装配式预应力框架结构抗震性能研究综述

喻逸凡， 刘逸飞， 徐道阳

（扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127）

0 引言

预制装配式结构是一种新型建筑结构体系，与传统的现浇建筑结构相比，预制装配式结构施工速度快、生产效率高、现场湿作业少、生产环境稳定、构件标准化程度高，并且预应力的使用保证了结构的整体性和控制了混凝土的变形裂缝。框架的连接节点既是预制装配式结构体系的重点，也是装配式结构的薄弱环节。装配式结构的梁柱节点连接部位具有良好的抗震性能，并且在地震荷载下不先于构件的其它部位破坏，对于预制混凝土框架结构的工业产业化和节约资源具有巨大的经济性和实用性。

通过国内外学者多年的研究，在预制装配技术方面已经取得一些成果。目前是我国建筑工业化处于生产方式转型和推广应用的重要阶段，结合国情和国民经济的发展水平，国内的建筑工业化的发展道路上仍然存在着生产技术滞后、装配式混凝土结构体系研究不成熟等问题，尤其是在结构认知、机理分析和设计应用等方面，仍存在着明显的理论缺乏。如何设计施工高效、安全性高、抗震性能及抗剪性能好的预制装配式结构是目前研究的热点。

1 国内研究现状及分析

2004年，赵斌等[1]提出了一种全装配式梁柱节点方案，并在低周往复载荷下进行了模型试验，以研究和分析该种节点的各项抗震性能指标参数。节点在预制混凝土柱内预埋螺杆，同时把用于连接梁端板的钢板预埋在混凝土柱内，最后通过梁端的工字接头与预制柱的预埋钢板进行连接，拼装成梁柱节点整体。通过后续研究发现，在预制梁端的工字接头与柱内预埋钢板的接触面附加橡胶垫片可以减小梁柱节点残余变形，但是仍缺乏耗能能力，有必要采取相应措施来改进节点耗能不足的缺陷。

2005年，柳炳康等[2]制作了两榀包含暗牛腿的预压装配式混凝土框架梁柱组合体方案，并开展了低周往复荷载试验。研究发现结构的整体耗能能力较好，梁端截面的剪力主要受到暗牛腿的抵抗，并且梁端具有良好的转动能力，预应力筋在试验过程中保持弹性状态可以使节点具备较强的变形恢复能力，方便地震后进行快速修复。

2006年，董挺峰等[3]提出以四束预应力筋作为预制梁柱节点的主要连接方式，如图1所示，并且制作出5个无粘结预应力装配式混凝土梁柱节点，开展了低周往复荷载试验研究。试验结果表明，与现浇节点相比，此类节点地震作用下的抗震性能较好，并且其延性和自恢复能力表现更强。

图1 董挺峰试验节点（单位：mm）

2010年，韩建强等[4]通过对现浇钢筋混凝土框架结构、附加角钢和附加阻尼器的预应力装配式框架结构梁柱节点进行低周反复荷载作用下的试验，如图2、图3所示，研究了节点的裂缝分布、破坏形态、滞回曲线及位移延性等抗震性能，结果表明附加角钢和附加阻尼器的装配式框架结构具有良好的抗震性能，具有广阔的应用前景。

图2 角钢装配试件

图3 附加阻尼器装配试件

2018年，王书磊等[5]结合预制结构和组合结构的优点，提出了一种新型的装配式钢筋混凝土柱与钢梁节点连接方式。同时，通过对预埋钢筋和T形件的合理设计，节点域的失效模式为T形件的塑性铰线失效机制，对梁、柱等主要受力部位进行保护，使损伤部位能够快速修复和替换。采用试验和有限元分析相结合的形式，研究了装配式梁柱节点在静力和低周往复荷载作用下的力学性能和工作机理，分析了不同试验参数对节点力学性能的影响，确定了节点在静力和往复荷载作用下的承载能力，揭示了不同荷载作用下节点的损伤规律。

2019年，王苏等[6]提出了一种新型的钢筋混凝土框架梁柱节点，节点采用钢板焊接，通过预埋型钢将预制梁和柱连接在一起。如图4所示，通过试验研究和数值模拟，研究了节点的滞回曲线、骨架曲线、承载力、刚度、延性和能耗。对于不同变量作用下，梁柱节点抗震性能会产生的影响进行了分析。根据试验结果和数值模拟结果，提出了新型装配式梁柱节点的设计方法和施工要求。

图4 预制节点详图（单位：mm）

2020年，陈燕友等[7]根据预应力预制装配式混凝土结构的力学性能，确定了混凝土结构节点的连接方式。为了提高预制预应力混凝土框架结构的力学性能，对预制预应力混凝土结构的混凝土形式及节点的相关参数进行了科学设计。

2020年，王磊等[8]针对目前装配式节点的种类繁多，具体构造差别很大，在以往进行的节点抗震研究中，主要研究的是后浇整体节点和焊接节点等等效现浇节点，对螺栓连接类型的装配式节点研究较少的这一现状，提出了一种新型装配式节点，进行加载低周反复荷载数值模拟分析，初步计算了该新型节点的抗震性能。

综上所述，国内主要集中于对于节点连接形式的研究，国内学者提出了许多不同连接方式的预制梁柱节点并且通过试验研究和数值模拟的手段分析其抗震性能，相较于现浇节点，新型装配式梁柱节点具有更好的抗震性能，但是对于结构体系的整体受力机理研究还不充分。

2 国外研究现状及分析

1993年，ErsoyU等[9]制作了预制混凝土干式连接节点，通过焊接梁上钢板对结构进行拼接，如图5所示，研究分析连接节点的低周往复荷载试验。发现与现浇节点相比，干式连接节点的强度、刚度、延性以及耗能能力等抗震性能表现良好，而连接部位侧板的布置对节点承载能力和结构变形的影响较大。

图5 Ersoy U焊接连接节点

1994年，Priestley和MacRae[10]提出了一种无粘结后张预应力预制混凝土框架节点形式，此类型节点在梁截面的中轴线上下两侧布置通长预应力筋，相较于现浇混凝土节点，因为梁端的水平剪力难以通过无粘结预应力筋传递至节点核心区，因此大部分的水平剪力的传递主要是通过柱混凝土的斜压杆作用，传力机理可以大大降低梁内纵筋和节点核心区箍筋的配筋率。在受到地震作用时，虽然采用该种连接方式的梁柱节点的变形恢复性能较好，但具有耗能能力较差、梁端角部局部破坏较为严重以及节点核心区的抗剪性能难以保证等缺陷。

1995 年，Nakaki[11]和 Englekirk[12]建议了一种核心区内置延性连杆的螺栓-高延性连杆节点方案，如图6所示，先将高延性的合金连杆预埋在混凝土柱内，然后通过杆端的杯状端头将高强螺栓和梁端的预埋连接块体进行连接。研究发现节点的弹塑性变形主要集中于梁柱接触部位，而其他部位只有轻微损坏。相较于现浇节点，螺栓-高延性连杆节点的变形能力强、破坏较小，节点的破坏形态不显著。

图6 螺栓-高延性连杆节点

2002 年，Hiroto Kato与 Hiroyuki Ueda等[13,14]设计了一种利用后张无粘结预应力和有粘结预应力连接技术的装配式梁柱中节点、边节点。研究发现核心区剪切破坏为该种类型节点的主要破坏形式。通过张拉预应力产生的预紧力作用增大了梁柱结合面的摩擦力，并且对核心区混凝土的约束可以提高节点的受剪能力。通过缩小预应力筋上下间距、降低预应力筋施加的有效预应力，保持预应力筋处于弹性状态，从而可以保障节点的变形恢复能力。

2005年，Kormaz[15]设计了一种新型预制混凝土梁柱节点方案，其连接方式为柱侧外伸出一定长度的悬臂梁，先将预制梁顶、底的钢筋分别与悬臂钢筋焊接牢固，随后在连接部位浇筑混凝土。试验研究发现，与现浇混凝土相比，新型预制混凝土梁柱节点的承载力和刚度都有较大的增强。

2006年，Erats[16]制作了5个采用螺栓连接和焊接的预制混凝土框架节点，并在低周往复荷载作用下开展试验研究。研究发现预制混凝土框架节点具有良好的抗震性能，与焊接形式的节点相比，采用螺栓连接的预制节点在承载力、延性及耗能能力等抗震性能方面要优于前者。

2007年，Morgen等[17]设计了一种梁端配置摩擦阻尼器进行地震耗能的新型预制节点构造方案，如图7所示，并在低周往复荷载作用下进行新型节点抗震性能的试验研究。研究发现相较于现浇节点，新型节点连接形式耗能能力强、自恢复能力良好，而且摩擦阻尼器在地震后方便更换和修复梁端的特性更符合框架结构对于适用性和安全性的要求。

图7 Morgen试验节点

2010年，Amorn Pimanmas等[18]采用扩大钢筋混凝土梁柱节点面积的预制梁柱节点结构方案。研究发现扩大钢筋混凝土梁柱节点面积不仅能使核心区的抗剪强度得到提高，还可以提高节点的刚度。试验研究提出的拉压杆模型可以用来分析预制梁柱节点核心区的水平剪应力和破坏模式。

2013年，Vidjeapriya等[19]设计了一种由牛腿和肋形角钢组成的装配式混凝土梁柱节点，如图8所示，构造通过角钢和螺栓将预制混凝土梁柱连接成整体，在低周反复荷载作用下，对节点进行缩尺试验。研究发现虽然现浇节点的承载力优于预制节点的承载力，但是装配式节点在强度和延性等抗震性能要优于现浇节点。

图8 Vidjeapriya试验节点（单位：mm）

2016年，H.T.Jiang等[20]提出了一种新型预制预应力混凝土梁与高强钢筋约束混凝土柱端板螺栓的连接方式。在低周反复水平荷载作用下，对6个预制预应力中间节点试件和1个现浇节点试件进行了对比试验，得到了试件的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、延性系数、确定了新型装配式梁柱连接节点的刚度退化和耗能能力等抗震指标，并对其抗震性能进行了分析。试验结果表明，所有预应力装配式混凝土梁与高强钢筋约束混凝土柱端板螺栓连接节点试件均达到了强柱弱梁的设计目标。试件滞回曲线良好，表明具有良好的延性、耗能能力和抗震性能。

2017年，JD Nzabonimpa等[21]建议了一种混凝土构件全约束抗弯连接的装配式梁柱节点。通过扩展钢板和螺栓将预制构件组装成新型节点，两者传递拉力、压力，并且为节点提供完全约束的抗弯连接。试验研究验证了混凝土构件在完全约束抗弯连接条件下的结构行为，确定了影响全约束抗弯连接装配式混凝土结构性能的参数。

2018年，X.Y.Yan等[22]对预应力混凝土预制框架结构的节点进行了研究。对键槽区两种不同混凝土强度的预制预应力混凝土梁柱节点进行了循环反复加载试验。试验也进行了一个现浇钢筋混凝土节点进行比较。观察了节点裂缝发展、屈服和极限破坏等现象，确定了预应力混凝土预制节点的抗震性能。结果表明预制预应力混凝土节点与现浇节点具有相似的破坏模式；滞回曲线饱满，表明节理具有良好的耗能性能。预应力筋的存在限制了预制梁裂缝的发展。预制预应力混凝土节点具有与等效整体系统相当的抗震性能。

2018年，S.F.Li等[23]提出并介绍了一种新型的端板装配式梁柱节点。为了研究这种新型预制连接的抗震性能，对7个试件进行了拟静力试验。试验过程中记录了试件的滞回曲线，并确定了延性、耗能能力等地震指标。试验结果表明，预制连接的滞回曲线丰满，且均为梁塑性铰的可塑弯曲破坏，与强柱弱梁准则完全一致。此外，对无粘结预应力约束混凝土梁的受弯承载力进行了分析，并基于集中塑性区理论提出了受弯承载力计算公式。试验数据与理论计算的结果较符合，可为理论研究提供参考。

2019年，Z.W.Lu等[24]提出了一种采用双灌浆套管连接的预制梁柱节点，研究了节点在静力和循环荷载作用下的抗震性能。共测试了6个不同装配长度、过渡棒直径和灌浆套筒类型的预制试件和1个现浇控制试件。结果表明双灌浆套接头接头性能良好。预制试件的初始刚度大于控制试件，且预制试件的承载力与控制试件的承载力趋于相同。随着过渡钢筋直径从16 mm增加到18 mm，预制试件相较于控制试件在耗能方面提高了64.8%，但由于其变形能力相对较低，比控制试件的耗能能力降低了约41%。灌浆套筒内螺纹对接头变形和耗能能力有负面影响。采用现浇节点的方法，可以较好地预测双灌浆套管连接预制节点的抗弯承载力。

综上所述，国外学者采取不同连接形式的新型预制节点，在不同荷载作用下通过，试验研究将预制梁柱节点与现浇梁柱节点进行对比分析其抗震性能，发现新型预制梁柱节点试件滞回曲线良好，具有良好的强度、延性、耗能能力、承载能力和抗震性能。

3 问题分析

通过参考国内外的文献，国内外学者提出了多种装配式结构体系以及不同连接方式的预制梁柱节点。尽管已经有很多关于装配式框架结构的研究，现阶段仍然存在着很多问题，总结如下：

（1） 现阶段，国内现行的装配式结构规范、技术标准很难统一，国内尚未形成成熟的加工生产体系，不能保障预制节点构件的质量。

（2） 国内对装配式预制框架结构体系的研究大部分是采用在低周往复荷载作用下的抗震分析，缺少大型结构振动台的试验研究内容，对于抗震性能要求较高的建筑，目前装配式结构技术难以满足抗震性能的要求。

（3） 预制装配式节点可以选用多种连接方式，但多种部件组合出来的抗震效果不是非常理想，如预应力的布置形式会影响节点的耗能和自恢复能力等，因此设计出合理的节点构造形式至关重要。

（4） 预制装配式节点连接形式的设计选用需要考虑到多重因素的影响，包括节点构件的施工制作难度、抗震性能、承载能力以及结构的经济性、安全性和适用性，多重因素的影响下，预制装配式节点的工作效果达不到预期的效果。

4 研究发展趋势

预制装配式钢筋混凝土梁柱节点的构造受到多个因素的影响。受力机理方面，为了实现“强剪弱弯”的设计理念，需要在传力途径合理可靠的基础上，确保梁柱节点区域连接部位的强度、刚度具备一定的安全冗余度，在符合地震作用下对结构强度和变形能力要求的前提下，满足结构在极限状态下正常使用的要求。结构加固改造方面，目前混凝土结构的现场组装伴随着一定程度的浇筑作业，并且一旦施工完成后，梁柱构件不易拆换，为日后可能需要进行的结构改造和抗震修复工作带来困难，“干式连接”和“预应力连接”为预制装配式结构的研究推广提供了新的思路。

5 结语

装配式结构形式具备模板化、效率高、低污染等特点，与我国目前对于建筑行业的未来发展规划趋势相贴切。节点的连接形式对预制装配式结构的研究与推广尤为关键，相较于现浇钢筋混凝土节点，新型装配式梁柱节点具有延性、耗能能力等抗震性能良好的特点。但是目前预制装配式结构的节点连接技术尚未达到成熟，制约此类结构的实际应用和推广，因此应用于实际工程中的案例并不常见。