裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的效益評價及其抗震性能研究綜述

【摘 要】以實現(xiàn)建筑工業(yè)化為切入點，引用國外的成功案例介紹了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟優(yōu)勢和環(huán)境效益，并總結(jié)了國外裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)各類節(jié)點抗震性能的研究情況。分析了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)研究中存在的問題，并相應(yīng)地提出了未來的研究及發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】裝配式混凝土結(jié)構(gòu)；效益評價；框架節(jié)點；抗震性能

一、引言

隨著經(jīng)濟、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國建筑業(yè)將面對巨大的、持續(xù)需求和開放的建筑市場。而建筑業(yè)迎接挑戰(zhàn)、抓住機遇的關(guān)鍵是實現(xiàn)建筑工業(yè)化。

目前國內(nèi)的多、高層建筑大多采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。由于大量的手工勞動，無疑這不可能進行完全的工業(yè)化生產(chǎn)。此外，現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)還存在著工期長、成本難控制、工程質(zhì)量難保證等缺陷。

相對而言，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，工廠化的加工、現(xiàn)場的拼裝使得現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的缺陷迎刃而解，更重要的是能輕易實現(xiàn)建筑工業(yè)化的四大基本內(nèi)容： 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、構(gòu)件工廠化、施工機械化、組織管理科學(xué)化。在國外，已有不少裝配式混凝土結(jié)構(gòu)成功案例，且有完整的規(guī)范體系支持，如美國和加拿大PCI組織完成的PC技術(shù)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

因此，筆者認為我們不能因為已有的裝配式結(jié)構(gòu)的缺陷，就全盤否定其前景。本文將通過引用國外成功的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)案例和先進的裝配式框架結(jié)構(gòu)節(jié)點，對裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的效益評價和抗震性能進行探討及論證。

二、裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的效益評價

2.1裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟優(yōu)勢

2.1.1工廠化生產(chǎn)的混凝土預(yù)制產(chǎn)品，具有自然的經(jīng)濟優(yōu)勢

相對傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土工藝而言，工廠化生產(chǎn)勞動效率高，生產(chǎn)環(huán)境穩(wěn)定。由于構(gòu)件的定型化和標(biāo)準(zhǔn)化，預(yù)制構(gòu)件比用其他施工方法生產(chǎn)的等效構(gòu)件可節(jié)省較多的材料和人工，且產(chǎn)品按既定標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格檢驗出廠，質(zhì)量保證率高。

位于美國夏威夷檀香山的阿拉莫那旅館，是一座33層的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土建筑，其樓板的整體厚度為152mm，包括89mm厚的預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土底板和63mm厚的現(xiàn)澆疊合面層。若采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，按照樓面荷載和跨度計算，一般樓板的厚度要達到229mm。由于該建筑總體采用裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，僅樓板節(jié)約的混凝土體量就達到標(biāo)準(zhǔn)層樓板面積乘以2540mm厚。樓板材料的節(jié)約減輕了結(jié)構(gòu)自重，不僅節(jié)約了柱、梁、抗震墻和基礎(chǔ)支撐體系的費用，而且根據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)范對建筑總高度的限制，樓板節(jié)省下來的厚度累計起來可以多蓋一層樓，使得該建筑由原設(shè)計的32層增加到33層，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟效益顯而易見。

2.1.2 節(jié)省人工、材料，投資回收周期短

工廠化的加工，可以利用先進的現(xiàn)代技術(shù)，進行全自動化生產(chǎn)和計算機管理?，F(xiàn)場拼裝也只需要較少的熟練工人。國外一些工程實例表明，采用預(yù)應(yīng)力疊合樓板替代常規(guī)全現(xiàn)澆樓板，可以節(jié)約28%的混凝土和45%的鋼筋。同樣地，用預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土梁可以比常規(guī)現(xiàn)澆混凝土梁節(jié)約60%的混凝土和65%的鋼筋。除節(jié)約材料外，還大大節(jié)約了模板。

此外，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)省去了現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的支模、拆模和混凝土養(yǎng)護等時間，工期大大縮短，從而減少了整體成本投入，使項目及早發(fā)揮經(jīng)濟效益。澳大利亞悉尼有一棟13層的樓房，上部結(jié)構(gòu)均采用裝配式混凝土構(gòu)件，梁柱接頭采用的是預(yù)埋件焊接方法，柱與柱接頭采用預(yù)應(yīng)力鋼筋連接，采用預(yù)制的樓板、墻板和樁基礎(chǔ)，僅承臺和基礎(chǔ)用現(xiàn)澆混凝土施工，其全部施工工期僅用了三個月。

三、裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點的抗震性能

按照美國NEHRP 2000規(guī)范，預(yù)制混凝土框架連接可以分為等效現(xiàn)澆連接和裝配式連接。等效現(xiàn)澆連接要求達到或超過現(xiàn)澆混凝土連接的抗震性能，而裝配式連接和現(xiàn)澆混凝土連接力學(xué)性能不同，NEHRP另行給出抗震規(guī)定。常用的等效現(xiàn)澆節(jié)點有后澆整體式和預(yù)應(yīng)力拼接式，常用的裝配式節(jié)點有焊接節(jié)點和螺栓連接節(jié)點。

3.1等效現(xiàn)澆節(jié)點

3.1.1后澆整體式節(jié)點

1995年，新西蘭的Restrepo等人對后澆整體式節(jié)點進行了反復(fù)加載試驗研究。這些節(jié)點試件分別采用了預(yù)制構(gòu)件端部伸出直筋和帶彎鉤鋼筋在節(jié)點區(qū)搭接的構(gòu)造。結(jié)果表明：節(jié)點的具體構(gòu)造差異對于試件整體的試驗反應(yīng)影響不大；這些試件在強度、耗能和延性等方面均表現(xiàn)良好，層間側(cè)移都達到2.4%以上，位移延性系數(shù)都達到6及以上（現(xiàn)澆節(jié)點位移延性系數(shù)為6）；該后澆整體式節(jié)點的抗震性能等同或超過現(xiàn)澆節(jié)點。

3.1.2預(yù)應(yīng)力筋拼接節(jié)點

1990年，美國和日本合作開展了一項預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)抗震研究項目PRESSS，其中加利福尼亞大學(xué)Preistley等人對預(yù)應(yīng)力筋拼接節(jié)點進行了理論研究，并對8個無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力梁柱節(jié)點進行了低周反復(fù)加載試驗。Preistley指出由于預(yù)應(yīng)力筋在節(jié)點內(nèi)和節(jié)點兩邊一定范圍內(nèi)不與混凝土發(fā)生粘結(jié)，所以在節(jié)點產(chǎn)生較大變形情況下預(yù)應(yīng)力筋仍可保持彈性。這種節(jié)點在大變形后強度、剛度的衰減和殘余變形都較小，節(jié)點復(fù)原能力強；同時，由于預(yù)應(yīng)力的約束作用，對節(jié)點區(qū)抗剪有利，可以減少節(jié)點區(qū)箍筋用量。這些理論也在試驗結(jié)果中得到了驗證，節(jié)點最大層間變形2.8%～4%，殘余變形約為最大層間變形的2.2%，大變形時節(jié)點也只是輕微損壞；但預(yù)應(yīng)力筋拼接節(jié)點的耗能性能不如現(xiàn)澆混凝土節(jié)點強。

1993年，Cheok等人進行了預(yù)應(yīng)力拼接節(jié)點和現(xiàn)澆節(jié)點的反復(fù)加載對比試驗研究。其中預(yù)應(yīng)力拼接節(jié)點的試驗參數(shù)變化包括有預(yù)應(yīng)力筋位置（如圖1所示）、預(yù)應(yīng)力筋種類、粘結(jié)與否等因素。結(jié)果表明：預(yù)應(yīng)力拼接節(jié)點的破壞特征為預(yù)應(yīng)力筋受拉屈服、梁端混凝土壓碎和梁柱界面處開裂，裂縫寬度受預(yù)應(yīng)力筋位置影響較大，節(jié)點達到破壞時累計耗能大約相當(dāng)于現(xiàn)澆節(jié)點80%；預(yù)應(yīng)力節(jié)點的位移延性系數(shù)均超過對應(yīng)的現(xiàn)澆節(jié)點；有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力節(jié)點耗能優(yōu)于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力節(jié)點。

圖1 梁截面預(yù)應(yīng)力筋位置圖

3.2 裝配式連接節(jié)點

3.2.1 焊接節(jié)點

1993年，土耳其的Ersoy等人進行了焊接節(jié)點和現(xiàn)澆節(jié)點的對比試驗研究。焊接節(jié)點采用頂板、底板和側(cè)板進行焊接連接，位置如圖2所示。結(jié)果表明：焊接節(jié)點的強度、剛度、耗能能力均與現(xiàn)澆節(jié)點相當(dāng)；連接側(cè)板對于加強節(jié)點承載力及減小節(jié)點變形起到了重要作用；焊接節(jié)點的寬度是重要的考量因素，尤其在承受反向反復(fù)彎矩情況下，因此在實際工程建造中需要認真考慮其限值。

圖2 焊接節(jié)點試驗試件示意圖

3.2.2 螺栓連接節(jié)點

2006年，土耳其的Ertas等人對5個梁柱節(jié)點進行了反復(fù)加載試驗研究。這5個梁柱節(jié)點包括有1個現(xiàn)澆節(jié)點、2個后澆位置不同的整體式節(jié)點、1個帶牛腿的焊接節(jié)點和1個螺栓連接節(jié)點。試驗結(jié)果表明：這些裝配式混凝土節(jié)點均達到了與現(xiàn)澆節(jié)點相當(dāng)?shù)膹姸群秃哪苣芰Γ☉?yīng)力—應(yīng)變滯回曲線如圖3、圖4所示），可以用于抗震地區(qū)；除了焊接節(jié)點外，其它節(jié)點均達到了3.5%的層間位移，具有足夠延性；螺栓連接節(jié)點在強度、延性、耗能和施工方便等方面比起其它裝配式節(jié)點均有更好的表現(xiàn)，但需要采取相應(yīng)的構(gòu)造措施避免鋼連接件與混凝土的相對滑動，如在其表面焊肋。

圖3 現(xiàn)澆節(jié)點應(yīng)力—應(yīng)變滯回曲線

圖4 螺栓連接節(jié)點應(yīng)力—應(yīng)變滯回曲線

四、結(jié)束語

1.發(fā)展裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)建筑工業(yè)化的必要條件。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)具有節(jié)省人工和材料、建造效率高等特點，經(jīng)濟優(yōu)勢顯而易見。

2.裝配式節(jié)點的力學(xué)和抗震性能與其具體構(gòu)造相關(guān)，學(xué)者對這類節(jié)點研究較少。總體上，裝配式節(jié)點的強度、延性和耗能等方面均可達到現(xiàn)澆節(jié)點水平。具體構(gòu)造上，焊接節(jié)點需要注意連接側(cè)板和節(jié)點的寬度，而螺栓連接節(jié)點需要避免混凝土與鋼連接件的相對滑移。此外，螺栓連接節(jié)點在施工方便方面占據(jù)更大優(yōu)勢。

3.裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能研究多集中于節(jié)點本身的抗震性能，而對結(jié)構(gòu)整體抗震性能和利用隔震、減震控制技術(shù)提高抗震性能的研究較少。未來研究方向應(yīng)以較為成熟的節(jié)點為基礎(chǔ)，進一步探究結(jié)構(gòu)整體抗震性能及相應(yīng)的隔震、減震控制技術(shù)。

參考文獻：

[1] Yee A A.預(yù)制混凝土技術(shù)的社會和環(huán)境效益[J].建筑結(jié)構(gòu).2004年1月

[2] Yee A A.預(yù)制與預(yù)應(yīng)力混凝土的結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟效益[J].建筑結(jié)構(gòu).2002年6月

[3] 王子明，黃顯智，裴學(xué)東.混凝土材料完全循環(huán)利用的探究[J].建筑材料學(xué)報.2006年4月

[4] Resreepo， Jose I， Robert Park，et al. Design of Connections of Earthquake Resisting Precast Reinforced Concrete Perimeter Frames[J]. PCI Journal

[5] Cheok， Geraldine S， Lew H S. Performance of Precast Concrete Beam-to-Column Connections Subject to Cyclic Loading[J]. PCI Journal

[6] Ersoy， Ugur， Tugrul Tankut. Precast Concrete Members With Welded Plate Connections Under Reversed Cyclic Loading[J]. PCI Journal