第一章 绪论
1.1.课题研究背景及意义
经过我国多年以来城镇化的不断推进，大量劳务人员涌入建筑行业，使得建筑产业蓬勃发展。然而传统的现浇体系建筑资源消耗多、污染环境、耗能过多的问题日益突出，属于一种低效粗放的生产方式[1]。为了贯彻落实可持续发展的战略，近些年来我国出台了多项政策支持装配式建筑的应用与推广。装配式建筑是把传统施工过程中的大量现场作业转移到工厂进行，将需要的构件运输至建设施工场地，再通过吊装、拼接等方式安装而成的建筑。由于构件在预制工厂生产，所以装配式建筑具有料损耗少、工程建设周期短、环保节能等多项优势。发展装配式建筑是推动中国建筑工业化转型、落实节能减排战略的重要举措[2-3]。装配式框架结构体系因其具有设计简单、施工方便，空间利用率高的的优点，目前应用较为广泛，但是结构的整体性尚需加强。
装配式建筑在历次地震中的坍塌结果表明，包括梁柱节点在内的构件连接部位损坏严重，是结构失稳坍塌的罪魁祸首[4]。然而梁柱等预制构件损伤较轻，较为完整的保存了下来。因此，梁柱节点的力学性能对整个框架体系的整体性起着至关重要的作用[5]。合理的框架梁柱节点可以减轻地震作用下节点的损伤破坏，提高节点的抗震性能，保证“强节点、弱构件”的要求。现有的节点连接方式存在构造复杂，不利于施工，经济效益低的问题。所以对装配式结构而言，可靠的梁柱节点是装配式建筑能否大范围推广应的关键所在。一些科研人员为了避免地震作用下梁柱等构件发生严重的塑性损伤，提出可以在一定条件下可以修复损伤部位的节点构造[6]，例如预应力梁柱节点[7-8]、摇摆墙—框架结构[9-10]、可更换连续梁框架结构[11-12]和自复位耗能支撑结构[13-14]，当结构损伤仅在某些特定位置出现时，虽然部分功能会受到一定的影响，但结构整体损伤并不会过度发展，灾后在合理的技术条件和经济条件下修复后，仍可恢复其预期功能。
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1.2 装配式建发展历程
欧洲是最早应用装配式建筑的地区。二战之后，欧洲国家普遍面临战后重建，劳动力短缺的问题。装配式结构体系具有需求劳动力少、自动化程度高、施工速度快的优点，因此广受西方国家欢迎[15]。欧共体早在 80 年代就颁布了第一代《欧洲标准》用来消除各国技术障碍，协调不同的技术标准[16]。
法国于 1891 年率先展开了装配式混凝土建筑的应用，主要采用预制混凝土装配式框架结构体系，以预应力混凝土构件为主，结构构件采用螺栓连接、焊接的方式进行组装，结构构件与装修工程分开，减少预埋件，大大的提高了装配率，降低了 70%的能源消耗[17]。德国主要采用叠合板混凝土剪力墙结构体系,将楼板、梁、柱、剪力墙等预制构件与现浇相结合，房屋设计中注重节能环保，在设计中充分考虑照明、保暖的节能措施，提出零能耗的被动建筑。目前已经形成了标准化、高品质、预制住宅生产的节能系统[18]。下图（1-1）为德国装配式结构 TourTotal 大厦。同时期的瑞典注重装配式建筑预制构件的普及性和通用性，80%以上的新建住宅建筑都采用了通用部件，形成了产品多样化的通用系统。
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第二章 新型装配式节点构造
2.1 节点构造思路
梁柱节点主要指混凝土框架结构体系中框架梁与框架柱相交部分，包括靠近部分的梁端和柱身。对于装配式混凝土框架结构体系，梁柱节点既是框架体系传递内力的重要途径，也是支撑起预制梁柱构件的关键枢纽。静力荷载作用下梁端通过节点区向柱传递剪力，在地震荷载作用下，节点则承担着包括弯矩在内的多种内力的传递，这就要求节点在满足承载力要求的基础上考虑抗震性能。为了提高抗震性能，新型装配式梁柱节点允许构件端部产生轻微变形来消散能量，保证节点具有足够的强度和刚度以及变形的连续性。
在钢筋混凝土框架结构体系中，框架节点是框架结构体系的关键环节，一般遵循“强剪弱弯、强柱弱梁”的抗震设计原则[67]。“强剪弱弯”指的是的抗剪强度大于其抗弯强度，节点的受弯破坏一定要先于剪切破坏发生。为保证结构的安全性和稳定性，结构设计中不允许发生剪切破坏。“强柱弱梁”是要保证框架柱具备足够的强度，就是柱子不先于梁破坏，因为框架梁破坏属于局部性的构件破坏，框架柱破坏结构很可能会发生倒塌，所以要尽力避免在框架柱中出现塑性铰。
本文新型装配式梁柱节点采用暗牛腿和螺栓相结合的连接方式，由预制混凝土暗牛腿柱、预制混凝土梁及预埋连接件三部分构成。具体构造如图 2-1 所示，其中混凝土柱采用竖向承载力较高的暗牛腿构造形式承担剪力，矩形牛腿伸出长度 200mm，柱身预留2 个 30mm 的孔洞用于贯通螺栓杆件。混凝土梁缺口梁端上部预埋螺栓连接件，水平方向通过贯通柱体的螺栓将节点两端梁连接，梁下端预埋钢筋套筒，与牛腿部伸出的钢筋用套筒灌浆连接。预埋连接件端板厚度 20mm，与预制梁内锚固的距离超过 40mm。本节点混凝土强度 C40,纵筋强度等级 HRB400，箍筋强度等级 HPB300。柱内 8 根Φ20 纵筋，箍筋选用Φ8@200；梁内受拉钢筋 4Φ20 纵筋，箍筋同样选用Φ8@200.
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2.2 节点设计依据及构造
2.2.1 套筒连接
本文所提的新型梁柱节点部分区域采用钢筋套筒灌浆连接结构，套筒灌浆指将钢筋插入钢筋金属套筒内，在钢筋和套筒的空隙间灌注高强、早强、可微膨胀的水泥基灌浆料，通过刚度很大的套筒对可微膨胀灌浆料的约束作用，在钢筋表面和套筒内侧间产生正向作用力，钢筋借助该正向力在其粗糙的、带肋的表面产生摩擦力，从而实现受力钢筋之间应力的传递。根据《钢筋套筒灌浆连接应用技术》[68]和《装配式混凝土结构设计规范》[69]套筒连接设计，本文套筒灌浆设计时满足以下构造要求：
（1）梁端内对套筒部位的箍筋加密，加密区不应少于 500mm；
（2）套筒灌浆口与出浆口设计合理,当出浆口流出浆是，能保证套筒内灌浆料填充密实；
（3）预制柱中套筒外混凝土保护层厚度不应少于 20mm，套筒之间的净距不应小于25mm。
预制缺口梁下端预埋钢筋套筒，预制混凝土柱暗牛腿端布置裸露的螺纹钢筋。钢筋套筒钢筋选用 4 根 φ20 钢筋，截面面积等同于现浇节点梁内受弯钢筋。下图 2-3 套筒灌浆为套筒灌浆示意图。
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第三章 有限元模型创建及分析结果.........................21
3.1 Abaqus 有限元简介............................ 21
3.2 建模过程...................... 21
第四章 参数分析.......................................43
4.1 轴压比对节点影响.................................. 43
4.2 螺杆截面面积对节点的影响............................ 44
第五章 结论和展望.................................58
5.1 结论.............................. 58
5.2 展望........................... 59
第四章 参数分析
4.1 轴压比对节点影响
为了探究轴压比对装配式节点力学性能的影响，分别对柱顶施加轴压比为μ=0.1、0.3、0.5、0.7 的恒定均布荷载。图 5-1 给出了不同轴压比荷载作用下装配式节点骨架曲线，对比从图可以看出在柱顶不同轴压比对骨架曲线影响较小。装配式型钢混凝土框架节点的骨架曲线开始斜率相同，达到极限荷载后也一同缓慢下降，变化趋势也很接近。梁端正向位移加载柱顶轴压比μ<0.3 时，装配式节点的梁端承载力随着轴压比的增加而逐渐增大，但当轴压比μ>0.3 时，装配式节点的竖向承载力逐渐缓慢减小；当梁端反向位移加载柱顶轴压比μ<0.5 时，节点试件的梁端承载力随着轴压比的增加而逐渐增大，而轴压比μ>0.5 时的节点试件的竖向承载力逐渐缓慢降低，由此可见柱顶轴压比对装配式节点的承载力影响相对小。
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第五章 结论和展望
5.1 结论
在相关政策的不断推进和引导下，一大批预制装配式混凝土结构拔地而起，建筑产业升级进入了新的时期。其中装配式混凝土框架结构运用大量预制构件，可以提供较大的建筑空间，成为了国内外较为流行结构体系。混凝土框架结构体系中预制混凝土构件之间的连接方式是装配式混凝土结构研究的热门方向之一。梁柱节点的连接可靠性是影响建筑整体性，抗震性的关键之一。节点干式连接方式可以较高的施工效率，具有较大的应用潜力。本文在结合已有资料，提出了一种新型装配式梁柱干式连接节点，引入暗牛腿结构提高竖向承载力。该节点水平方向设置螺栓和灌浆套筒，通过螺栓将其与两侧预埋连接件相连接，地震时可以使节点区螺栓较早进入塑性，耗散地震能量。新型节点震后可进行更换受损的螺栓构件，实现框架节点塑性发展可控、震后可修复的目的。在整个梁柱安装过程无需现浇，可以快速施工的同时节约人力和资源成本。为今后装配式建筑框架结构干式连接提供思路，为建筑结构更便捷化的发展趋势奠定基础。本文研究得出以下结论。
（1）通过使用有限元软件 ABAQUS 对相同尺寸装配式节点和传统现浇节点进行数值模拟计算，并将节点破坏形态、滞回曲线、骨架曲线力学性能等进行比较分析。数值模拟研究表明新型节点由于加入螺栓连接，拥有较高的初始刚度和较为饱满的滞回曲线，这是由于螺栓结构可以产生一定的塑性变形，提供了足够的抗震性能。新型节点较现浇节点正向加载的承载力提高了 20.1%。负向加载时承载力于现浇节点相当。这说明装配式螺栓结构连接强度高，节点牛腿处套筒灌浆连接与现浇节点强度相当。
（2）进一步探究影响新型装配式梁柱节点力学性能的影响因素发现，节点的承载力与螺栓端板结构密切相关，其中包括高强螺栓的截面面积、端板的厚度、高强螺栓的预紧力和螺杆的布置形式等因素。其中提升螺栓的截面面积可以有效增加节点的极限承载力。端板的厚度对节点极限承载力影响不大，只能起到改善局部应力分布、增强节点延性和延缓端板屈服的作用，不宜过大，建议选取厚度为 20mm。螺杆的截面的增加可以大幅提升节点的承载力，对改善延性有帮助。螺杆数量越多，单个分配到的应力越小，螺帽和螺孔附近分布的应力较低。在兼顾材料性能和经济效益情况下，采用 4 排螺栓布置方式。柱顶轴压比对这种新型装配式节点的受力性能影响很小。当轴压比为 0.3 时，节点可以达到最好的力学性能。暗牛腿长度需要满足最小长度，否则构件承载力会下降很多。暗牛腿长度过长则无明显影响。牛腿长度取 200mm。
参考文献（略）