CN103774755A - 一种预应力预制ecc-rc组合梁柱节点构件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预应力预制ECC-RC组合节点构件，包括预应力筋、带牛腿的节点，所述带牛腿的节点由ECC材料、纵筋和箍筋组成，带牛腿节点包括长度约为1~2倍柱截面高度的外伸柱，节点及与之连接的预制RC梁中需预留孔道，通过穿过孔道的后张预应力筋将预制ECC节点与预制RC梁连接，外伸柱端和预制RC柱端预埋工字型钢，预埋深度和外伸长度10cm~15cm，二者柱端纵筋外伸长度10cm~15cm，型钢预埋部分与纵筋焊接，预制RC柱与预制节点通过高强螺栓将各自预埋的工字型钢连接起来，纵筋则采用直螺纹套筒连接起来。本发明为钢筋增强的ECC材料浇筑的预应力预制节点构件，应用于装配式框架结构中，结构的延性及抗震性能显著提高，大幅减少节点箍筋的使用，利于浇筑，方便施工，将预应力作为装配手段可以减少震后结构的残余变形，实现可恢复功能，减少震后修补费用。

Description

一种预应力预制ECC-RC组合梁柱节点构件

技术领域

本发明属于结构工程领域，涉及一种采用钢筋增强的纤维水泥基复合材料（ECC）及预应力筋的预制梁柱节点构件，应用于装配式框架结构中，代替传统的钢筋混凝土梁柱节点。

背景技术

预制装配式混凝土结构具有现浇混凝土结构无法比拟的优点：①施工速度快，提高劳动生产率；②施工方便，减少现场湿作业，改善施工环境和减少扰民现象；③预制构件工厂化生产，产品质量有保证；④预制混凝土结构能有效控制混凝土的变形裂缝。

框架节点是框架中最薄弱、最易受损的部位之一。由于混凝土材料本身存在抗拉强度低、韧性差等缺点，混凝土节点的延性、损伤容限均较低，导致地震荷载作用下，引起结构较大的变形，甚至结构破坏。即使未发生破坏，节点区域的界面劈拉破坏和保护层剥落现象严重，导致震后修复费用巨大。

钢筋混凝土节点及附近区域在地震作用下承受着较大的内力，为实现“强节点弱构件”、“强剪弱弯”的抗震设计概念和要求，通常这些区域具有致密的箍筋，导致节点区混凝土施工困难，易造成节点区混凝土浇筑不密实，影响结构抗震性能。

工程用水泥基复合材料（Engineered Cementitious Composites，简称ECC），是一种具有高延性、高韧性和多缝开裂特征的纤维增强水泥基复合材料。ECC 是根据细观力学和断裂力学基本原理设计的短纤维增强水泥基复合材料，它以水泥、矿物掺合料以及粒径不大于0.15mm 的石英砂作为基体，用纤维做增强材料，在纤维体积掺量不大于2%的情况下，直接拉伸试验得到的极限拉应变通常可超3%，ECC可挤压成型，可自密实，亦可喷射，形式多样的ECC 使其易于满足不同的工程需要，也有利于其在土木工程领域的推广应用。

可恢复功能结构是指地震后不需修复或稍加修复即可恢复其使用功能的结构，实现节点可恢复功能的一种途径是通过合理的设计，利用预应力筋的回弹作用，使得节点具有自复位的能力，减小了残余变形，震后易修复。考虑到ECC材料的高延性、搞韧性和多缝开裂特征，ECC节点的耗能能力较好且损伤小，将ECC和预应力结合起来及预制ECC节点和预应力拼装技术相结合，可以更好的实现可恢复功能结构。

发明内容

本发明提供了一种既可提高建筑结构节点区域延性和耗能性能，还可提高结构节点区域的自恢复能力，减少残余变形，从而提高结构抗震性能，减少震后修复费本发明提出的一种预应力预制ECC-RC组合梁柱节点构件，包括预应力筋和带牛腿的节点，所述带牛腿的节点由ECC材料、纵筋和箍筋组成，所述带牛腿的节点纵向上连接外伸柱；所述的带牛腿的节点横向上连接预制RC梁，所述带牛腿的节点和预制RC梁上均设有预留孔道，通过穿过预留孔道的预应力筋将带牛腿的节点与预制RC梁连接起来；所述外伸柱一端连接预制RC柱，所述外伸柱和预掉RC柱的端部均预埋有工字型钢，工字型钢的预埋深度为10~15cm，所述外伸柱上的工字型钢通过高强螺栓连接预制RC柱上的工字型钢；带牛腿的节点上的纵筋和预掉RC柱上的纵筋通过直螺纹套筒连接。

本发明中，所述带牛腿的节点包括长度为1~2倍柱截面高度的外伸柱，外伸柱端和预制RC柱端的纵筋外伸长度为10~15cm，工字型钢预埋部分与与之连接的外伸柱的纵筋或预制RC柱的纵筋焊接。

本发明考虑到目前ECC的生产成本较高和框架结构各区域的受力特点，只在节点区域及柱端采用ECC，梁和柱均采用普通混凝土预制。

有益效果：本发明和现有的现浇混凝土梁柱节点相比有如下优点：

预应力预制ECC-RC节点作为一种符合工业化生产方式的构件形式，可以提高劳动生产率，减少现场湿作业，改善施工环境，施工速度快，方便，预制构件工厂化的生产还可以保证构件的质量。

考虑到目前 ECC 的生产成本相对较高，整个预制框架结构采用ECC 不太现实，根究框架结构各部分受力的特点，在节点和柱端区域使用ECC材料，其他部分仍采用普通混凝土，使得ECC材料在工程中的应用具有经济上的可行性。

极限承载力和变形能力（预应力与ECC结合的优点）

采用预应力作为装配手段后，对比传统的钢筋混凝土现浇结构，预制装配结构在经历较大的反复非线性变形后，因预应力筋的回弹，具有良好的自复位能力，即最终的残余变形很小。后张预应力预制混凝土梁柱中节点的试验表明，即使在楼层位移角接近3.5%时，残余变形与最大变形的比值也仅在0.1左右，而普通钢筋混凝土节点的比值在0.6左右，远高于前者，说明将预应力作为装配手段可大大增强构件的自复位能力,使得震后结构不需要修复或者稍加修复即可投入使用。

框架节点是保证结构整体性和地震中耗散能量的主要部位，节点的抗震性能决定着结构的抗震性能，试验表明节点区域采用ECC材料后，相同条件下比普通钢筋混凝土节点的延性、承载力和耗能能力均有显著提高，通过对骨架曲线的分析表明ECC-RC组合节点在达到极限荷载之后，承载能力并未迅速下降，而是相对平稳的下降段，ECC-RC组合节点的刚度也相对较大，刚度退化较为平缓，可见ECC高延性、高韧性和多缝开裂的特点可以让ECC-RC组合节点在更大变形下保证一定的承载力，从而提高节点以至于结构的抗震性能。

试验研究表明，R/ECC节点对比严格按照我国规范设计的普通RC框架节点，当R/ECC节点核芯区箍筋为RC节点的一半时，节点的屈服荷载和极限荷载均有一定程度的提高，总的耗能也有所增加，在取消核芯区箍筋后，节点依然表现出稳定的滞回耗能特性，所有试件均为梁端破坏，达到了规范中“强节点”的要求，可见ECC材料可以替代一部分箍筋的作用。

利用ECC材料优异的抗拉性能，在节点处应用 ECC材料后，可以适当减少节点核芯区的箍筋配置，在降低节点区的施工难度和人工成本的同时，保证节点的抗剪承载力和抗震性能较严格按规范配制箍筋的普通混凝土节点有一定程度的提高，有效解决了节点区箍筋过密的施工难题。

本发明将ECC这种材料的运用扩展到了近节点区的柱端塑性铰区，在地震作用下，这些区域受到较大的弯矩，先于其他部位进入塑性，由于ECC材料的高延性、高韧性和多缝开裂的特性，将使得更多的钢筋进入屈服状态，在较大的位移下仍能保证足够的承载力，延缓了主裂缝的出现，提高了这些区域的变形和耗能能力，从而提高结构整体的抗震性能。

本发明中的暗牛腿能够抵抗部分梁端剪力，防止罕遇地震下预应力筋产生塑性变形引起较大预应力损失，而造成梁端剪切破坏，暗牛腿还可以避免在预制梁下设置支撑，方便施工。

节点与柱连接处采用型钢连接，型钢间采用高强螺栓连接，能够保证施工拼装时保证一定的刚度，施工方便，可以提高施工速度，在水平地震作用下，型钢处可以提供一定的受剪承载力，从而提高连接处的承载力。节点与柱的纵筋采用直螺纹套筒连接，可以减少或避免使用焊接，提高施工质量和速度。

ECC材料中70%以上是粉煤灰，主要来源于火力发电厂煤燃烧后的废渣，而浇筑而成的预制构件是对粉煤灰的废物再利用，可以变废为宝，因此ECC是一种绿色材料，在保证构件优越的性能同时达到对资源的重复利用，符合节能环保的思想。

ECC具有多缝开裂的特性，裂缝细而多，即使接近极限荷载，裂缝宽度也可以保持在100微米以下，大大提高了结构的耐久性，在经历低烈度地震后，采用ECC材料的节点核芯区的裂缝宽度很小，几乎为肉眼所不能见，因此在震后无需修补即可继续使用。

ECC优越的受拉延性可保证钢筋与ECC协调变形，预制ECC-RC组合节点及附近区域较普通RC节点不会出现纵向劈裂裂缝和保护层剥落的现象，构件整体性较好，梁柱端部在不配或者减少箍筋用量的情况下，仍能有效保护受压钢筋，防止在地震力的反复作用下由于保护层的剥落而过早压屈，其后导致受压区随即压溃。

附图说明

图1本发明的剖视图；

图2本发明的侧面剖视图；

图3本发明的型钢连接示意图；

图中标号：1为预应力筋，2为带牛腿的节点，3为纵筋，4为箍筋，5为预制RC梁，6为预留孔道，7为预埋工字型钢，8为预制RC柱，9为直螺纹套筒。

具体实施方式

本发明的预应力预制ECC-RC组合节点构件，包括预应力筋1、带牛腿的节点2，所述带牛腿的节点由ECC材料、纵筋3和箍筋4组成，带牛腿节点包括长度约为1~2倍柱截面高度的外伸柱。

节点及与之连接的预制RC梁5中需预留孔道6，通过穿过预留孔道6的后张预应力筋1将预制ECC-RC节点2与预制RC梁5连接，外伸柱端和预制RC柱8端预埋工字型钢7，预埋深度和外伸长度10cm~15cm，二者柱端纵筋外伸长度10cm~15cm，型钢预埋部分与纵筋焊接，预制RC柱8与预制节点2通过高强螺栓将各自预埋的工字型钢连接起来，纵筋则采用直螺纹套筒9连接起来。

本发明预应力预制ECC-RC组合节点构件的制备过程为：

1. 根据设计要求确定预制节点的详细尺寸，绑扎好钢筋，固定好型钢和波纹管的位置，控制好纵筋和型钢的外伸长度及型钢的埋置深度，将型钢预埋部分与相应的纵筋焊接，制作磨具，将配制好的ECC浇入磨具中，小心振捣，终凝后拆除模板，养护28天后形成预制构件。

2. 建筑施工的实际安装过程中，首先将底层预制RC柱安装好，然后吊装预制ECC节点至柱顶预定位置并加以固定，将预制节点和预制柱的预埋型钢用高强螺栓连接起来，之后将二者的纵筋用套筒连接起来，并在连接区侧面放置模板，浇筑ECC，终凝之后拆模，吊装预制梁至节点牛腿预定位置，并放置支撑加以固定，将预应力筋穿过预制节点和预制梁预先布置好的预应力孔道，张拉到位后可靠锚固并灌浆，依次过程重复即可。

Claims (2)

1.一种预应力预制ECC-RC组合梁柱节点构件，包括预应力筋和带牛腿的节点，其特征在于所述带牛腿的节点由ECC材料、纵筋和箍筋组成，所述带牛腿的节点纵向上连接外伸柱；所述的带牛腿的节点横向上连接预制RC梁，所述带牛腿的节点和预制RC梁上均设有预留孔道，通过穿过预留孔道的预应力筋将带牛腿的节点与预制RC梁连接起来；所述外伸柱一端连接预制RC柱，所述外伸柱和预掉RC柱的端部均预埋有工字型钢，工字型钢的预埋深度为10~15cm，所述外伸柱上的工字型钢通过高强螺栓连接预制RC柱上的工字型钢；带牛腿的节点上的纵筋和预掉RC柱上的纵筋通过直螺纹套筒连接。

2.根据权利要求1所述的预应力预制ECC-RC组合梁柱节点构件，其特征在于所述带牛腿的节点包括长度为1~2倍柱截面高度的外伸柱，外伸柱端和预制RC柱端的纵筋外伸长度为10~15cm，工字型钢预埋部分与与之连接的外伸柱的纵筋或预制RC柱的纵筋焊接。

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