預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析

戴春嬌，王 穎

建筑結(jié)構(gòu)安徽省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（安徽新華學(xué)院），安徽 合肥 230088

0 引言

預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)是現(xiàn)階段國(guó)家大力推廣發(fā)展的建筑類型，在建造方式、節(jié)能環(huán)保等方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆建筑，可以做到合理利用資源，保護(hù)生態(tài)自然環(huán)境。由于裝配式建筑結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜多樣，在地震作用下的安全問題，也應(yīng)該引起重視。預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重的主要原因之一是預(yù)制構(gòu)件間的連接破壞，這種破壞會(huì)造成整個(gè)框架結(jié)構(gòu)的離析、破碎。通過研究分析預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)抗震性能的薄弱點(diǎn)，提出提高預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)抗震性能的合理措施，保證結(jié)構(gòu)的安全性。研究成果對(duì)促進(jìn)預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)可持續(xù)發(fā)展，加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程具有重要的意義。

1 預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)可持續(xù)發(fā)展的因素

1990 年開始，我國(guó)已經(jīng)開始大量引進(jìn)裝配式大板預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)施工技術(shù)，并建立了一系列與之對(duì)應(yīng)的規(guī)范。后繼因?yàn)槠渌?，裝配式建筑發(fā)展緩慢甚至停滯不前。21 世紀(jì)后，國(guó)家開始重視現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)所帶來的危害，例如勞動(dòng)力短缺和環(huán)境污染，鼓勵(lì)建筑行業(yè)綠色裝配式技術(shù)發(fā)展，并推出了很多政策鼓勵(lì)發(fā)展預(yù)制裝配式的建筑結(jié)構(gòu)。預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)［1］。預(yù)制構(gòu)部件的質(zhì)量、品質(zhì)優(yōu)秀、節(jié)約能源并且完工的速度快，可以解決未來勞動(dòng)力資源短缺。預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)因具有很好的優(yōu)勢(shì)而被大力推廣［2］。如圖1 所示。

圖1 裝配式框架結(jié)構(gòu)特色優(yōu)勢(shì)

2 裝配式框架結(jié)構(gòu)抗震性能特點(diǎn)

預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接的可靠性，是分析該類型結(jié)構(gòu)抗震研究的關(guān)鍵問題，20 世紀(jì)以來，各國(guó)研究學(xué)者做了一系列關(guān)于預(yù)制梁柱節(jié)點(diǎn)的研究試驗(yàn)，試驗(yàn)涉及預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)成本、加工及施工工藝、抗震性能等多方面［3］。試驗(yàn)通常是將現(xiàn)澆的拼接節(jié)點(diǎn)和預(yù)制的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗震性能對(duì)比研究。通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知節(jié)點(diǎn)的承載力、剛度、延性耗能能力等決定著結(jié)構(gòu)抗震的強(qiáng)弱［4］。節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的連接方式?jīng)Q定節(jié)點(diǎn)延性能力，節(jié)點(diǎn)的性能關(guān)乎著整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載力、抗震性能、結(jié)構(gòu)剛度等，預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接位置主要在柱-柱、梁-柱、疊合梁部位［5］，節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的連接方式對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能有著關(guān)鍵的影響力。

3 節(jié)點(diǎn)易破壞的原因

預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)作為多高層建筑的主要類型，隨著國(guó)家的積極推廣，其應(yīng)用越來越廣泛，但該類型的結(jié)構(gòu)在地震作用下易出現(xiàn)建筑物大面積損害甚至造成建筑物的倒塌，抗震性能整體較差。在地震作用下，預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位置承受的水平剪力為柱子剪力的4～6 倍，易產(chǎn)生剪切脆性的破壞后果，預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度、剛度及耗能能力會(huì)減弱，因此預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)在地震中的破壞最嚴(yán)重，其抗震性能的薄弱問題在于節(jié)點(diǎn)。在地震作用下構(gòu)件的兩端會(huì)出現(xiàn)塑性鉸，塑性鉸會(huì)造成預(yù)制結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)破壞和結(jié)構(gòu)的整體倒塌，對(duì)于地震后的修復(fù)工作開展也極其困難，且塑性鉸會(huì)在梁端不斷的加大，鋼筋屈服量也不斷增大，結(jié)構(gòu)剛度越來越低。

4 地震效應(yīng)對(duì)比分析

對(duì)比分析預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)在多遇及罕遇地震作用下的抗震性能，分析結(jié)果如下表1 所示：

表1 抗震性能分析結(jié)果對(duì)比表

5 合理的消能減震措施

預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)的抗震性能可以通過設(shè)置減震裝置來改善，例如在結(jié)構(gòu)中設(shè)置阻尼器，或設(shè)置隔震層在其中間。阻尼器增加了結(jié)構(gòu)阻尼，使結(jié)構(gòu)層間位移減小。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在消能減震領(lǐng)域已經(jīng)取得了很多的研究成果，國(guó)內(nèi)有學(xué)者研究提出預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)與扇形鉛粘彈性阻尼器結(jié)合在一起，形成一種新型預(yù)制裝配式消能減震的結(jié)構(gòu)體系，通過粘彈性阻尼器的往復(fù)剪切變形來滯回耗能，此種消能減震結(jié)構(gòu)體系具有很好的耗能減震的效果［6］。預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)可以通過設(shè)計(jì)使阻尼器的面內(nèi)屈服剛度小于預(yù)制梁構(gòu)件的剛度，而其強(qiáng)度卻和預(yù)制梁構(gòu)件一樣，使其能滿足預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)承載力要求和正常使用要求。在遭遇低于本地區(qū)設(shè)防烈度的多遇地震作用時(shí)，結(jié)構(gòu)剛度由阻尼器提供，從而結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)減小［7］。在遭遇高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度預(yù)估的罕遇地震作用時(shí)，預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件彎曲變形，從而帶動(dòng)阻尼器轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生變形，使阻尼器發(fā)生塑性變形，能滿足預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)可靠性的要求，消耗傳入結(jié)構(gòu)的地震能量，減弱地震產(chǎn)生的危害，從而能夠避免主體結(jié)構(gòu)的破壞。除了消能器外，還可采用設(shè)置耗能支撐、隔震支座、消能柱等消能減震措施。

6 結(jié)論與討論

預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)近年來發(fā)展迅速，因其設(shè)計(jì)具有系統(tǒng)性、標(biāo)準(zhǔn)化、并且施工速度快、構(gòu)部件質(zhì)量好，可以解決未來勞動(dòng)力資源短缺、節(jié)約能源問題。但缺點(diǎn)是該類型的結(jié)構(gòu)其抗震性能比較差。通過對(duì)比分析其在多遇及罕遇地震作用下的抗震性能，可知罕遇地震的地震效應(yīng)遠(yuǎn)大于多遇地震，其節(jié)點(diǎn)在地震作用下通常承受較大的水平剪力，構(gòu)件的兩端容易出現(xiàn)塑性鉸，節(jié)點(diǎn)區(qū)易出現(xiàn)混凝土保護(hù)層壓碎、鋼筋屈曲現(xiàn)象，塑性鉸會(huì)造成預(yù)制結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)破壞、甚至是結(jié)構(gòu)的整體倒塌。為了提高預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，通?？梢圆扇≡诮Y(jié)構(gòu)中設(shè)置耗能減震的裝置，例如阻尼器，防屈曲耗能支撐、基礎(chǔ)隔震支座等，用來耗散地震能量降低主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而達(dá)到很好的消能減震效果。