6.2.1 梁柱连接节点
全装配式混凝土框架结构中的梁柱连接节点是影响整体抗震性能的核心受力部位。由于装配式混凝土框架结构的性能主要依托于梁柱节点的连接强度，故梁柱节点的连接始终制约着装配式混凝土结构能否广泛应用。因此，分析全装配式混凝土梁柱节点连接性能并进行深入的理论和试验研究，显得尤为重要。本节针对梁柱节点的干式连接形式进行分析，梁柱节点的干式连接主要有预应力连接、高强螺栓连接、牛腿连接、焊接连接、可更换耗能连接件连接等连接方式。
1）预应力连接
预制梁柱构件在预制时，需要对安装孔道位置进行定位预留。在施工现场采用预应力钢绞线或预应力筋的形式进行后张连接。在外荷载作用下，这种连接形式具有良好的承载能力和自我恢复能力，同时预应力的存在能够提高框架节点的强度、刚度和延性。因此，在装配式混凝土结构中采用预应力技术，可以加强节点的连接，改善全装配式混凝土结构结合部位的性能。
早在20世纪，美国、日本等国就开始研究利用后张预应力连接装配式混凝土梁柱节点，并设想了一系列预应力梁柱节点连接形式。通过对节点进行的理论和试验研究，证明了采用预应力的方式连接梁柱节点的可行性。
（1）压着工法
20世纪90年代初，日本开始研发及应用预制预应力混凝土工法，也称压着工法，其施工技术如图6.5所示。该工法利用高强度的后张预应力筋将预制梁、柱构件连接在一起，通过灌浆等手段，使得预应力筋与混凝土之间有粘结。该梁柱连接节点中，预应力筋不但作为装配手段，还能承担荷载，同时由于预应力筋的预压力，不仅能够提高梁柱节点的连接强度，还能够提高框架的刚度和延性，是一种等同现浇连接中的延性连接。对该节点进行现场试验，在荷载作用下，梁柱节点塑性铰发生在梁柱连接处，管道内预应力筋发生锚固失效，引起了塑性铰向节点内和梁跨中方向延伸，由于梁内普通钢筋的约束，塑性铰的延伸长度比现浇结构小。采用压着工法的梁柱节点相比较普通钢筋混凝土节点耗能低，但残余变形小，外露的锚头对建筑外观处理有一定难度[图6.5（d）]。
20世纪90年代末，日本开始转型研究预制中等预应力混凝土节点工法，该工法采用后张有粘结预应力技术，其节点构造形式如图6.6所示。预制梁在工厂生产时配置后张有粘结预应力筋（一次张拉），现场安装时后张有粘结预应力筋（二次张拉），通过预压力连接梁柱节点，节点连接详图如图6.6（b）所示。预制中等预应力混凝土节点工法在节点连接处柱侧设有暗牛腿，既可作为施工阶段梁的支座，还有利于梁端剪力的传递，避免地震作用下梁端微小的累计滑移。该工法通过二次张拉有粘结预应力筋与接缝处的灌浆料摩擦耗能，改善了压着工法的耗能能力，同时该工法延性好、梁端界面抗剪可靠、震后损伤评估容易，可以作为实际应用推广使用。
图6.5 压着工法梁柱连接节点
图6.6 预制中等预应力混凝土节点工法
（2）预制抗震结构体系PRESSS项目
20世纪90年代，Priestley基于美国的建筑产业结构的发展和预制钢筋混凝土结构抗震性能的需求，主导了PRESSS研究计划。研究计划分3期进行，分别进行了不同形式的装配式预应力混凝土干式连接节点构造和抗震性能拟静力试验研究（1期）、数值计算分析软件研究与装配式预应力混凝土结构的抗震设计方法研究（2期）、装配式预应力混凝土结构拟动力试验研究（3期）。
PRESSS项目1期研究中包含有仅配置无粘结预应力筋的预制梁柱节点（图6.7）的抗震性能拟静力试验研究，该节点通过在梁端截面受压区布置约束螺旋筋以增强混凝土抗压强度。在荷载作用下，梁端的顶部和底部边缘轻微损伤，残余变形小，但节点的耗能能力相对较差。
图6.7 无粘结预应力筋梁柱节点构造
PRESSS项目2期研究的主要任务是软件模拟及抗震方法研究。其中，Priestley等采用两个平行并联的转动弹簧模拟混合配筋梁柱节点受弯滞回性能，并将模拟结果和试验进行对比，证明了该模拟的可行性。同时，Priestley等还针对装配式预应力混凝土结构高延性、自复位的抗震性能，提出了基于位移的抗震设计方法来计算框架梁和框架柱的弯矩。
PRESSS项目3期研究中（最后一期），在加利福尼亚大学进行了一个5层预制混凝土结构的60%实际尺寸的拟动力试验，对节点设计方法和抗震性能进行验证。框架节点采用了优化后的TCY-gap（Tension/Compression Yielding-gap）连接（预应力筋偏置连接）、TCY（Tension/Compression Yielding）连接（无预应力筋连接）、先张法无粘结预应力连接和后张预应力混合连接4种节点，如图6.8所示。结构按照UBC规范4类地震区地震强度，用基于位移的方法进行设计，在框架方向，最大层间位移达到4%，在承受相同的载荷情况下损伤程度远低于普通钢筋混凝土结构，各种连接节点的抗震性能均符合预期。
图6.8 4种预应力梁柱连接节点类型
3期研究中的后张预应力混合连接，是为了改善无粘结预应力筋连接的耗能能力和压着工法中有粘结预应力压接连接在后期刚度退化问题。混合连接由预制混凝土构件、后张预应力筋和有粘结普通钢筋组成[图6.8（a）]。预制梁中部后张无粘结预应力筋将预制梁与预制柱压接，预制梁截面顶部和底部的普通钢筋贯穿预制柱，并在靠近连接截面处设置为局部无粘结。该连接节点中预制梁中部无粘结预应力筋能够提供较强的恢复力，减小了地震作用下残余变形，普通钢筋在地震作用下屈服，增强了节点的耗能能力。对该节点进行拟动力试验，结果表明其具有优良的连接性能。位于美国旧金山的39层Paramount Building是在地震区采用后张预应力混合连接技术建造的装配式混凝土建筑[图1.1（a）]，它曾是旧金山最高的建筑。
图6.9 间隙连接梁柱节点变形图
3期研究中的预应力筋偏置连接也称后张预应力-间隙连接[图6.8（c）]。在地震作用下，由于梁端中性轴高度的变化，将引起梁轴线的伸长，给结构如楼面板带来不利影响，间隙连接的主要目的之一是通过人为设置梁端间隙处固定的转动基点，从而有效防止梁轴线长度变化。该节点连接形式中，梁端下缘后张预应力筋，以下部预应力筋处为转动的支点，通过上部间隙的开合实现梁端转动，并使上部钢筋在间隙处拉压屈服耗能（图6.9）。因为位于柱左右两侧的梁转动支点位于同一高度，所以梁轴线不会出现伸长现象，同样可以反转转动支点和间隙的位置，这能避免上部楼面板的开裂。此连接最终应用于PRESSS计划3期5层结构的试验中，表现良好。
美国和日本联合开展长达十余年的PRESSS研究计划，进行了多种装配式混凝土梁柱预应力连接的研究，最终形成并推荐了4种采用预应力筋的装配式混凝土框架梁柱连接形式，如图6.10所示。
图6.10 PRESSS项目推荐的4种采用预应力筋的装配式梁柱连接
（3）美国国家标准与技术研究所NIST项目
美国国家标准与技术研究所在PRESSS项目期间还开展了NIST项目，针对PRESSS项目2期进行了大量试验研究，该项目分4个阶段进行。在NIST项目前3个阶段，主要通过试验确定采用预应力筋作为节点连接方式的可行性、预应力筋的张拉位置以及预应力筋和普通钢筋与混凝土的粘结性对试验结果的影响。在NIST项目第4阶段，为改善装配式节点的耗能特性，检验了非预应力低强度（软）钢与后张预应力筋结合使用的效率。该连接节点以软钢耗能，预应力提供恢复力和梁柱间摩擦抗剪为特征，并通过重力试验验证了混合节点抗剪性能的有效性。
在第4阶段的A系列试验中，共测试了3种不同节点构造的四个试件，用以确定软钢和后张预应力筋的最佳组合。第1种节点构造如图6.11（a）所示，预制梁为狗骨形，梁中部穿有完全有粘结的后张预应力筋，梁上下部分别布置了完全有粘结的软钢；第2种节点构造如图6.11（b）所示，在梁的上下部同时使用了完全有粘结的软钢和无粘结的后张预应力筋；第3种节点构造如图6.11（c）所示，采用了可更换的无粘结软钢以及无粘结预应力筋。试验结果表明，这3种装配式节点在强度、耗能、残余位移、极限位移角以及结构损伤等方面均表现出与传统现浇混凝土相当的性能。在B系列对第4种试件进行了研究，主要分析钢筋材料与数量对节点性能的影响。试件的节点构造如图6.11（d）所示，通过在梁中部后张预应力筋、梁顶部和底部开槽、放置普通钢筋并保留一定无粘结长度。节点的现场加载试验结果表明，装配式节点的破坏均由普通钢筋拉断引起，节点残余变形几乎为零，具有良好的自复位能力。
图6.11 NIST项目阶段4节点构造示意图
我国针对后张预应力连接装配式混凝土梁柱节点的形式同样进行了理论和试验的研究，通过对预应力梁柱节点进行分析改进并进行大量试验研究，最终形成国内预应力框架结构体系，以及一些新型预应力梁柱节点连接形式。
（4）PPEFF体系
中建科技提出了预制梁通过贯穿梁柱节点的预应力筋压接装配于预制柱上的PPEFF（Precast Prestressed Efficiently Fabricated Frame）梁柱节点。该节点连接如图6.12（b）所示，预制柱贯通节点，预制梁通过中部贯穿的后张预应力钢绞线装配于柱身，梁上部纵筋置于梁后浇叠合层内，并通过钢筋连接器与柱内预埋的钢筋连接。梁后浇叠合层内的纵筋，一部分置于梁顶部以提高抗弯耗能，另一部分纵筋位置稍低，采取防屈服措施以提高节点抗剪能力。该体系中节点采用干式连接的形式对梁柱构件进行装配，预制构件本身（梁）涉及一定后浇工作。PPEFF体系已相对成熟，在国内已投入实际应用。图6.12（a）为广州白云机场三期扩建配套养老院项目，不但实现了“五天两层”的高效建造，而且具有高抗灾性能、节能环保、成本经济等优势，实现了建造高效、性能优异和成本经济的统一。
图6.12 PPEFF体系
图6.13 不对称混合连接节点构造示意图
除此之外，我国学者还研发出一系列采用预应力连接形式的梁柱节点。在PPEFF体系梁柱节点的基础上，对无后浇叠合层的预制梁可采取图6.13所示的节点连接形式。梁柱节点中的普通耗能钢筋布置于预制梁顶部，通过将预制梁顶部挖去凹槽，现场连接后穿钢筋，配合预制梁中部后张无粘结预应力筋将梁柱构件连接成整体。其与PRESSS项目中混合型连接节点的区别在于，该节点普通钢筋仅布置在梁截面上部。对该节点进行试验研究，发现试件的破坏属于典型的梁端塑性铰破坏形式，由于普通钢筋的不对称配置，节点在两个方向加载时耗能能力明显不同。
为进一步提高预应力梁柱连接节点的抗震性能和整体性，可采用预应力和附加耗能件配合使用的形式。以图6.14所示的节点连接为例，该节点是一种附加全钢耗能杆-后张预应力梁柱节点，通过无粘结预应力筋提供恢复力，使竹节形耗能杆起到耗能作用。对该节点进行低周期往复试验，结果表明：该节点具有良好的自复位能力和抗震性能。但针对于图6.14中的这类节点，目前仍处于研究阶段，还需要考虑其在实际应用中存在的一系列问题，运用于工程中时需研究该类节点的适用性。
图6.14 装配式混凝土节点构造图
2）高强螺栓连接
在节点连接处通过选用合适的螺栓对构件进行拼接。这种连接方式需要用到高强螺栓以保证节点核心区有足够的强度，其在钢结构框架节点连接中应用广泛。但由于预制混凝土构件采用预留孔道和预埋钢板的形式，螺栓连接也逐渐应用于混凝土框架结构中，梁柱节点采用螺栓连接的形式可以在短时间内获得足够承载能力，满足结构使用功能要求。同时，该连接方式操作简单、施工周期短，现场仅需要对连接螺栓进行拧紧加固即可，结构凭借螺栓自身抵抗外部作用，无需后浇混凝土，且受外界环境影响小，因此将螺栓连接形式应用到装配式混凝土结构中，可使施工更加简便快捷，更加符合装配式发展理念，符合建筑工业化发展的需要。
针对高强螺栓梁柱连接节点，芬兰Peikko集团进行了相关研究，并提出一种连接形式，如图6.15所示。通过在梁内预埋BECO梁端连接座，并与柱中预埋的COPRA锚固螺栓配套使用，实现混凝土梁柱构件之间的连接。BECO梁端连接座和COPRA锚固螺栓连接详图如图6.15（a）所示。在现场安装时，将梁端连接座和锚固螺栓吊装对位，通过螺帽紧固[图6.15（c）]即可完成节点连接。
图6.15 Peikko螺栓连接梁柱节点
我国《装配式多层混凝土结构技术规程》（CECS 604）通过借鉴国内外的研究成果，针对梁柱刚性连接推荐了一种螺栓连接形式，该梁柱连接节点示意图如图6.16所示。预制柱在节点连接处预埋钢筋，预制梁在梁端挖去凹槽，并预埋螺栓连接器。现场装配连接，先将预制梁吊装就位，使梁搁置在柱中的牛腿上，待定位完成后采用连接螺栓连接柱中预埋钢筋和梁中预埋螺栓连接件。该梁柱节点弯矩由螺栓承受，剪力由牛腿承受，传力路径清晰，安全可靠。对规程推荐的梁柱节点进行试验研究，结果表明：此种节点的刚度及承载力均可满足刚性节点的要求，与现浇节点的性能接近。
图6.16 全预制混凝土梁柱节点
1—梁上部纵筋；2—预制梁；3—灌浆接缝；4—预制柱；5—节点内预埋钢筋；6—梁下部纵筋；
7—螺栓连接器；8—牛腿；9—连接螺栓
《装配整体式钢连接混合框架结构节点构造》（22TG306）针对装配式混凝土梁柱节点提出一种干式连接方案，如图6.17所示。预制梁和预制柱在节点连接处分别预埋型钢，型钢外伸一定长度用于节点连接。在现场装配时，对梁柱外伸的型钢按照钢结构的方式进行连接，梁腹板与柱中腹板连接件采用螺栓连接；梁上下翼缘与柱中型钢通过焊接连接，形成刚性梁柱节点，有利于节点区域弯矩和剪力的传递。
图6.17 梁柱刚接节点构造图
图6.18 全装配式螺栓连接节点
同济大学参与了以研究新型预制混凝土框架结构抗震性能为目标的项目。基于此项目，设计了一种新型螺栓梁柱连接节点，预制柱中预埋螺杆，梁端部设置有连接端板的工字形短梁接头，端板通过节点支座、垫板和螺帽与柱实现半刚性的螺栓连接（图6.18），对该半刚性连接节点进行低周期往复加载试验。结果表明：该半刚性连接节点主要抗震性能指标与现浇高强混凝土梁柱组合件基本接近，表明螺栓连接节点具有良好的抗震性能。
考虑现场装配时预制梁沿水平方向对位，施工难度相对较大。为保证预制梁的竖向吊装，可通过在柱中节点连接区域预埋螺纹套筒，与梁端设置的钢梁端板通过高强螺栓进行连接，如图6.19（a）所示；或将预制柱与混凝土梁端预制的钢梁段通过高强预应力对拉螺栓等方式进行连接，如图6.19（b）所示。将预制梁节点连接区一定长度用钢梁段替换，一方面方便了节点的干式连接；另一方面通过合理设计，在地震作用下可使钢梁段先于预制构件屈服，从而利用钢梁良好的塑性变形能力，增加节点的耗能能力和变形性能。
图6.19 螺栓连接混凝土梁柱节点
伴随着基于性能的抗震设计理论研究的深入，人们越来越关注对结构损伤的控制，延性耗能元件的研究与应用受到了越来越多专家和学者的青睐。一些专家开始着手研究性能优异的延性耗能件，并将其应用到全装配式混凝土梁柱连接节点中。图6.20（a）为设计的一款延性连接器（Dywidag Ductile Connector，DDC），DDC为一种低屈服高延性的金属元件，将其以图6.20（b）所示的形式预埋于梁柱节点中，通过节点合理设计，使得地震时的塑性变形集中在DDC上，依靠元件本身的高延性，增加节点的耗能能力。对含有DDC的装配式混凝土框架梁柱节点进行了往复荷载试验，在层间变形达到3.5%时，节点核心区仍没有出现明显破坏，承载能力也保持稳定，验证了其良好的抗震性能。
图6.20 延性连接梁柱节点
3）牛腿连接
由于牛腿自身的承载力很高，能可靠地承担并传递竖向荷载，因此牛腿连接在干式连接中的应用相当普遍。厂房的空间很大，对牛腿的建筑要求不高，但是对牛腿的承载力要求较高，因此单层或多层厂房中多用承载力较高的明牛腿。在住宅或商业用房中，牛腿应尽量满足建筑的要求，此时常把牛腿做成不影响美观的暗牛腿。对于暗牛腿，可以有很多种做法，如混凝土暗牛腿，型钢暗牛腿等。下面将对各种样式的牛腿及其受力性能进行简要的分析。
（1）明牛腿连接
预制装配式钢筋混凝土单层或多层厂房中广泛采用明牛腿节点，这种节点承载力大，受力可靠，节点刚性好，施工安装方便，如图6.21所示。明牛腿的设置不仅方便传力，还可以作为预制梁施工时的支座。但是，由于明牛腿的作法在建筑上影响美观且占用空间，因此它只适用于对美观要求不高的房屋建筑或用于吊车梁支座。
图6.21 明牛腿连接
图6.22 暗牛腿连接
（2）混凝土暗牛腿连接
考虑到明牛腿连接不适用于住宅等对美观要求比较高的建筑，可设想将柱中设置的牛腿隐藏在梁柱节点中，形成如图6.22所示的暗牛腿。这种节点连接构造不但包含明牛腿连接的特点，还不占用空间，有利于建筑美观，但这种应用暗牛腿的作法给结构性能带来了缺陷，特别是不利于静力和动力性能的设计，会使节点抗剪性能有所降低。若使梁的一半高度能够承受剪力，则另一半梁高用作柱中的牛腿，为保证节点区有足够的抗剪承载力，则梁端和牛腿的配筋相对复杂。
美国针对混凝土暗牛腿梁柱连接节点开展了系统研究，并在PCI手册中推荐了一种暗牛腿连接装配式混凝土梁柱节点。节点连接形式如图6.23所示，预制柱在连接区域设置混凝土块，作为梁柱节点连接的暗牛腿，混凝土块顶部外伸竖向螺栓；预制梁对应挖去凹槽，并在凹槽顶部预埋槽钢，现场连接时，将梁预埋槽钢和柱中竖向螺杆吊装对位，通过螺帽紧固连接梁柱节点。
图6.23 PCI手册梁柱节点
图6.24 暗牛腿-角钢梁柱节点
我国利用混凝土暗牛腿也形成了一系列梁柱节点连接形式。以如图6.24所示的梁柱连接节点为例，该节点通过螺栓、L型钢、暗牛腿进行连接。这种连接方式要求在梁、柱和暗牛腿处分别预留螺栓孔，利用L型钢和对拉螺栓连接预制梁、柱构件。节点区梁端的剪力由暗牛腿和螺栓共同承受，弯矩由对拉螺栓、角钢、暗牛腿共同承担，节点传力路径明确，而且该连接方式现场安装便捷、快速、无现场湿作业，因此是一种良好的节点连接形式。
（3）型钢暗牛腿连接
图6.25 型钢暗牛腿连接示意图
混凝土暗牛腿由于削弱了梁端截面，对节点抗剪是一个极大的考验，可考虑将混凝土牛腿用型钢替代，即为型钢暗牛腿梁柱节点。如图6.25所示为型钢暗牛腿连接示意图，该节点中梁端的剪力可以直接通过牛腿传递到柱子上，梁端的弯矩可以通过梁端和牛腿顶部设置的预埋件传递，节点传力可靠。当剪力较大时，用型钢做成的牛腿可以减小暗牛腿的高度，相应地可增加梁端缺口梁的高度，以增加节点的抗剪能力。由于型钢具有良好的变形特性，通过对节点连接进行合理设计还可以较好地发挥钢材的特性，增加连接节点的耗能能力。
4）焊接连接
焊接连接的装配式混凝土梁柱节点是预制构件中常用的连接方式，这种节点技术已相对成熟，主要被广泛应用在日本、美国、英国等国。采用该种连接方式的节点可以缩短工期，避免现场浇筑，节约造价成本。但该节点需要现场焊接，要求拥有较高的焊接技术，否则无法保障节点的质量。与此同时，在地震荷载下这种焊接节点的承载力不是很高，且容易发生脆性破坏。
图6.26 焊接连接图
如图6.26所示为美国焊接连接方法之一。该焊接连接的抗震性能较不理想，主要原因是该连接方法中无明显的塑性铰设置，在反复地震荷载作用下焊缝处容易发生脆性破坏，该节点连接处的耗能能力较差。但塑性铰设置良好的焊接接头的优越性还是相当明显的，开发变形性能较好的焊接连接构造是当前焊接连接的发展方向。在施工中应该充分安排好相应构件的焊接工序，以提高焊接质量，减小焊接的残余应力，保证节点连接安全可靠。
5）可更换耗能连接件连接
随着消能减震设计的深入，将金属耗能装置内置于梁柱节点区域为提高全装配式框架结构在大震水平下的抗震韧性提供了新思路，目前已经形成和发展了诸多可更换节点形式如销轴-可更换耗能元件、牛腿-可更换耗能钢板、剪力键-可更换耗能条等。
（1）销轴-可更换耗能元件
可更换销轴-耗能元件连接是一种利用销轴连接，在梁端上下翼缘布置可更换耗能元件的梁柱节点。如图6.27所示，销轴在保证连接的同时，还人为地固定了转动支点。在地震作用下，梁柱节点绕销轴转动，梁上下翼缘布置的耗能元件屈服耗能，利用耗能元件良好的塑性变形特性，提高节点的耗能能力。震后对耗能元件更换即可继续使用，满足震后功能的可恢复性和快速恢复特性。
图6.27 可更换销轴-耗能元件节点示意图
（2）牛腿-可更换耗能钢板
图6.28 牛腿-耗能钢板节点示意图
在水平往复荷载下，由于梁内钢筋塑形变形累积和梁中性轴高度的变化，框架易产生梁伸长效应，影响梁-楼板的协调变形能力。为了解决这个问题，同时考虑节点耗能部位的可更换特性，可采用将外置的耗能件与预制梁铰接连接的方式。如图6.28所示是一种带外置钢板阻尼器顶部铰接的牛腿-可更换耗能钢板梁柱节点。钢板阻尼器的竖肢连接区域与预制柱固定连接，水平肢连接区域与预制梁之间的连接仅允许两者之间水平向单调及循环往复位移，借此可以有效协调梁-板变形。除此之外，通过耗能钢板耗能段塑性变形，可有效提高节点的耗能能力，在震后只需对耗能钢板更换即可完成修复，简化修复工序，提高修复效率。
（3）剪力键-可更换耗能条
图6.29 剪力键-耗能条节点示意图
牛腿-耗能钢板连接形式虽对楼板起到了很好的保护作用，但是明牛腿对建筑美观有一定影响，且梁顶耗能钢板外置会造成楼板铺设困难。基于此，可考虑将耗能件设置于梁截面内部。如图6.29所示为一种底部附加可更换耗能条的节点连接形式。通过对该节点进行合理设计，在低周反复荷载作用下，底部耗能条首先屈服耗能，梁端塑性铰区域转动的中性轴控制在楼板转角区域内，从而有效减轻楼板的开裂现象。对该节点进行现场加载试验，试验中对耗能条进行两次更换，更换前后节点性能接近，证明了节点良好的震后可修复特性，可以加以推广应用。