預制裝配式混凝土結構抗震性能研究綜述

馬雨漾

（珠海大橫琴城投建設有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

作為我國“十三五”階段重點發(fā)展的建筑結構體系，預制裝配式建筑結構一方面是建筑領域施工方式的一種關鍵轉變，另一方面，也是建筑領域實現供給側結構性改革、推動新型城鎮(zhèn)化發(fā)展提供促進力量的重要舉措。這種新型建造方式的落實不僅可以為質量安全水平的優(yōu)化、勞動生產效率的提升、施工污染的減輕、資源能源的節(jié)約等多方面內容提供幫助，同時還能夠為現代工業(yè)化發(fā)展目標和信息化發(fā)展目標在建筑領域的落實創(chuàng)造良好條件，做到過剩產能的有效化解和全新產業(yè)動能的培育，這是與當前創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享的發(fā)展理念相匹配的。因此大力預制裝配式結構將是建筑行業(yè)未來一段時期內的重點發(fā)展方向，國家、各省市和諸多企業(yè)已投入大量資源研發(fā)裝配式結構體系，并出臺了一系列的規(guī)范條文，為其發(fā)展提供了保障與依據。

但國內外例次震害表明預制裝配式建筑的抗震性能與整體性較差，極大地危害了人民群眾的生命財產安全。各國學者對預制裝配式結構研究的重點均放在了如何提高其抗震性能與整體性。

由于預制裝配式混凝土結構是裝配式結構中應用最為廣泛的一種結構體系，同時在歷次震害中破壞較為嚴重。基于此，本文主要將研究預制裝配式混凝土剪力墻結構抗震性能和混凝土框架結構的相應成果作為分析對象，對于我國預制裝配式結構的發(fā)展而言大有裨益。

1 裝配式建筑概述

縱觀世界建筑領域的發(fā)展，裝配式建筑最早起源于歐洲地區(qū)，在20 世紀40 年代中期，彼時正值第二次世界大戰(zhàn)結束，大量的建筑房屋由于破壞嚴重急需重建，裝配式建筑才真正進入了大發(fā)展時期，并在不斷發(fā)展的過程中傳播到了日本、加拿大以及美國等國家。

裝配式結構通常涉及3 種類型：①裝配式木結構。在這類結構中，所使用的構件基本為木制結構，需要事先在工廠中完成各種標準或非標準組件的生產，并運輸至施工現場進行裝配，由此完成建造。②裝配式鋼結構。這類結構中的組件基本為鋼制，存在著多種類型，例如交錯桁架結構、鋼框架—支撐結構以及鋼框架結構等。③裝配式混凝土結構。這類結構通常是事先在工廠中借助可靠的連接方式，將預制混凝土構件進行緊固連接，在運輸到現場之后與濕連接形式的水泥基灌漿料或者是后澆混凝土共同組成整體的裝配式混凝土結構。從類型的角度出發(fā)，裝配式混凝土結構可細分為全裝配式混凝土結構、裝配整體式混凝土結構。

黨的十八大指明了當時國家發(fā)展的一個重點方向，即需要堅定不移地走“新型工業(yè)化道路”，同時要求建筑領域需要貫徹落實“強力推進建筑工業(yè)化”的發(fā)展目標，而大力發(fā)展預制裝配式建筑則是“建筑工業(yè)化”的必然要求。大力發(fā)展預制裝配式結構是我國建筑行業(yè)目前正在進行的一次符合國計民生的經濟發(fā)展的轉型升級與產業(yè)結構的優(yōu)化，在產、學、研各個領域內正如火如荼地進行著[1]。

2 預制裝配式混凝土框架結構

在預制裝配式建筑結構方興未艾之際，普通裝配整體式混凝土框架結構由于存在二次現澆區(qū)而導致結構抗震性能差的問題，已成為其全面發(fā)展與應用的桎梏?；诖?，無論是我國還是國外的研究人員，均針對預制裝配式混凝土節(jié)點這項內容進行了較深層次的研究。對于裝配式結構而言，連接節(jié)點是其中的薄弱部分，針對這項內容所展開的高水平研究是裝配式結構抗震研究的關鍵所在，同時也是研究裝配式結構整體抗震的重要基礎和必要前提[2]。

2.1 國外研究現狀

在對前人研究預制裝配式混凝土結構抗震性能的成果進行分析時，可以確定的是，1990 年美國與日本兩國協(xié)同進行的科研項目PRESS 扮演著關鍵角色，對這項內容進行了理論與試驗的并重研究。

根據力學特性，在這次協(xié)同科研項目之中，預制混凝土框架結構的連接形式被細分成了若干個不同的類型，包括庫侖摩擦連接（CF）、剪切屈服連接（SY）、拉-壓屈服連接（TCY）、線彈性連接（LE）以及非線性彈性連接（NLE）等等。

1994 年，國外學者研發(fā)出一種預埋于梁柱核心節(jié)點區(qū)的延性裝置，利用該裝置中的高延性合金桿來提升預制裝配式結構的延性，同時在地震中可作為保護裝置，先于其他構件破壞，從而減輕結構損傷。

國外學者針對預應力裝配式框架節(jié)點耗能能力不足的問題，研發(fā)出了一種摩擦阻尼器，該設備是專門于預應力框架節(jié)點處安裝的，并進行了系統(tǒng)的理論與試驗研究，而后又有外國學者對不同種摩擦阻尼器加在預應力裝配式梁柱節(jié)點的不同位置的受理性能進行了理論分析。

2008 年，國外學者利用鉛延性好的特點，研發(fā)出一種預埋于預制裝配式結構梁柱核心節(jié)點區(qū)的保護裝置———HF2V 阻尼器，并對其展開了深入研究。

2.2 國內研究現狀

我國開始對裝配式混凝土框架結構連接節(jié)點展開研究可以追溯到20 世紀70 年代，我國成立了齒槽接頭專題研究組，并給出了齒槽接頭的設計與施工建議，齒槽接頭就是目前我國普遍采用的節(jié)點區(qū)后澆連接前身（濕連接）。后來同濟大學學者用在進行齒槽節(jié)點后澆混凝土材料的選取時，選擇鋼纖維混凝土充當。其在進行相關試驗之后得出結果：使用這種方式能夠促使節(jié)點承載能力顯著提升，同時還能夠將結構整體剛度進行充分提升，并大幅縮減裂縫寬度。

延性節(jié)點是干連接之中的一種關鍵節(jié)點，常見的干連接形式為全裝配式連接。這種節(jié)點能夠有效保護預制構件的穩(wěn)定性，如果建筑物所處區(qū)域出現了地震災害，在該節(jié)點的作用下，能夠在不損壞預制構件的前提下，出現一定程度的側向位移，從而大幅減弱地震生成的能量。不僅如此，在設計時也不需要為預制構件進行嚴格的延性設計。如果此類構件優(yōu)化到一定水準，在經歷地震災害之后還可以直接進行構件的更換，改變了以往現澆施工模式下結構損壞修復周期長的局面。1988 年，同濟大學的學者針對全裝配式混凝土框架進行了3 種延性節(jié)點機制試件的試驗，包括非線彈性反應節(jié)點、摩擦滑移節(jié)點以及拉—壓屈服節(jié)點。在此次試驗中，每一種節(jié)點均存在4 個試件，在試驗過程中，每一個試件的位移成都軍與相應的設計標準相符合，這也表明設計延性節(jié)點的思路具備相應的可行性。

東南大學與萬科企業(yè)股份有限公司改進并優(yōu)化了過去裝配整體式鋼筋混凝土框架柱結構中使用的榫式接頭使用鋼管混凝土榫頭替代了原有榫頭，同時使用滾軋直螺紋套筒進行連接，摒棄了以往的焊接形式。通過相關試驗可以證實，此類榫式柱有著較為可靠的受力性能，在實際施工時的復雜程度較低，在工程項目中有著較好的適用性。又針對某多層住宅試點工程進行了裝配整體式足尺中柱帶疊合樓板的框架節(jié)點的試驗研究，實驗結果證實上述連接方式有著良好的可靠性。

大連理工大學將鋼骨混凝土構件引入預制裝配式結構中，進行了一次試驗，試驗內容為對比現澆混凝土框架節(jié)點和兩個軸壓比存在差異的預制裝配式鋼骨混凝土框架節(jié)點性能，就試驗結果來看，相較于現澆式節(jié)點而言，后者的耗能能力、延展性能、塑性變形性能以及承載能力均更優(yōu)。

中國建筑第七工程局有限公司與重慶大學土木工程學院展開了協(xié)作，共同提出了鋼接頭連接節(jié)點，這是一種新型裝配式梁柱組合節(jié)點構造方式，能夠與其他部分共同組成新型裝配式勁性框撐結構體系，并與套筒連接方式進行了一系列擬靜力的對比試驗，同時對新型裝配式結構體系進行了振動試驗，取得了一系列有意義的結論與成果。

預埋型鋼的裝配式混凝土節(jié)點是另一類濕連接節(jié)點，中國二十冶集團公司研發(fā)了將3 種型鋼（工字鋼、組合角鋼、雙腹板工字鋼）植入混凝土梁端的、以螺栓作為連接方式的、預制裝配式混凝土結構新型梁柱節(jié)點，并對這種節(jié)點展開了相應的試驗，試驗結果證實節(jié)點性能并未受到較大的來源于連接方式的影響，同時，相較于標準現澆節(jié)點而言，預制裝配式型鋼節(jié)點耗能系數和延性更優(yōu)。

同濟大學提出了一種新型預制混凝土框架節(jié)點，該新型節(jié)點不同之處在于開發(fā)出一種與普通預制柱之間的套筒灌漿或漿錨連接不同的通過預埋的新型螺栓系統(tǒng)進行連接，并進行了0.8 高軸壓比的梁-柱-疊合板的試驗研究，試驗結果表明現澆式結構中的節(jié)點與這種新型節(jié)點的承載能力大致相同，但其自身延性要遜色于現澆節(jié)點。

消能減震技術是近年來發(fā)展起來的一種新型結構地震保護技術，被廣泛的應用在各類工程結構中。廣州大學開發(fā)了裝配式結構連接技術的嶄新思路，即在進行預制構件連接時，使用消能減震裝置作為連接器件，同時借助兩種金屬阻尼器作為連接預制柱構件和預制梁構件的節(jié)點，在進行試驗之后發(fā)現，此類新型節(jié)點的抗震能力要顯著優(yōu)于“等同現澆”的混凝土框架節(jié)點，不僅施工效率高，而且震后損傷集中在金屬阻尼器，預制梁、柱構件基本保持彈性，且震后很方便拆卸。

3 預制裝配式混凝土剪力墻結構

部分預制剪力墻結構和全預制剪力墻結構是預制裝配式剪力墻結構的兩種類型，并在多項工程中實現了應用。

3.1 國外研究現狀

國外學者通過試驗的形式研究了若干種使用差異化連接手段的剪力墻結構：①RS，這種連接形式是在套筒中放入鋼筋，在此之后將高強度、無收縮的砂漿灌注到套筒之中，在美國和日本較為常見。②RSU 縱筋連接方式，這種方法和RS 存在著相同之處，將一段鋼筋與混凝土無黏結的范圍在錨固區(qū)域上方進行了建造。③RSK。這種連接方式在進行垂直方向鋼筋的連接時，使用的方法與RS 相同，在進行水平方向的連接時，進行了鍵槽的添加，從而確保結構的抗剪性能。④平連接處制作了5 個鍵槽以保證抗剪設置；RT。在鋼管中放入使用螺栓連接的鋼筋。⑤RW。這種連接方式是在預制墻體中預留的角鋼位置處進行豎向鋼筋的焊接并將混凝土材料灌注到孔洞和接縫中，在加拿大較為常見。通過此次試驗結果發(fā)現，這幾種連接方式的限位移角均可以超過1/100，并且其變形性能、耗能能力、延展性能、剛度以及強度均與能夠滿足理想需求[3]。

3.2 國內研究現狀

國內學者深入分析并探索了全裝配式剪力墻結構墻板節(jié)點這項內容，為板結構橫隔作用有效發(fā)揮提供保障即為剪力墻與板節(jié)點的可靠性的體現。國內學者基于已完成試驗的前提，與有限元方法進行了有機結合，對能夠對結構抗震能力產生影響的若干項參數進行了研究，牽扯到連接鋼筋的長度、數量、直徑以及強度等，同時還涉及板受力縱筋配筋率與剪力墻軸壓比，最這些內容展開了全方位的對比和分析，研究結果表明，板抗彎能力與配置連接鋼筋的具體情況二者之間的協(xié)調作用是直接影響全預制裝配整體式剪力墻結構墻板節(jié)點的抗震能力的關鍵所在[4]。

東南大學同樣以試驗的形式，針對預制裝配式剪力墻結構的節(jié)點抗震性能展開了研究，分析試驗結果之后可得：與現澆試件相比，預制裝配試件的抗震性能與之不相上下，在與ANSYS 理論進行有機結合之后，同時對有限元的有限性進行充分考慮，根據實測結果和有限元分析結果的情況來看，二者有著較高的契合性，能夠在對抗震性能進行評價的場景中有效應用，此外，該團隊在對節(jié)點連接位置的鋼筋構造進行探討時，還以有限元模型作為相應的基礎[5]。

4 結論與展望

預制裝配式混凝土結構具有許多現澆混凝土結構所不具有的優(yōu)勢，如施工效率高、構件質量好等。這些優(yōu)勢又恰恰符合我國對于可持續(xù)發(fā)展的要求，因此大力發(fā)展預制裝配式結構有著不可推脫的責任。針對預制裝配式結構所展開的抗震性能研究深度和廣度依舊需要進一步延伸，對于裝配式節(jié)點抗震性能的研究，以及對于裝配式整體結構的抗震性能的研究，是其抗震性能研究的兩個主要方向。同時，應開闊思路，尋找提高預制裝配式結構抗震性能的其他有效方法。本文希望可以為相關工作者打開思路，以期共同為預制裝配式結構的發(fā)展提供參考。