装配式混凝土结构构件的节点连接可分为湿式连接和干式连接。无论湿式连接还是干式连接, 都需要考虑预制构件的搁置节点设计, 即预制构件如何通过构件间的接触面, 将竖向荷载可靠地传递到其支承构件上。其中, 湿式连接的搁置节点主要考虑短暂设计状况下的施工验算, 而干式连接的搁置节点尚需考虑持久设计状况的施工验算。然而, 中国现行标准中缺少搁置节点专门设计方法和构造要求, 这对今后干式连接装配式结构的推广十分不利。本文拟在对中外相关资料进行总结的基础上, 提出相应的设计方法及构造措施。

　　 根据预制构件及其支承构件间垫板情况, 可将搁置节点分为刚性和柔性两大类^[1,2]。刚性搁置节点可在预制构件和支承构件之间设置刚性材料制成的垫板 (如钢垫板) 或者将预制构件直接搁置在支承构件上, 而柔性搁置节点中的垫板由柔性材料制成。刚性搁置节点对转角和位移协调能力有限, 常用于长度较短的预制构件, 而柔性搁置节点由于能够提供较好的转角和水平位移协调能力, 其适用性较广。搁置节点的垫板形状主要有矩形和圆形等, 本文主要讨论建筑结构中较为常用的矩形垫板。

　　 刚性搁置节点又可分为四种:预制构件和支承构件直接接触节点 (图1 (a) ) 、预制构件和支承构件接触面均预埋钢板节点 (图1 (b) ) 、预制构件和支承构件之间设置钢垫板节点 (图1 (c) ) 以及预制构件和支承构件接触面均预埋钢板并在两者之间设置钢垫板节点 (图1 (d) ) 。

　　 柔性搁置节点中的垫板最常用的是橡胶垫板。橡胶垫板具有较好的协调水平位移及转角的能力, 能更有效地减少混凝土收缩徐变以及温度作用对结构的不利影响^[3]。橡胶垫板主要有素橡胶垫板、纤维增强橡胶垫板和钢板增强橡胶垫板等^[2,3]。其中, 素橡胶垫板是由氯丁二烯制作而成, 其变形能力强但承载力较低;纤维增强橡胶垫板是由纤维材料加强于橡胶制作而成, 其承载能力较高但位移协调能力较差;钢板增强橡胶垫板由钢板夹在橡胶片中制作而成, 具有较高的承载能力, 可用来支承荷载较大的构件^[2]。

　　 刚性搁置节点的设计主要考虑预制构件端部和支承构件的混凝土局部受压承载力验算, 对没有专门配置钢筋的预制构件及其支承构件, 应按素混凝土计算, 当不满足局压要求时, 可通过配置间接钢筋等方式提高局压承载力。素混凝土局部受压承载力可按下式^[4]计算:

　　 式中:F为预制构件传递给支承构件的局部压力设计值;ω为考虑构件接触面应力分布不均匀系数, 对图1 (a) , (b) 的情况取为0.75, 而对图1 (c) , (d) 的情况取1.0;β_l为混凝土局部受压提高系数, 按式 (2) 计算, 且β_l≤3;A_l为局部承压面积;A_b为局部承压的计算底面积;f_c为混凝土轴心受压强度设计值。

　　 由式 (1) 可知, A_l, A_b是确定局部受压承载力的关键参数。

　　 对于图1 (a) ~ (c) 所示的搁置节点, A_l可按实际支承面积来确定, 而对于图1 (d) 所示的搁置节点, 荷载通过垫板和预埋钢板传递到混凝土中, 需要考虑预埋钢板的刚度以确定其有效局部承压面积。美国AASHTO LRFD桥梁设计规范^[5] (简称规范AASHTO LRF-2012) 将预埋钢板分为刚性和柔性两种, 当满足式 (3) 时, 即为刚性预埋钢板, 此时取a_l=a_s (图2) 。

　　 刚性预埋钢板的弯曲应力尚应满足式 (4) 要求:

　　 式中:E_s为预埋钢板的弹性模量;a_s, b_s分别为预埋钢板长度和宽度;a_l, b_l分别为有效局部承压区长度和宽度;n_s为垫板边缘与预埋钢板边缘的距离;t_s为预埋钢板厚度;f_s为预埋钢板的弯曲应力;f_sy为垫板材料的屈服强度设计值。

　　 《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010) ^[4] (简称规范GB 50010—2010) 规定, A_b按同心、对称的原则确定。考虑到承压面积的位置, 局部压力的扩展处于三种状态:一是承压面积在支承构件边上, 无扩展效应, 如图3 (a) 所示;二是承压面积在支承面积内, 但压应力未能充分扩展, 如图3 (b) 所示;三是局部压力能充分扩展, 如图3 (c) 所示。

　　 对于湿式连接节点, 施工阶段验算也要考虑搁置问题。《混凝土结构工程施工规范》 (GB 50666—2011) ^[6]规定, 在预制构件与其支承构件之间宜设置厚度不大于30mm的坐浆或垫板。《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》 (JGJ 355—2015) ^[7]还规定, 在采用钢筋套筒灌浆连接的预制柱、墙安装前, 应在预制构件与其支承构件之间设置钢制垫板, 并应满足下式规定:

　　 式中:F'为预制构件安装时, 作用在垫板上的压力设计值, 可按1.5倍构件自重标准值确定;f_c'为预制构件安装时, 取预制构件及其支承构件的混凝土轴心抗压强度设计值较小值, 根据与构件同条件养护混凝土试块的立方体抗压强度, 并按规范GB 50010—2010确定。

　　 值得注意的是, 如果设计时考虑垫板仅承受1.5倍的构件自重, 施工时应及时灌浆, 并应满足灌浆料强度达到35MPa后方能承受后续荷载的要求。

　　 柔性搁置节点设计的关键是控制橡胶垫板的受力及变形性能, 包括其受压承载能力、厚度、转动变形、压缩变形、滑动变形等。对橡胶垫板, 一般采用荷载组合效应标准值和材料强度标准值进行设计。

　　 橡胶垫板的受压承载力应满足下式要求:

　　 式中:F_k为预制构件传递给支承构件的局部压力标准值;A_p为垫板毛面积;[σ_k]为垫板容许压应力。

　　 中外相关标准对[σ_k]取值有所不同, 其中中国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 (JTG D62—2012) ^[8] (简称规范JTG D62—2012) 和Fib手册^[2]取定值, 为10MPa;而1988年版美国PCI手册^[9]和规范AASHTO LRFD—2012则是根据橡胶垫板的硬度、剪切模量及形状系数经计算确定。建议参考规范AASHTO LRFD—2012, 按下式确定[σ_k]:

　　 对素橡胶垫板:

　　 对纤维增强橡胶垫板:

　　 对钢板增强橡胶垫板:

　　 式中:G为橡胶剪切模量, G值会随着温度的降低而提高^[8], 常温下取为1.0MPa;S_i为钢板增强橡胶垫板中第i单层橡胶片的形状系数;S为橡胶的形状系数, 2.0≤S≤7.0, 可按下式计算:

　　 另外, 1988年版美国PCI手册^[9]建议, 对双T板和预制梁的垫板, S分别不应小于2.0和3.0。

　　 为了满足水平位移和稳定性的要求, 需控制橡胶垫板的厚度t_p。按照中国规范JTG D62—2012和1988年版美国PCI手册^[9], t_p应满足下式要求:

　　 式中Δ为由混凝土的收缩徐变、环境温度变化等产生的预制构件伸缩变形, 其中由环境温度变化引起的伸缩变形Δ_tem, 可根据式 (12) 来计算:

　　 式中:α_c为线膨胀系数, 可取1×10^-5℃^-1;Δt为温度变化;l为预制构件长度。

　　 为了防止因转动过大而导致橡胶垫板滑移, 按1988年版美国PCI手册^[9], 支承在橡胶垫板上面的预制构件端部转角θ应满足下式要求:

　　 对均布荷载作用下的简支受弯构件, 其端部转角可按下式^[5]计算:

　　 式中:q_k为作用在预制构件上的均布荷载标准组合值;l₀为预制构件计算长度;E_c为混凝土弹性模量;I为预制构件惯性矩;Δθ为不确定因素引起的附加转角, 可取为0.005rad。

　　 为了保证垫板全截面受压 (图4) , 需控制垫板中心的竖向压缩变形δ满足下式^[2,8,9]要求:

　　 另外, 为了防止因预制构件转动过大导致与支承构件的碰撞, δ还应满足下式^[2]要求:

　　 式中:e_lim为预制构件和支承构件边缘的最近距离, 不小于3mm^[10];d_e为橡胶垫板中心到支承构件边缘的距离。

　　 中外相关标准对δ的确定方法有所不同。其中, Fib手册^[2]给出橡胶垫板受压应力和应变的相关曲线, 使用较不方便;规范JTG D62—2012给出了橡胶垫板的抗压弹性模量与剪切模量、形状系数的关系, 但其适用的形状系数为5~12, 这与建筑工程中常用的形状系数2~7有所不同。因此, 建议按美国规范AASHTO LRFD—2012的规定计算确定δ, 其中对钢板增强橡胶垫板:

　　 式中t_i和ε_i分别为钢板增强橡胶垫板中第i单层橡胶片的厚度和其竖向压缩应变。

　　 对素橡胶垫板和纤维增强垫板, 根据式 (18) 的δ计算结果分别乘以3.0和1.5。

　　 为了防止因竖向荷载、转角和水平位移共同作用下引起的剪切破坏, 正常使用极限状态下由竖向荷载、转角和水平位移引起的剪切应变应满足下式^[5]要求:

　　 式中:γ_a, γ_r, γ_s分别为由竖向荷载、转角、水平位移引起的剪切应变;n为夹在增强钢板之间的橡胶片层数, 当采用单层垫板时, n取为1;t_i为第i单层橡胶垫片厚度。

　　 当橡胶垫板不允许有滑动时, 垫板抗滑稳定应满足下式^[8]要求。

　　 式中μ为橡胶垫板与不同接触面的摩擦系数, 与混凝土接触时取为0.3, 与钢板接触时取为0.2。

　　 当橡胶垫板允许有滑动时, 橡胶垫板可采用聚四氟乙烯板封顶, 且预制构件端部采用预埋不锈钢板。聚四氟乙烯板和不锈钢板接触面的摩擦系数很小, 可使预制构件水平位移不受限制。此时, 橡胶垫板摩擦力应满足下式^[8]要求:

　　 式中μ_f为聚四氟乙烯板和不锈钢板接触面的摩擦系数, 加硅脂时取为0.06, 否则取为0.12。

　　 中国相关规范对预制构件的搁置长度有相关规定, 但不统一, 且缺少对梁的规定。其中, 《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[11]规定, 预制楼板的最小搁置长度为100mm;而《装配式混凝土结构技术规程》 (JGJ 1—2014) ^[12] (简称规程JGJ 1—2014) 规定, 预制板在墙上的最小搁置长度为60mm;简支预制楼梯的最小搁置长度, 抗震设防烈度为6度、7度时, 取为75mm, 抗震设防烈度为8度时, 取为100mm。

　　 对于最小搁置长度a, 美国规范ACI 318^[13]和新西兰规范NZS 3101-1∶2006^[14]的规定基本一致, 即:

　　 板构件:

　　 梁构件:

　　 另外, 美国规范ACI 318^[13]还规定, 垫板边缘到预制构件或支承构件边缘的距离不少于15mm。

　　 Fib模式规范^[15]在确定最小搁置长度a时, 考虑了更为全面的影响因素 (图5) , 包括荷载类型、垫板应力比α_F、支座材料以及预制构件端部的钢筋构造等, 其中α_F, a分别按下式确定:

　　 式中:a₁为支承构件外端部到垫板边缘距离;Δa₁为a₁的允许偏差, 取Δa₁=l/1 200, 且10mm≤Δa₁≤30mm;a₂为预制构件端部边缘到垫板边缘距离;Δa₂为a₂的允许偏差, 取Δa₂=l/2 500。

　　 在设计搁置长度时, 可参考Fib模式规范^[15], 通过计算确定, 但考虑到中国工程应用的情况, 例如预制构件的混凝土强度等级大多高于C30、构件端部很少采用半圆弯弧的钢筋, 经适当简化, 可得到表1所示的a_p和a₁最小取值, 另外建议, 线荷载和集中荷载下a₂的最小值分别取为5mm和15mm。此外, 对于滑动铰支座, 其滑动变形能力尚应满足在罕遇地震作用下结构弹塑性层间位移的要求。

　　 设计搁置节点时, 预制构件与其支承构件的预留间隙g应综合考虑预制构件的长度偏差Δ_l、预制构件的安装偏差Δ_e及其支承构件的安装偏差Δ_s, 并按式 (29) 计算确定 (图5) 。另外, 按1988年版美国PCI手册^[9], 预留间隙不应小于20mm。

　　 中国《混凝土结构工程施工质量验收规范》 (GB 50204—2015) ^[16]、《装配式混凝土建筑技术标准》 (GB/T 51231—2016) ^[17] (简称标准GB/T51231—2016) 和规程JGJ 1—2014均给出了预制构件长度允许偏差的规定, 其中规程JGJ 1—2014的规定如表2所示。相比2010年版美国PCI手册^[18] (表3) , 中国规程JGJ 1—2014的要求偏严。

　　 安装偏差是由预制构件和支承构件在施工安装过程中因水平错位引起的偏移, 主要包括构件中心线对轴线位置的偏差、标高偏差、倾斜度偏差、相邻构件平整度偏差、垂直度偏差等^[15]。其中, 预留间隙的确定需考虑构件中心位置偏差和垂直度偏差。标准GB/T 51231—2016给出了预制构件安装允许偏差的规定, 如表4所示。相比2010年版美国PCI手册^[18] (表5) , 中国标准GB/T 51231—2016的要求偏严。

　　 搁置节点中的钢板和橡胶垫板会随时间产生锈蚀和老化。对钢板采取防锈措施, 或采用镀锌钢板或不锈钢钢板。对橡胶垫板采用防老化剂来减少老化问题。

　　 1988年版美国PCI手册^[9]认为, 由于橡胶垫板的破坏并不能导致结构的坍塌, 搁置节点不需要采取专门抗火措施。另外, 当预留缝隙小于30mm时, 可以不考虑抗火问题^[10]。

　　 某建筑采用YTPa0 924双T板^[19]作为屋面板, 双T板 (宽度2 400mm, 高度350mm, 实际长度8 980mm, 计算长度8 780mm) 搁置在梁的挑耳上, 采用柔性搁置节点, 其构造如图6所示。其中, 双T板端部的预埋钢板采用Q235B制作 (f_sy=235MPa) , 尺寸为100×160×10, 并采规格为100×100×10的素橡胶垫板。构件的混凝土强度等级均为C40 (f_c=19.1MPa) 。考虑环境温度变化为30℃。经计算可知, q_k=10.42k N/m, F_k=23.4k N, F=30.7k N。

　　 根据表2~4, 双T板的长度允许偏差Δ_l、双T板的安装偏差Δ_e、支承梁的中心线对轴线位置的允许偏差Δ_s均为5mm。根据式 (29) , g≥8.7mm, 取g=20mm。

　　 由于计算长度l₀=8 780mm, q_k=10.42k N/m, E_c=3.25×10⁴N/mm², I=1.696×10⁹mm⁴, 根据式 (14) , θ=0.010 rad<0.3t_p/a_p=0.03rad, 满足式 (13) 的转动变形要求。

　　 根据式 (20) ~ (22) , γ_a=1.31<3, γ_r=0.55, γ_s=0.27, γ_a+γ_r+γ_s=2.13<5, 满足式 (19) 的剪切变形要求。

　　 由于μ=0.2, μF_k=4.68k N>1.4GA_pγ_s=3.78k N, 满足式 (23) 的滑动变形要求。

　　 预制混凝土构件的搁置节点可分为刚性和柔性两大类。预制构件及支承构件的混凝土局部受压承载力是刚性搁置节点的设计要点。对于柔性搁置节点, 设计时还需要注重橡胶垫板的性能。在对中外相关资料进行总结的基础上, 提出了预制混凝土构件搁置节点的设计方法及构造措施建议, 包括局部承压面积和计算底面积的确定, 施工临时搁置垫板设计, 橡胶垫板受压承载能力、厚度、转动变形、压缩变形、滑动变形, 最小搁置长度和预留间隙的取值, 搁置节点防护措施等。