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装配式混凝土结构的节点承载力如何提升？新西兰这套体系值得借鉴

时间：2020-08-12 11:15:00 来源：搜狐焦点

新西兰作为一个地震频发的国家这些装配式建筑经历了诸多次大震考验，如2016年11月新西兰八级地震，未造成一人伤亡。在国家大力推广装配式结构的背景下，该国的装配式结构的理论体系及发展经验着实值得我们学习。

新西兰的装配式混凝土建筑结构在Paker教授以及Pauley教授的努力下形成了一套完备的理论体系并广泛地应用于工程实践。

强节点、弱结构是建筑结构能力设计中相当主要的理念。但是，装配式结构主要由各结构构件相互拼接。拼接部位可能处于节点位置，也可能处于柱中、梁跨中部。

由于装配式结构的连接节点主要在现场浇筑，操作面相对狭小，如何保证节点的承载能力成为了装配式结构设计中相当重要的问题。

1 梁柱节点

Park教授在他发表的论文"Seismic Design and Construction of Precast Concrete Buildings in New Zealand"中介绍了新西兰框架结构的三种节点连接形式。

System 1 采用现浇柱和叠合梁。System 2 采用叠合梁和预制柱。System 3 采用预制梁柱单元，单元之间通过梁跨中间的节点连接。

新西兰框架结构的一般原则是由边框架（perimeter frame）提供足够的强度和刚度来抵抗大部分的地震力，内部框架（interior frame）承担竖向荷载作用。

这些连接形式都进行过试验的验证，确保在合理设计的条件下，柱筋的屈服量达到最小值，满足能力设计的基本原则。

新西兰常用的强柱-弱梁设计中，预制混凝土构件和现浇混凝土的三种布置形式，形成韧性抗多层钢筋混凝土框架（Figure 1.1）。

Figure 1.2将Figure 1.1中System2和System 3所使用的跨中连接细节进行了详细图解。

Park教授不仅提出以上介绍的三种连接方式，他和他的团队还对此实施了6组实验进行验证。

经实验证实，这三种连接方式应用在框架结构中都是安全可靠的。

▲Figure1.1预制混凝土构件和现浇混凝土的三种布置形式

▲Figure 1.2 梁跨中节点详图

▲Figure 1.3 - Park教授在认真测量实验样本

1 梁柱节点System 1

System 1的预制混凝土梁单元置于立柱之间，梁底部纵筋用90度挂钩在现浇核心区进行锚固。

由于预制梁构件伸出的梁底部纵筋需要锚固到柱子的核心区，因此柱的尺寸需要足够大。应用System 1连接形式的相应施工图详见Figure 1.5和1.6。此外，类似System 1的连接形式也同样被日本和罗马尼亚等国家应用着（Figure 1.7）。

▲Figure 1.4 - System 1的节点形式

▲Figure 1.5 - System1施工图（一）

▲Figure 1.6 - System1施工图（二）

▲Figure 1.7 – System 1在日本和罗马尼亚的节点细节

▲Figure 1.8 – System 1在实验中的配筋构造及详细尺寸

▲Figure 1.9 - System 1在将现浇混凝土置于梁柱节点前

▲Figure 1.10 - System 1在实验中完全破损前，侧向荷载-侧向位移响应及损伤图

1 梁柱节点System2

System 2通常是将节点下柱的纵向钢筋通过预制梁单元的竖向导管凸出，在竖向导管中灌浆，并进入上部柱(如Figure 1.12所示)。

图中白色的塑料管就是起着将钢筋顺利插入竖向导管的作用。当柱中的纵向钢筋与上部柱成功衔接上后，塑料管即被拆除。

System 2的优点在于梁柱节点主要的钢筋可以与预制混凝土梁单元相结合，梁的塑性铰区域位于预制构件内，避免预制构件与现浇混凝土之间的垂直冷焊。

此外，如果有必要，还可以加固预制混凝土梁单元，将潜在的塑性铰区域从柱面移开（详见Figure1.15）。

▲Figure 1.11 - System 2节点形式

▲Figure 1.12 - System 2施工图（一）

▲Figure 1.13 - System 2施工图（二）

▲Figure 1.14 - System 2施工图（三）

▲Figure 1.15 - 以地震荷载为主的抗弯矩框架的塑性铰设计

▲Figure 1.16 - System 2在实验中的配筋构造及详细尺寸

▲Figure 1.17 - 现浇混凝土前System 2的梁跨中节点

▲Figure 1.18 - System 2在实验完全破损前，侧向荷载-侧向位移响应及损伤图

1 梁柱节点System 3

System 3的预制单元柱由纵向柱杆连接，柱杆突出到相邻单元的钢套管或管道中并进行灌浆(如图1.20和1.21)。梁在跨中采用就地浇铸连接。

System 3的一个优点在于广泛使用预制混凝土，并避免在建筑工地制造复杂的加固细节。一个可能的限制是预制构件是重的，起重机的能力可能是一个重要的考虑因素。

▲Figure 1.19 - System 3节点形式

▲Figure 1.20 – System 3 施工图

▲Figure 1.21 – System 3中用于柱-柱连接和板-板连接的钢套管接头和波纹金属管道

▲Figure 1.22 – System 3在实验中的配筋构造及详细尺寸

▲Figure 1.23 - 现浇混凝土前System 3的梁跨中节点

▲Figure 1.24 - System 3在实验中完全破损前，侧向荷载-侧向位移响应及损伤图

2 梁板节点

目前，新西兰大多数的建筑楼层楼板都是由横跨梁或墙的预制混凝土单元组成。预制混凝土单元是先张法预应力混凝土或钢筋混凝土(实心板、空心板、肋板、单T或双T)。预制混凝土板单元通常与上部现浇的楼板共同作用。

楼板除了承受重力荷载，还需要将风和地震引起的内力传递给竖向承重构件。预制混凝土板单元上部现浇混凝土是实现这种传力最好的方式。预制混凝土板单元如果没有上部现浇混凝土，则依靠预制单元之间的钢筋连接，这种钢筋连接需要被特别设计和建造。

2.1 连接形式

根据新西兰的指导原则，预制混凝空心板或者实心板与预制梁之间的三种连接形式如图所示。三种类型的不同之处在于支座梁的深度。

▲Figure 2.1 –预制梁板的三种连接节点

2.2 支座

一个安全结构基本要求之一就是预制混凝土楼板单元具有合理的支座。即在地震或者其他作用下引起的移动导致支座长度的减少，楼板不会发生倒塌。

▲Figure 2.2 –由于移动引起的支座处的损坏

在大震期间，可能导致预制混凝土楼板单元移位的一个原因是钢筋混凝土梁作为延性构件，在形成塑性铰的过程中容易伸长，这将导致混凝土板单元之间的距离增加。

梁的伸长是由于塑性铰形成过程中钢筋受拉屈服。由实验可知，塑性铰的伸长极限是2%到4%梁高。如果在梁伸长方向施加约束，可以使梁受压，从而提高梁的抗弯承载力并引起顶板破坏。

在设计跨距方向的支座长度时，必须考虑到制造过程、安装方法和其他结构的精度所产生的公差。此外，还需考虑由混凝土收缩、徐变和温度的长期作用以及地震作用导致的体积变化所产生的公差。

▲Figure 2.3 温差将会引起明显的拱起。如果位移和内力超过了限值，结构将发生上图所示的损坏。

▲Figure 2.4 暴露在阳光下的停车场结构其温差变化引起的双T支座处的脱落

在新西兰，停车楼的高楼层向上倾斜的部分更易受到温度影响。推荐采用可以适当滑动的支座。

2.3 合理的支座形式

预制板的支座是否合理也引起了一部分讨论。在1980年代，新西兰设计规范对预制混凝土板的支座没有具体要求。

现在根据新西兰混凝土设计标准NZS 310l:1995，不论是否有连续钢筋或者现浇混凝土顶板，对于预制混凝土楼板单元及屋顶单元，构件和支座都应该确定好设计尺寸。

在建造公差的最不利组合下，支座边到预制板端部的距离不小于净跨的1/180和50mm；支座边到预制梁或者肋形楼板端部的距离不小于净跨的1/180和75mm，如下图所示。

但是，如果有实验结果或者分析表明所选的支座是合理的，上述的距离要求可不满足。

▲Figure 2.5 支座支撑长度的要求

▲Figure 2.6 实验结果表明楼板上部钢筋无法合理传递支座反力，如图2.6所示。

一种可以减小支座长度的方式是在支座梁与预制混凝土之间采用特殊钢筋。这种特殊钢筋在楼板单元失去支座长度时，依然可以传递重力荷载。

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