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朱禮敏：裝配式鋼節(jié)點混合框架結構體系的研究與應用

導語

裝配式鋼節(jié)點混合框架結構體系（CABR-HF體系），是由“PC梁柱+鋼連接節(jié)點”組成，通過在PC梁、PC柱的端部預埋鋼連接件，現(xiàn)場連接鋼連接件來實現(xiàn)梁-柱連接和柱-柱連接。該體系將PC構件與鋼結構連接方式有機結合、混合應用，綜合了傳統(tǒng)PC結構和鋼結構的優(yōu)勢，揚長避短，施工更高效、效益更顯著。

中建研科技股份有限公司副總工程師朱禮敏分享了《裝配式鋼節(jié)點混合框架結構體系(CABR-HF體系)的研究與應用》，主要包含以下三個方面：結構體系介紹和優(yōu)勢、主要研究工作（包括理論分析及有限元模擬、試驗研究）、研究成果和工程應用。

結構體系介紹和優(yōu)勢

CABR-HF體系的框架梁采用“預制混凝土梁身+梁端鋼連接件”組成的全預制或疊合混合梁，梁端鋼連接件與預制混凝土梁身一般采用埋入式連接，梁縱筋與鋼連接件進行搭接焊；框架柱采用“預制混凝土柱身+柱鋼連接件”組成的預制混合柱，預制混合柱可單層預制也可跨層預制，柱鋼連接件分為柱底、柱頂鋼連接件，其與預制混凝土柱身采用埋入式或端板式連接，相應的柱縱筋與鋼連接件采用搭接焊或穿孔塞焊連接。

該體系通過連接混合梁的梁端鋼連接件與混合柱的柱頂鋼連接件進行梁-柱連接，一般采用“腹板栓接+翼緣焊接”的方式；通過柱底和柱頂鋼連接件的高強螺栓法蘭連接或法蘭灌漿連接完成上、下層柱-柱連接。節(jié)點連接施工完成后，可對外露的節(jié)點區(qū)域采用輕質無機材料填充，以滿足防火防腐要求。

CABR-HF體系與傳統(tǒng)框架結構體系相比，具有3大顯著優(yōu)勢：（1）通過鋼連接件實現(xiàn)了節(jié)點干式連接，并且利用鋼連接節(jié)點構造形式可實現(xiàn)梁、柱構件的施工免支撐，施工速度快；（2）鋼連接節(jié)點抗震性能好，節(jié)點延性和耗能能力均優(yōu)于后澆混凝土節(jié)點；（3）建造成本低，經(jīng)濟效益顯著。

主要研究工作

針對CABR-HF體系的節(jié)點連接構造形式，開展了相應的有限元模擬和試驗研究。

首先按照“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構件、強連接弱構件”的原則設計了3個柱-柱連接節(jié)點和2個梁-柱連接節(jié)點，采用有限元模擬手段驗證節(jié)點破壞形態(tài)是否符合設計預期，并對節(jié)點構造進行可行性和優(yōu)化分析。兩類節(jié)點的有限元模擬方式和結果分別為：（1）對于柱-柱節(jié)點模型，ZZ1用來模擬上層柱底連接，柱底鋼連接件采用矩形鋼管且與柱身采用埋入式連接，下層柱柱頂鋼連接件采用工字形鋼，上下層柱采用高強螺栓法蘭連接；ZZ1a是ZZ1的對比模型，將連接處上下法蘭板綁定并取消螺栓，為假想模型；ZZ2用來模擬下層柱頂連接，柱頂鋼連接件采用工字形鋼且與柱身采用端板式連接。計算時首先對柱施加恒定軸壓力，然后采用柱頂加載方式進行水平往復加載。模擬結果表明，ZZ1與其對比模型ZZ1a的破壞部位及破壞形態(tài)一致，均為柱身底部混凝土受壓損傷大、外側縱筋屈服、鋼連接件和高強螺栓仍保持彈性，ZZ2的破壞也發(fā)生于鋼連接件范圍外的混凝土柱身，與設計預期相符。并且ZZ1的承載力約為ZZ1a的95%，證明高強螺栓法蘭連接傳力可靠。（2）對于梁-柱節(jié)點模型，LZ1采用內隔板式連接，LZ2采用貫通隔板式連接，上層柱柱底鋼連接件均采用矩形鋼管且與柱身采用埋入式連接，下層柱柱頂鋼連接件與柱身分別采用端板式連接和埋入式連接兩種方式。計算時首先對柱施加恒定軸壓力，然后采用梁端加載方式進行豎向往復加載。模擬結果表明，各模型破壞時梁端鋼連接件外露區(qū)域全截面屈服，梁內縱筋屈服，但柱鋼連接件和柱縱筋均未屈服，與預期破壞部位一致。

在有限元模擬的基礎上，分別對柱-柱連接節(jié)點和梁-柱連接節(jié)點開展了擬靜力試驗研究，試驗現(xiàn)象和破壞形態(tài)分別為：（1）對于柱-柱連接節(jié)點，混凝土柱身底部首先產(chǎn)生水平裂縫，然后水平裂縫逐漸斜向下發(fā)展，進而角部混凝土出現(xiàn)豎向裂縫并壓潰剝落，最終混凝土柱身底部發(fā)生壓彎破壞，形成塑性鉸，鋼連接件基本保持彈性；高強螺栓法蘭連接節(jié)點中法蘭板無明顯變形，法蘭灌漿連接的灌漿層張開，但張開量不及混凝土柱身主裂縫寬度的20%；試件承載力試驗值比計算值高40%左右，說明規(guī)范公式適用且偏于安全；試件開裂位移角為1/300，遠大于小震下彈性位移角限值1/550；極限位移角為1/45~1/40，滿足大震下彈塑性位移角限值1/50的要求；延性系數(shù)5.0左右，變形能力及延性良好。（2）對于梁-柱連接節(jié)點，首先是梁端鋼連接件上下翼緣屈服，進而鋼連接件全截面屈服，梁縱筋受拉屈服，最終梁端鋼連接件翼緣受壓屈曲，發(fā)生受彎破壞。此時內隔板式連接的梁端焊縫也出現(xiàn)了開裂，導致加載后期荷載下降；試件承載力試驗值約為計算值的1.1~1.25倍，說明規(guī)范公式適用且偏于安全；開裂位移角為1/466~1/240，大于1/550；極限位移角為1/36~1/25，明顯大于1/50，變形能力良好；破壞前塑性變形主要集中于梁端鋼連接件外露區(qū)域，梁端塑性鉸顯著，符合設計預期。

綜合上述數(shù)值模擬和擬靜力試驗結果，得到以下結論：（1）柱鋼連接件與柱身采用埋入式連接能夠有效傳力，所采用的的埋入長度和鋼筋搭接焊構造可以保證柱鋼連接件與柱身端部的內力傳遞；端板式連接也可以有效傳力；上下層柱之間采用的高強螺栓法蘭連接、法蘭灌漿連接均安全可行；連接節(jié)點不影響混凝土柱截面承載力的發(fā)揮，規(guī)范公式適用且偏于安全。（2）梁端鋼連接件與混凝土梁身采用埋入式連接安全可行，所采用的的埋入長度和鋼筋搭接焊構造可以保證梁端鋼連接件與梁身端部的內力傳遞；梁柱節(jié)點域采用內隔板式、貫通隔板式構造均能可靠傳力，貫通隔板式構造更能充分發(fā)揮梁端鋼連接件的塑性承載能力和變形能力。

研究成果和工程應用

CABR-HF體系已取得發(fā)明和實用新型授權專利兩項，編制完成了中國工程建設標準化協(xié)會標準《裝配式鋼節(jié)點混合框架結構技術規(guī)程》T/CECS 1354-2023和相應的節(jié)點構造圖集，并在山東盛工裝配式建筑產(chǎn)業(yè)基地、山東淄博周村區(qū)新材料產(chǎn)業(yè)園以及江蘇省揚州市職業(yè)大學高郵湖校區(qū)電子工程學院樓等多個項目中進行了成功應用，總建筑面積達11.1萬平米，工程應用效果良好，為該體系下一步的擴大應用奠定了堅實基礎。

結束語

與傳統(tǒng)PC框架結構相比，CABR-HF體系采用節(jié)點干式連接，避免了現(xiàn)場濕作業(yè)，且實現(xiàn)了預制梁、柱的免支撐施工，可有效縮短施工周期，大幅降低施工措施費；與鋼框架結構相比，CABR-HF體系構件自身成本低，無需大面積防火防腐維護，結構耐久性更好。

當前我國正在加快推進新型建筑工業(yè)化，同時致力于實現(xiàn)“雙碳”目標，CABR-HF體系符合高效益、高質量、低消耗、低排放的發(fā)展要求，具有良好的市場應用前景。

作者簡介

朱禮敏，博士，研究員，國家一級注冊結構工程師。現(xiàn)任中建研科技股份有限公司副總工程師，國家科技專家?guī)煸趲鞂＜遥伪本┦醒b配式建筑專家委員、中國混凝土與水泥制品協(xié)會預制混凝土構件分會副理事長、中國鋼結構協(xié)會智能建造與新型建筑工業(yè)化專業(yè)委員會專家委員等職務。主要從事裝配式新型結構體系研發(fā)、裝配式建筑咨詢與設計、裝配式綠色圍護系統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)、智能建造評價標準等領域的工作，具有深厚扎實的專業(yè)理論知識和豐富的工程實踐經(jīng)驗。主編和參編行業(yè)、地方和團體標準20余項，出版專著2部，發(fā)表論文40余篇，獲得發(fā)明、實用新型專利10余項，取得省部級科技獎勵4項，入選“第二屆建筑結構行業(yè)杰出青年”。

（責任編輯：何雯麗）