中國工程師在《工程成果》期刊發(fā)表的研究中，推出一種用于預(yù)制混凝土建筑的格構(gòu)式鋼混凝土組合（LSCC）梁柱節(jié)點。該設(shè)計以輕量化格構(gòu)鋼柱替代傳統(tǒng)實心鋼構(gòu)件，實驗室測試表明，其峰值承載力比傳統(tǒng)現(xiàn)澆節(jié)點高出逾40%，且能耗散更多地震能量。這一發(fā)現(xiàn)有望改變多高層裝配式建筑在地震帶的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，解決長期以來連接部位成為結(jié)構(gòu)安全薄弱環(huán)節(jié)的工程難題。

預(yù)制混凝土施工因裝配速度快、質(zhì)量控制易、環(huán)境足跡小而成為建筑工業(yè)化基石，但連接這些結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點仍是持續(xù)存在的工程挑戰(zhàn)。該區(qū)域承受框架中Zui復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，負責(zé)傳遞和分布內(nèi)力并在劇烈震動中維持結(jié)構(gòu)整體性。傳統(tǒng)預(yù)制節(jié)點通常采用灌漿套筒或灌漿搭接接頭，對現(xiàn)場施工工藝要求極高。灌漿不全是常見缺陷，且逐層裝配需大量臨時支撐，不僅占用空間、延長工期，還易累積安裝誤差。

為克服上述局限，山東大學(xué)王曉然和侯合濤研究團隊開發(fā)了LSCC梁柱節(jié)點。該設(shè)計基于多層預(yù)制柱技術(shù)，將跨越兩至三層的柱體在工廠整體澆筑并吊裝就位，預(yù)留節(jié)點區(qū)進行濕作業(yè)連接。新節(jié)點用由弦桿、綴板、貫通隔板及焊接橫向加勁肋組成的格構(gòu)鋼柱連接器填充這些開放區(qū)域。結(jié)構(gòu)上，弦桿相當于常規(guī)柱的縱向鋼筋，綴板則起箍筋作用。在節(jié)點混凝土澆筑前，弦桿提供貫穿開放節(jié)點區(qū)的連續(xù)傳力路徑，橫向加勁肋限制中央格構(gòu)段的局部畸變，從而在運輸和吊裝階段為柱體提供臨時剛度、完整性與穩(wěn)定性。

梁部連接同樣經(jīng)過精心設(shè)計。每個預(yù)制梁端預(yù)埋H型鋼連接器，梁縱向鋼筋焊接于外側(cè)翼緣表面。裝配時，H型鋼腹板通過螺栓固定于格構(gòu)柱上的連接板，翼緣則焊接至貫通隔板。以格構(gòu)配置替代早期復(fù)合節(jié)點常用的實腹鋼構(gòu)件，大幅降低了鋼材用量。研究人員計算顯示，同等尺寸的實腹鋼管節(jié)點約需103.7公斤鋼材，而格構(gòu)試件僅需84.6公斤和79.8公斤，分別節(jié)省18.4%和23.0%。

為驗證概念，團隊制作了三個足尺外角節(jié)點試件：一個現(xiàn)澆參考試件和兩個僅在綴板寬度上不同的預(yù)制LSCC試件。柱截面尺寸為450毫米×350毫米，高3040毫米；梁截面為350毫米×250毫米，長1780毫米。所有試件均采用C30混凝土、Q355B鋼板和HRB400鋼筋，焊縫長度刻意超過規(guī)范Zui低要求以提升循環(huán)荷載下的可靠性。柱頂施加約1050千牛的恒定軸壓力，代表源自實際多層預(yù)制框架項目的真實設(shè)計軸壓比，雙液壓作動器按中國抗震測試標準對梁端執(zhí)行低周反復(fù)加載試驗。

表現(xiàn)差異顯著?，F(xiàn)澆試件在節(jié)點核心區(qū)出現(xiàn)密集斜裂縫，梁柱界面混凝土剝落，并因節(jié)點剪切破壞和鋼筋粘結(jié)滑移呈現(xiàn)捏縮型反S滯回曲線。相比之下，兩個LSCC試件節(jié)點核心區(qū)開裂極少，滯回環(huán)飽滿呈紡錘形，強度退化可忽略不計。損傷集中在距柱面約300至800毫米的梁跨范圍內(nèi)，而非節(jié)點本身。定量數(shù)據(jù)顯示，復(fù)合節(jié)點峰值荷載分別高出參考試件45.1%和43.1%，極限位移大56.6%和50.8%，極限狀態(tài)累計耗能高135.8%和115.6%。在梁端位移達70毫米時，其等效粘滯阻尼系數(shù)較現(xiàn)澆試件高出逾80%。

應(yīng)變測量與曲率分析揭示了優(yōu)異性能的機理。預(yù)埋H型鋼有效加強梁端，成功將塑性鉸（結(jié)構(gòu)設(shè)計中吸收地震能量的可控彎曲屈服區(qū)）從脆弱節(jié)點區(qū)轉(zhuǎn)移至梁跨。在現(xiàn)澆試件中，近節(jié)點段主導(dǎo)了彎曲變形，在大振幅下貢獻了高達89%的總位移。在復(fù)合節(jié)點中，位移超過30毫米后，外側(cè)梁段接管變形，單一段落即貢獻了代表性案例中54%的變形量。這種更均勻的曲率分布使更大體積的材料參與耗能，正是抗震設(shè)計師追求的目標。

團隊還在ABAQUS中建立了高精度有限元模型，采用混凝土損傷塑性模型和考慮粘結(jié)滑移效應(yīng)的鋼筋滯回本構(gòu)定律。仿真復(fù)現(xiàn)了觀測到的破壞模式與損傷演化過程，峰值荷載誤差低于7.1%，驗證了建模方法的有效性。隨后的參數(shù)研究探討了設(shè)計權(quán)衡。將格構(gòu)連接器厚度從10毫米減至8毫米（節(jié)省7.4%鋼材）幾乎不影響承載力，但降至4毫米會使峰值荷載下降13.8%。加長預(yù)埋H型鋼可穩(wěn)步提升容量，每增加75毫米長度帶來6.9至13.5千牛峰值荷載。將鋼筋升級為HRB500或HRB600分別使峰值承載力提高12.7%和24.9%，但較高強度鋼筋因塑性變形裕度較窄，峰值后強度退化略快。

作者指出，實驗結(jié)論基于每種配置僅單個試件，未經(jīng)重復(fù)測試，因此所述改進主要適用于已研究的尺寸、材料和加載條件。盡管如此，影響仍具相當規(guī)模。研究表明，合理的細部構(gòu)造（如縮小節(jié)點核心區(qū)的綴板寬度）可在結(jié)構(gòu)性能幾乎無損的情況下削減逾5%的鋼材消耗，且格構(gòu)連接器能同時解決多層預(yù)制柱的臨時穩(wěn)定性問題，并提供超越現(xiàn)澆施工的抗震表現(xiàn)。若后續(xù)測試能在更廣泛參數(shù)范圍內(nèi)確認這些趨勢，格構(gòu)式鋼混凝土組合節(jié)點有望成為全球抗震帶韌性、快速裝配建筑的優(yōu)選方案。