且该节点耗能能力显著增加，为普通预制节点的2倍。除此之外，装配式建筑可拆卸构件的优势也逐渐体现出来，陈俊等[24]通过对4根可拆卸预制装配式组合梁的研究，发现进行局部脱黏处理的连接件在对刚度、极限承载力影响较小的情况下，可以延缓裂缝的发展并延长其使用寿命。

2.3 自复位结构

装配式结构震后变形较大，修复成本比较高，因此，一种被称为自复位的结构在20世纪90年代被提出来，它可通过自复位能力减少残余变形进而间接地降低修复成本。冯世强等[25]提出了一种新的自复位结构并进行研究，发现试件耗能显著增加，整个试验过程基本实现震后可恢复功能，对结构的抗震设计提供了有效的思路。陈云等[26]也提出了一种新的自复位摇摆钢框架结构，并用ABAQUS软件进行了数值模拟，研究结果表明该框架具有良好的自复位能力。杨浦等[27]对一种带钢套靴的自复位钢筋混凝土(reinforce concrete，RC)框架柱脚进行研究，并用OpenSEES进行模拟验证有限元的有效性，得出了影响自复位柱脚屈服强度和其耗能能力的原因。Veismoradi等[28]创新地提出了利用弹性滑动摩擦接头提高抗震性能的自复位结构，通过实验和数值模拟的方法，得出了该结构具有良好的强度、刚度和消能减震的效果，并可以很好地降低残余变形。

2.4 装配式建筑结构节点计算

2.4.1 装配式混凝土结构

装配式混凝土结构中，混凝土仍然占据主要部分，需要对节点和接缝的正截面受弯、受压和受拉承载力进行计算(必要时应考虑二阶效应)，除此之外，还需要满足其受剪承载力的持久设计、地震设计以及梁柱加密区的规定。在进行抗震优化设计时，可以根据节点的受力状态进行弹性分析或弹塑性分析，根据模拟或实验结果进行设计[29]。

2.4.2 钢结构

传统框架节点会按照刚接或铰接的方式进行设计，但实际节点应为半刚性连接[30]。在进行计算时，不同形状、结构和连接方式在取值和构造要求方面会有不同，不过大多都是先根据节点域的受剪正则化宽厚比和轴压比来确定受剪强度，然后再进行承载力验算[31]。

3 研究方法分类

3.1 试验方法

为了测得混凝土的各项抗震性能指标，许多试验方法都被应用起来，例如低周反复荷载试验(又称拟静力试验)、拟动力试验和地震模拟振动台试验[32]。

拟静力试验是用来测混凝土(或复合)结构或构件抗震性能最广泛的试验，其操作方便，结果精确。拟静力试验中通常对破坏形态、滞回曲线、承载能力和刚度退化进行分析。孙志诚等[33]对1/4缩尺平面框架节点进行拟静力试验，对其破坏形态以及抗震和延性等性能进行分析，发现延性性能随钢筋强度的增加而下降，钢筋强度低的柱以弯曲破坏为主，强度高的以剪切破坏为主，并引入钢筋与混凝土的匹配度系数α作为钢筋与混凝土匹配问题的参考依据。张微敬等[34]、赵德鹏等[35]、严加宝等[36]、丁克伟等[37]则对试件的位移角进行分析来判断其变形能力；牟在根等[38]、邓明科等[39]则通过试验分析推得新结构的承载力计算公式。拟静力试验虽然已得到广泛应用，但其只适用于设计加速度较小、动力相互作用不甚突出的结构抗震设计，不能用于地震时土体刚度有明显降低或者产生液化的场合。

拟动力试验是由日本学者首次提出的一种将计算机与试验机联机加载的方法，它拥有其他两种试验的优点，却极易受到误差扩大化的影响而导致试验结果不准确[40]，其发展主要表现在子结构技术的出现、数值计算方法的发展以及快速拟动力试验方法的提出。郭玉荣等[41-42]提出了以 ABAQUS 为核心的子结构动力试验方法，以及以OpenSEES为核心，针对框架结构体系取复杂子结构的拟动力试验方法的研究；王涛等[43]、薛建阳等[44]和Benedetto等[45]则是运用拟动力试验来研究钢结构的抗震性能，通过分析结构的最大层间位移角和滞回耗能性能等，验证结构的稳定性。虽然拟动力试验能更进一步模拟真实地震状况，但此方法仍有人为规定阻尼矩阵以及简化分布力的缺点，并不能完全模拟地震荷载。

作为开展抗震研究的重要设备，地震模拟振动台试验在国内外发展迅速，中国相对研究较晚，于20世纪60年代建造出第一台振动台。此后，随着经济的发展和研究需要，振动台的建设工作也得到了重视，至今，中国已拥有振动台50多台，其振动方向也由单向振动向多向多自由度发展。结合异型结构、数字化和模拟控制，地震模拟振动台也向大型化、台阵化、智能化和网络化的趋势发展[46]。张同亿等[47]介绍了国内外大型地震模拟振动台及其基础设计的发展现状，对其计算分析方法、控制标准进行了对比研究，并从参数取值、设计方法、控制指标以及监测系统几方面提出建议。纪金豹等[48]结合了国内外建造案例，归纳了方法的适用性并总结了施工建造过程中的关键问题，给出了解决方案。黄影等[49]引入ABAQUS对北京建筑大学在建的地震模拟振动实验台进行动力性能分析，并与实测数据进行对比，验证了其精度。刘祖强等[50]针对型钢混凝土异形柱框架，通过1/4缩尺模型地震模拟振动台试验，发现T形边柱和边框架梁受力更加不利。虽然地震模拟振动台实验有很多优点，但其成本高、过程复杂，试验欠质量失真以及模型的相似率低等问题也亟待解决。

3.2 数值模拟

数值模拟促进了试验的发展，对试验方案的科学制定、试验过程中测点的最佳位置、仪表量程等的确定提供更可靠的理论指导；此外试验成本较高，不确定因素多，易发生不可预料的危险，数值模拟则在这方面体现了自身极大的优势。国内常用模拟软件分为以下几类。

3.2.1 ABAQUS

ABAQUS是一款强大的工程模拟有限元软件，可以解决许多线性、非线性问题。张艳霞等[51]利用有限元软件ABAQUS对4个梁柱节点在低周反复荷载作用下的试验进行数值模拟分析，发现有限元模拟的各项指标与实验结果吻合较好，证实了有限元模拟方法是可行的。吴成龙等[52]同样用有限元软件ABAQUS对一种干式连接的新型预制装配式型钢混凝土组合节点进行了非线性静力分析，以模拟结果为依据对数学模型进行修正并验证了其准确性。王腾辉等[53]利用ABAQUS进行建模分析，研究了钢筋直径、灌浆饱满度以及锚固端钢筋偏心对构件的影响，发现半灌浆套筒连接件的屈服强度以及套筒壁应变与钢筋直径成正相关；而灌浆料饱和度与最大荷载的钢筋伸长率，钢筋垂直偏心距与试件强度之间分别呈负相关。ABAQUS强大的非线性分析能力使其在节点抗震领域的应用最为广泛，软件内置的混凝土损伤塑性模型在模拟中也具有很大优势。

3.2.2 ANSYS

ANSYS作为融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的有限元分析软件，功能强大，操作简单。王飞等[54]运用ANSYS对钢管-焊接空心球节点进行模拟，研究了钢材性能与温度的关系，采用生死单元技术对焊接过程中加热及冷却温度场进行模拟，得出焊缝在不同时间段的焊接温度分布，验证了ANSYS模拟焊接连接的可行性，提出了减小残余应力的措施。贺鹏飞等[55]对连柱焊接节点进行了有限元模拟，开展了应力应变场与损伤累积效应的耦合分析，验证了考虑损伤演化动态本构关系的Popov 实验模型，为工程加固提供可靠依据。

3.2.3 OpenSEES

OpenSEES得益于材料库丰富、精度高、便于改进以及易于协同开发的优点，在结构、桥梁和岩土领域得到广泛应用。许成祥等[56-57]基于OpenSEES平台建立钢管混凝土柱-钢梁错层节点和钢管混凝土柱-不等高钢梁框架节点的数值模型，研究了轴压比、钢材强度和混凝土强度等级对节点抗震性能的影响，发现两种节点共同结论是：适当提高钢材强度可以有效增加结构承载力和延性；在某一范围内，轴压比与节点承载力呈负相关状态。赵雯桐等[58]基于OpenSEES，采用较为精细的“超级节点单元模型”模拟节点非弹性反应，以典型平面框架结构为例分别建立考虑节点非弹性变形、不考虑节点变形的有限元模型，发现考虑节点非弹性，框架顶点位移最大值变化不明显，层间位移角最大值略有减小；框架杆端出铰率减小，梁端、柱端的转角延性系数总体上减小。

3.2.4 ADINA

ADINA是近年来发展最快的有限元非线性求解软件，被广泛应用于各个领域。刘阳等[59]通过将核心型钢混凝土节点的有限元模拟结果与实测值进行分析，发现两种结果吻合良好，并得出了核心型钢在节点区的锚固面积与试件强度和变形能力成正相关的结论。王元清等[60]利用ANIDA对空间管节点进行模拟，依据大量算例数据，拟合出节点在轴心受力和平面外受弯两种荷载条件下的极限承载力公式，并在实际工程中进行应用，取得良好效果。

4 结论与展望

通过CITESPACE软件对中国知网CNKI与WoS核心合集中的装配式建筑框架节点领域的文献进行分析，主要结论如下。

(1)中国对装配式建筑框架节点的研究逐渐深入，发文量总体呈上升趋势，处于世界前列，东南大学和同济大学研究较多，发文的质量也较高，研究内容从最初的装配式节点等逐步延伸到新型节点形式、异形连接件以及自复位结构等，其中研究以试验与数值模拟方法为主，研究框架逐渐完善。

(2)目前常用的装配式建筑框架节点主要有牛腿连接、焊接连接、螺栓连接、企口连接等干式连接以及灌浆套筒连接、后浇整体式连接等湿式连接，其中抗震性能、耗能能力以及自复位结构是新型装配式节点研究的重要内容，部分包覆钢-混凝土组合结构(PEC)也逐渐得到青睐。相对来说，国外应用数值模拟相对国内比重较小。国内数值模拟相关文献出现的次数随着年份的增长而增多，与试验的结合也越来越密切，其准确性也得到了验证，在以后装配式建筑框架节点研究中，数值模拟必是一大趋势。

(3)虽然装配式建筑结构节点有很大优势，但其仍存在材料造价高、施工制作不精细、设置单一和技术型人才缺失等问题，如何将节点设计制造精细化、标准化、大众化以及如何培养技术型人才都亟待解决。除此之外，当前试验方法仍以拟静力试验为主，拟动力试验和地震模拟振动台试验虽可进一步模拟地震作用，但操作难度大、参数选取以及模型不够精确等问题也较为严重。

(4)结合当下背景，低碳建筑、被动式建筑等已成为发展趋势，而这类建筑在一定程度上依赖于装配式建筑的发展。现有装配式建筑框架节点的研究大都针对其结构性能，往往忽略节点引起的冷热桥效应，因此如何在保证节点抗震性能要求的前提下使其拥有良好的热工性能将成为未来装配式建筑结构节点研究的重点。