裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究

劉偉

【摘要】裝配式混凝土結(jié)構(gòu)屬于一種現(xiàn)代結(jié)構(gòu)，而我們旨在借此來攻克裝配式結(jié)構(gòu)抗震性薄弱的不足。它選取預(yù)應(yīng)力筋，并在節(jié)點(diǎn)處實(shí)施柔性連接，輔以阻尼器協(xié)同工作，能夠保障結(jié)構(gòu)于地震條件下具有適宜的抗震能力。在本文中，筆者首先對裝配式結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡析，然后研究結(jié)構(gòu)濕連接和干連接。

【關(guān)鍵詞】裝配式；混凝土；框架結(jié)構(gòu)；抗震性

裝配式結(jié)構(gòu)是以預(yù)制構(gòu)件作為主要受力構(gòu)件，并通過一定的裝配、連接手段，把預(yù)制構(gòu)件組成整體的結(jié)構(gòu)。由于預(yù)制構(gòu)件的機(jī)械化吊裝，與現(xiàn)場各專業(yè)的施工同步，施工速度快，施工周期短，有利于冬季施工；并且構(gòu)件預(yù)制生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，安全環(huán)保，有效降低工程造價(jià)，節(jié)約社會資源和能源，在施工過程中實(shí)現(xiàn)低能耗低排放，減少建筑垃圾對環(huán)境的不良影響，實(shí)現(xiàn)“四節(jié)一環(huán)”的發(fā)展要求，促進(jìn)我國建筑業(yè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

一、裝配式混凝土的結(jié)構(gòu)類型與要求

目前國內(nèi)外預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)主要分為三種結(jié)構(gòu)體系：預(yù)制裝配式框架、預(yù)制裝配式剪力墻、預(yù)制裝配式框架-現(xiàn)澆剪力墻。主要承受垂直負(fù)荷的所有構(gòu)件均可預(yù)制或預(yù)制和現(xiàn)澆結(jié)合。預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)可分為全預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)、部分預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)、多層剪力墻結(jié)構(gòu)或預(yù)制大板結(jié)構(gòu)。組合鋼筋混凝土框架通常由預(yù)制構(gòu)件、預(yù)制梁、預(yù)制板和非承重墻板組成。由于預(yù)制混凝土框架在地震中容易損壞，其應(yīng)用長期停滯不前，美國統(tǒng)一建筑規(guī)范允許在高強(qiáng)度地震地區(qū)使用預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)。其前提是，通過試驗(yàn)和分析，該結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度和剛度方面甚至超過了相應(yīng)的灌注混凝土結(jié)構(gòu)。因此，對裝配框架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的評價(jià)和地震機(jī)理的分析都與鑄造結(jié)構(gòu)相一致，并根據(jù)等效灌注結(jié)構(gòu)的要求，設(shè)計(jì)和構(gòu)造了承載構(gòu)件之間的接頭和關(guān)節(jié)接頭。結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)高度、抗震等級和抗震性能等相同的性能。設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)基本相同。

二、裝配式結(jié)構(gòu)簡析

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)具有高效性和快捷性，首先，將整體建筑各自拆開，實(shí)施模塊化設(shè)計(jì)，再在工廠中進(jìn)行基本構(gòu)件制作工作，隨后，運(yùn)送到施工現(xiàn)場，著手拼接與組裝，從整體層面而言，能夠把建造工序總結(jié)成設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和運(yùn)輸安裝。該結(jié)構(gòu)和現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相比，具有顯著的優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在下述幾點(diǎn)：其一，預(yù)制構(gòu)件工廠的實(shí)際生產(chǎn)條件和施工現(xiàn)場相比存在優(yōu)勢，具有良好的操作性，而這在本質(zhì)層面保障了綜合質(zhì)量；其二，施工現(xiàn)場不用開展大規(guī)模的作業(yè)活動(dòng)，有效縮短了工期，并控制了垃圾的產(chǎn)生，十分環(huán)保；其三，施工現(xiàn)場無需安排太多工人，便于管理，提升施工效率，控制施工成本；其四，在建造環(huán)節(jié)能夠達(dá)成生產(chǎn)自動(dòng)化與控制信息化。完成施工過程的綜合把控，有效調(diào)控施工進(jìn)度。

三、裝配式混凝土結(jié)構(gòu)整體抗震性能研究

（1）預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)體系已在國內(nèi)外應(yīng)用。由于預(yù)制板和其他構(gòu)件在地震中表現(xiàn)不佳，國內(nèi)學(xué)術(shù)界和工程界都對其地震安全性感到擔(dān)憂，同時(shí)也限制了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。因此，對結(jié)構(gòu)整體抗震性能的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析是提出合適的抗震設(shè)計(jì)方法和抗震結(jié)構(gòu)措施的必然過程。對于預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，許多學(xué)者在國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究。

（2）預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)體系的抗震性能可以等效于現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，一些性能指標(biāo)甚至可以通過合理的設(shè)計(jì)（主要是裝配節(jié)點(diǎn)的連接）超越現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。研究人員在循環(huán)荷載作用下對梁河柱的連接進(jìn)行了性能測試，并對6層預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)時(shí)間歷史分析。結(jié)構(gòu)的內(nèi)部框架承受豎向荷載，內(nèi)部剪力墻承受水平荷載，外窗框架具有承載和圍護(hù)雙重功能，抗震性能良好。在加州大學(xué)圣地亞哥分校的結(jié)構(gòu)測試室中結(jié)果表明，剪力墻的橫向位移可達(dá)217%，最大層間位移達(dá)到415%。對于結(jié)構(gòu)體系，只有當(dāng)層間位移大于3%時(shí)，結(jié)構(gòu)才會有輕微的損傷。因此，預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)也能表現(xiàn)出良好的抗震性能。研究表明，預(yù)制混凝土框架和剪力墻結(jié)構(gòu)體系可用于高強(qiáng)度地震區(qū)。

（3）進(jìn)一步研究和改進(jìn)預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)體系在震區(qū)的應(yīng)用，可以采取不同的措施，例如改善節(jié)點(diǎn)的連接方式，采用預(yù)應(yīng)力法增加能耗構(gòu)件?？蚣芄?jié)點(diǎn)采用預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)來提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，比較而言，框架結(jié)構(gòu)為預(yù)制框架系統(tǒng)，另一種為預(yù)制框架-墻系統(tǒng)。結(jié)果表明，框架方向的最大夾層位移為4.5%，但結(jié)構(gòu)沒有明顯的強(qiáng)度損失。在框架墻方向，最大夾層位移為1.8%，殘余變形為0.06%。測試后，只有墻、柱底部和少量地板出現(xiàn)輕微損壞；而相對常見的節(jié)點(diǎn)預(yù)應(yīng)力可以減少結(jié)構(gòu)的殘余變形，雖然預(yù)應(yīng)力關(guān)節(jié)的能耗小于普通澆注節(jié)點(diǎn)，強(qiáng)度損失，殘余變形和損傷程度明顯小于后者，表明該結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。

（4）為驗(yàn)證增加耗能部件的裝配結(jié)構(gòu)抗震性能，ELSA實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了預(yù)制混凝土框架擬動(dòng)力試驗(yàn)，部分節(jié)點(diǎn)在梁柱間加入橡膠墊后節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度較小，但具有很大的彈性變形能力，表明這類裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，最大層間位移可達(dá)到8%。由于橡膠墊變形能力較大，加入橡膠墊的節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)后可保持完好。

四、結(jié)語

總之，預(yù)制裝配混凝土結(jié)構(gòu)要求在整體抗震性能上達(dá)到現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)效果，為此需通過對預(yù)制構(gòu)件間的連接形式與連接性能進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

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