預制裝配混凝土框架結構抗震特性分析

劉曉峰

摘 要：裝配式框架結構抗震耗能力相比于現(xiàn)澆式框架結構差，在已發(fā)生的地震該類型結構均存在一定程度的破壞，甚至倒塌，給社會帶來了較大的損失及災難。因此，對預制框架結構抗震性能的特性展開深入分析研究己經(jīng)刻不容緩。文章主要從裝配式混凝土的結構類型與要求出發(fā)，以世構體系框架結構為研究切入點，對該類型結構的抗震特性進行了深入分析，為提高預制裝配混凝土框架結構抗震性能提供了一定的參考價值。

關鍵詞：預制裝配；混凝土；框架結構；抗震特性

中圖分類號：TU352.11 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）14-0146-03

由于預應力裝配式框架結構前期在抗震及預制構件質(zhì)量上研究不夠深入，實際應用上存在一定的問題，這也導致在一段時間對裝配式混凝土結構的持續(xù)發(fā)展造成了一定的影響。最近幾年，伴隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展以及節(jié)能環(huán)保要求的不斷提升，國內(nèi)裝配式結構相關的研究以及實際應用均取得了全面進展，很多研究工作者和研究單位均在該領域進行了大量的理論及試驗研究，并出現(xiàn)了一大批標桿工程。本文主要從裝配式混凝土的結構類型與要求出發(fā)，以世構體系框架結構為研究切入點，對該類型結構的抗震特性進行了深入分析。

1 裝配式混凝土的結構類型與要求

就目前國內(nèi)而言，國內(nèi)外預制裝配式混凝土結構可以分為三類結構，即預制裝配式框架、預制裝配式剪力墻、預制裝配式框架-現(xiàn)澆剪力墻三類結構。承受豎向荷載的主要構件均可全部要求現(xiàn)澆、預制或預制與現(xiàn)澆結合。

裝配式框架結構通常由預制柱、預制梁、預制樓板以及非承重墻板組成。因為預制混凝土框架容易在震區(qū)遭受破壞，因此，其在震區(qū)的應用在很長一段時間內(nèi)均止步不前，但是，美國統(tǒng)一建筑規(guī)范許可在高烈度地震區(qū)應用預制混凝土結構，這也從側面表明裝配式框架結構在剛度、強度等方面經(jīng)試驗和分析證明強于現(xiàn)澆混凝土結構。所以，評價裝配框架結構體系或者分析該結構的抗震機理時往往一致于現(xiàn)澆結構，而承重構件之間的節(jié)點，拼縫連接設計和施工均與現(xiàn)澆結構要求相同，所形成的結構體系在性能上應等同于現(xiàn)澆結構，同時具備基本一致的適用高度、抗震等級。

2 裝配式混凝土的結構形式及其特點

在裝配式混凝土的結構形式中，其中世構體系技術是一項最典型的技術，它是我國從國外引進混凝土裝配整體式框架結構的一種全新的體系，該體系為整澆節(jié)點的一次受力疊合框架，包括預制混凝土柱、預制預應力混凝土疊合梁、板等預制構件。

世構體系內(nèi)的預制柱、預制預應力梁、板的生產(chǎn)一般會在合作預制廠內(nèi)依照圖紙施工，施工完畢后將形成各類構件的拆解設計圖紙，然后完成構件模具的設計，并對預制構件鋼筋籠進行加工，試配混凝土，確定各個預制構件分項工程的預制順序后，最終生產(chǎn)出符合設計要求的預制構件。這種裝配式結構形式引入國內(nèi)后，被廣泛地應用于大賣場、住宅等多類建筑施工過程中。

世構體系之所以特殊，是由于其節(jié)點構造較為特殊。世構體系的結構主要由U形鋼筋、鍵槽、和現(xiàn)澆混凝土這三部分節(jié)點組成。U形鋼筋在鍵槽里面和預應力鋼絞線相互搭接鏈接，U形鋼筋對節(jié)點的抗震性能有直接的影響，因此，必須重視起設計及施工過程。因為該體系結構不是全預制，構件需要現(xiàn)場澆筑，所以，世構體系屬于強連接類型的一種。世構體系的結構形式，如圖1和圖2所示。

世構體系不僅具有工期短、經(jīng)濟相對實惠、施工速度快等諸多優(yōu)點，而且先張預應力技術在該體系中得到了很好的運用，從而使構件截面得到了大面積的減小，這樣使結構本事重量得到減輕的同時，而且使工程造價得到了很多程度的控制和節(jié)省。

在施工方面，該體系使用鋼材的量也相對較低，而且施工形式也簡單快捷。

3 裝配式混凝土的框架結構抗震能力分析

為了能全面深入的熟悉和掌握世構體系整體框架結構對抗震性能的影響程度，我們通過實驗設計了一個三層兩跨的平面框架結構形式，通過反復的觀察實驗，然后通過計算機程序?qū)o力塑性進行分析研究。

3.1 裝配式混凝土的框架結構算例

假定實驗模型為完全剛性的裝配式混凝土框架節(jié)點，是按照現(xiàn)澆結構相同的方式建立的；現(xiàn)取上下層結構中柱長度的一半即H0/2的反彎點位置和混凝土框架結構邊框處的梁長的三分之一即L0/3為切入點，按1：3縮尺比例進行實設計，一共為三個節(jié)點，分別為一個現(xiàn)澆節(jié)點和兩個預制節(jié)點。實驗算例模型的結構示意圖和梁、柱、板的截面及其配筋情況，如圖3所示。

3.2 建立合適的計算模型

為了能更加清楚的分析裝配式混凝土的框架結構的性能，我們必須建立起一個簡捷且高效適用的計算模型，文章的計算模型將是通過梁柱中含塑性鉸的單元和纖維截面對多個部位進行模擬的：

①梁柱中含塑性鉸的單元：此部分主要由位于中心位置的線彈性和分列于兩旁的塑性鉸區(qū)部分組成。塑性鉸區(qū)往往是集中出現(xiàn)單元塑性的部位。我們通常采用自定義截面的方式來定義出塑性鉸區(qū)，這里我們所講的塑性鉸區(qū)采用的是下面纖維截面。至于框架梁的部分，因為該單元中最薄弱的部位為鍵槽，因此鍵槽部位的長度和塑性鉸區(qū)的長度定義一致；至于框架柱的部分，我們選取的是彎矩作用方向柱所在的截面尺寸的一半即0.5 h的位置（彎矩作用方向柱所在的截面尺寸為h）。

②纖維截面部分：纖維截面主要組成部分為通用形狀且簡單方便的片（path），例如三角形、圓形和四邊形等等。另外，截面里面的配筋情況截面可以根據(jù)使用層（Layer）來確定。然后根據(jù)精度的要求不同，把片繼續(xù)細分成單獨個體的纖維。提供約束作用箍筋將受壓強度的核心區(qū)混凝土截面與根據(jù)屬性各異的材料的提升極限應變歸類到纖維。在進行計算纖維截面的過程中，軸向力和截面彎矩的互相約束都包含在其中。纖維截面的部位圖，如圖4所示。

3.3 應變關系模型的建立

我們在研究裝配式混凝土的框架結構時，應該建立起合適應變關系模型，使用理想彈塑性的應變—應力關系模型的為非預應力筋，而我們實驗組長期進行實驗分析的對數(shù)模型為預應力筋，如圖5所示。

我們把park模型引入到混凝土的本構關系來研究使用，如圖6所示。在實驗中所使用的理想狀態(tài)為：假定平截面和截面應變是一致相符的；受拉區(qū)的拉應力對混凝土的影響忽略不計；混凝土中徐變、收縮和剪切變形的影響都不加考慮。

3.4 框架結構中的靜力彈塑性分析

在我們研究框架結構的抗震性能評估所建立的模型中，由于建立模型的層數(shù)僅僅為三層，且結構形狀也只是為兩跨的平面框架結構形式，剛度和質(zhì)量的分布方面也是比較平均的，因此高階振型的影響可以不在考慮之列，對結構推覆實驗中，使用的是倒三角分布的側向荷載，而且在整個過程中，都假定在理想狀態(tài)下進行的，在整個加載過程中側向力都不發(fā)生任何變化。

建好模型后，首先在結構上施加的是豎向重力荷載，其次對框架結構進行的彈塑性靜力（pushover）分析需要施加的是水平荷載。位移控制一直要保持在加載的過程中使用，頂層的中柱頂節(jié)點為主要的控制節(jié)點，0.001m為常見的加載步長；直到有0.25m的頂點位移或者有0.02m的樓層位移角時，該實驗分析結束。然后結構的基底剪力—目標點位移關系曲線在本實驗中可以得到確認，如圖7所示。

從關系曲線圖中表明，當框架結構在較小的荷載時，結構基底剪力一目標點位移曲線表現(xiàn)出的是線性變化；當荷載漸漸增加時，表現(xiàn)出顯著降低的是結構的剛度，基底剪力一目標點位移曲線圖也隨之變得緩慢。

從實驗曲線圖可知，導致剛度下降的原因主要包括兩大因素：

其一是塑性鉸出現(xiàn)在構件的兩端，并塑性鉸在梁端不斷的加大，鋼筋屈服量也不斷的提高，且結構剛度會越來越低，此時結構基底剪力一目標點之間所形成的位移曲線變化量越來越較少。

其二裂縫在梁柱混凝土中出現(xiàn)，大大降低了結構的剛度；不過，雖然屈服后的鋼筋，其剛度小變?nèi)趿?，但一定的彎矩增量在其截面還是能承受的，因此增加適量的水平力也是可以承擔的。而框架柱塑性鉸在底層發(fā)生時，負剛度在結構中漸漸表現(xiàn)出來?？蚣芩苄糟q前后順序及出現(xiàn)的位置圖，如圖8所示。

根據(jù)能量守恒原理，可以得出最大頂點位移在罕遇地震下的最大偏移量為0.105 m。目標位移與結構頂點的位移相互重合時，此時塑性鉸在梁端出現(xiàn)，而柱端的塑性鉸還未展現(xiàn)出來，則恰好達到了設計目的。當然，當最大頂點位移出現(xiàn)時，很小的塑性轉角也會在柱端、梁端出現(xiàn)，但是通過對梁端加密箍筋的方式，可以很好的達到轉角延性的要求。從圖7可以看出，該結構為梁端耗能方式。可以看出，預制預應力混凝土裝配整體式框架結構在通過科學合理的設計和施工后，抗震性能能達到滿意的標準，可以很好地滿足抗震設防的要求。

4 結 語

本文通過深入分析和研究一種預制預應力混凝土裝配整體式框架結構體系，并對涉及到得節(jié)點抗震性能進行詳細地實驗研究，得出了以下結論：

①經(jīng)低周重復荷載作用，該結構不僅在實驗中得到了未被地震破壞的驗證，而且有利于新工藝、新材料、新技術在建筑行業(yè)中的大力發(fā)展，更有利于城市的環(huán)境保護。

②決定節(jié)點延性能力的關鍵是連接節(jié)點的構造方式，同時是對結構抗震性能有著最關鍵的影響。

③結構構件的內(nèi)力響應顯著減小，能有效的避免預制構件在地震中的嚴重破壞，減少了結構對地震破壞的影響。

④預制預應力混凝土裝配整體式框架結構經(jīng)合理設計后，抗震性能較佳，基本可以滿足抗震設防所必須的要求。

參考文獻：

[1] 丁紅巖，馬耀邦，張浦陽.預制混凝土管柱柱腳節(jié)點抗震性能試驗研究 [J].工業(yè)建筑，2015，（12）.

[2] 顏軍，羅海艷，郎龑.裝配式框架結構節(jié)點研究現(xiàn)狀與展望[J].混凝土與 水泥制品，2016，（1）.

[3] 吳函恒，周天華，呂晶.鋼框架-裝配式混凝土抗側力墻板結構受力性 能[J].東南大學學報（自然科學版），2016，（1）.

[4] 羅莉婷，姜源，張紅昌，等.預應力混凝土橋梁耐久性分析與養(yǎng)護對策[J].中國水運（下半月），2014，（10）.

[5] 朱文心.一種新型裝配整體式柱接頭抗震性能試驗研究[J].科學技術 與工程，2014，（31）.

[6] 馬琳皓.預制裝配式混凝土外墻施工技術[J].四川建筑科學研究，2014，（5）.