装配式混凝土结构节点连接性能的试验研究与优化设计

一、引言

在建筑行业追求高效、环保的当下，装配式混凝土结构凭借施工快、质量可控等优势，应用日益广泛。节点连接作为其关键环节，对结构整体性、稳定性及抗震性能影响重大。但现有连接方式存在一些不足，如部分节点受力复杂、施工难度大。因此，深入开展节点连接性能试验研究并进行优化设计，对推动装配式混凝土结构发展意义非凡。

二、试验研究

2.1 试件设计与制作

依据相关规范与研究目的，设计多种不同连接方式的装配式混凝土结构节点试件，如套筒灌浆连接、浆锚连接等。在试件设计时，考虑节点的受力特点、几何尺寸以及材料性能等因素，确保试件能真实反映实际工程中的节点情况。采用标准化的模具和先进的生产工艺，在工厂预制各构件，严格把控混凝土浇筑质量和钢筋布置位置，保证试件质量的一致性和稳定性。完成预制后，运输至试验场地进行组装，模拟现场施工过程，保证节点连接的准确性。

2.2 试验加载方案

采用低周反复加载制度模拟地震作用。利用MTS 液压伺服加载系统，在试件梁端施加水平往复荷载，柱顶施加恒定竖向轴压力，以模拟实际结构中节点所承受的复杂应力状态。加载过程遵循位移控制原则，从初始较小位移开始，逐步增加位移幅值，每级位移下循环加载 2-3 次，直至试件破坏。通过这种加载方式，能够全面获取节点在不同变形阶段的力学响应，包括滞回曲线、骨架曲线等关键数据，为深入分析节点性能提供依据。

2.3 测量内容与方法

在试件关键部位布置力传感器、位移传感器和电阻应变片等测量仪器。力传感器用于测量加载过程中的荷载大小，位移传感器监测梁端、柱顶等部位的位移变化，电阻应变片则测量钢筋和混凝土的应变分布。利用数据采集系统实时记录这些数据，确保数据的准确性和完整性。同时，在试验过程中，通过肉眼观察和拍照记录试件的裂缝开展情况、破坏形态等现象，为后续分析提供直观依据。

三、试验结果与分析

3.1 破坏模式

试验观察发现套筒灌浆连接节点破坏具有明显阶段性，加载初期试件处于弹性工作阶段，当荷载达到极限值的 30% 时，节点区出现细微竖向裂缝；加载至 60% 极限荷载时，灌浆料与钢筋界面开始出现局部脱黏，伴随轻微“ 沙沙” 声响；最终破坏阶段，钢筋屈服后套筒端部混凝土被压碎，形成45 度方向主裂缝，部分试件出现灌浆料沿钢筋长度方向的撕裂现象，脱黏长度可达 150mm ，此时节点承载能力骤降 30% 以上。浆锚连接节点则表现为典型剪切破坏特征，初始裂缝出现在锚孔边缘，随着加载循环次数增加，裂缝沿对角线方向贯穿整个节点区，当位移幅值达到1/50 梁高时，锚筋发生弯折，浆体与孔壁剥离面积超过 60% ，最终因核心区混凝土被剪碎而丧失承载力，破坏前无明显预兆，延性系数较套筒连接低 25‰

3.2 滞回性能

套筒灌浆连接节点的滞回曲线呈现典型的梭形特征，在位移幅值 ± 20 mm 范围内，滞回环饱满度保持在 0.85 以上，捏缩系数仅为 0.15，表明其耗能能力优异；当位移达到± 50mm 时，由于灌浆料与钢筋出现滑移，滞回环出现轻微捏缩，但等效黏滞阻尼系数仍维持在 0.3 以上，优于现浇节点的 0.25。浆锚连接节点的滞回曲线则呈弓形，在相同位移幅值下，滞回环面积比套筒连接小 30% ，当循环次数超过10 圈后，由于浆体碎裂导致刚度退化速率加快，第20 圈时割线刚度仅为初始刚度的 40% ，而套筒连接节点仍保持 65% ，且浆锚节点在反向加载时出现明显的刚度不对称现象，正负向承载力差异可达 15‰

3.3 承载力与变形能力

套筒灌浆连接节点的屈服承载力平均值达 850kN ，极限承载力突破 1000kN ，较设计值高出 12% ，屈服位移与极限位移分别为± 35mm 和 ∣± 120m ρ_m ，位移延性系数稳定在 3.4 左右，在经历 30 次往复循环后承载力衰减率仅为 8‰ 。浆锚连接节点的极限承载力受施工质量影响显著，合格试件平均达 780kN，而存在注浆缺陷的试件仅为 620kN，差异达 20% ；其极限位移平均值为 ±95mm ，延性系数 2.8，当浆体强度降低一个等级时，极限变形能力下降 15% ，且在钢筋布置间距小于 50mm 时，会因应力集中导致屈服位移提前出现，较设计值偏差达 15mm 。

四、优化设计建议

4.1 连接方式优化

根据试验结果，针对不同工程需求合理选择连接方式需建立动态适配机制。对于抗震设防烈度 8 度及以上的高烈度区建筑，鉴于套筒灌浆连接在低周反复加载试验中展现出的饱满滞回曲线和优异耗能能力，应将其作为首选连接方案，可进一步采用变截面套筒设计，在套筒中部设置环形凹槽增强机械咬合力，同时研发改性环氧树脂灌浆料，通过掺入纳米碳酸钙颗粒提升其早期强度与钢筋握裹力，经试验验证可使黏结强度提升 20% 以上。对于乡村低层建筑等造价敏感型项目，在确保节点极限承载力满足 1.2 倍设计值的前提下，可采用改进型浆锚连接，通过在锚孔内壁设置螺旋肋条并优化注浆工艺，将浆体密实度提升至 95% 以上，配合增设外包钢套管的构造措施，使节点延性系数提高至3.5，满足基本抗震要求，较传统套筒连接成本降低约 15‰ 。

4.2 构造措施改进

在节点构造优化中需建立多维度增强体系，基于试验中节点核心区剪切破坏的特征，将节点区箍筋间距由 100mm 加密至 80mm ，采用 HRB500级螺旋箍筋替代普通箍筋，通过三维约束作用使核心区混凝土抗压强度提高 15%-20% ，同时将梁端纵向钢筋锚固长度由传统的 15d 延长至 20d，并在锚固段设置90 度弯钩与柱内预埋钢板焊接，经应变监测显示可使钢筋应力传递效率提升 30‰ 。针对预制构件拼接缝易产生应力集中的问题，在梁-柱节点角部设置 L 型角钢加劲肋，采用摩擦型高强螺栓连接，通过有限元模拟验证可使节点刚度提高 25% ，在低周反复荷载作用下裂缝出现时间延迟 40% 以上，显著提升节点整体性。4.3 材料性能提升

材料优化需构建性能协同增强体系，试验数据表明采用 C80 高性能混凝土可使节点极限承载力提升 30% ，配合 HRB600 级超细晶粒钢筋，其屈服强度达 600MPa 且延伸率保持在 18% 以上，能有效避免节点发生脆性破坏。在灌浆材料创新方面，研发出石墨烯改性水泥基灌浆料，通过掺入 0.03% 石墨烯纳米片改善浆体微观结构，使流动性保持在 300mm 以上的同时28d 抗压强度达 85MPa，黏结强度突破 12MPa ，且通过掺入钙矾石型膨胀剂实现 0.02%0.05% 的微膨胀，经CT 扫描显示浆体与钢筋界面过渡区厚度减少至 20μm 以下，在 300 次冻融循环后仍保持 90% 以上的力学性能，大幅提升节点长期可靠性。

五、结论

通过对装配式混凝土结构节点连接性能的试验研究与优化设计分析，得到以下结论：不同连接方式的节点在破坏模式、滞回性能、承载力与变形能力等方面存在差异。套筒灌浆连接节点在性能上具有一定优势，但需进一步优化构造和材料；浆锚连接节点虽成本可能较低，但需解决质量控制和性能提升问题。基于试验结果提出的优化设计建议，包括连接方式优化、构造措施改进和材料性能提升等，可为装配式混凝土结构节点的设计与施工提供参考，有助于提高装配式混凝土结构的整体性能，推动其在建筑工程中的广泛应用。

参考文献

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