裝配式整體混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能研究進(jìn)展

翁月霞,周澤林

(1. 西南科技大學(xué)城市學(xué)院,四川綿陽 621000；2. 重慶大學(xué)建筑設(shè)計(jì)院西南分院,重慶 400033)

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是由結(jié)構(gòu)的全部或部分構(gòu)件工廠化生產(chǎn)，然后通過可靠連接現(xiàn)場(chǎng)裝配而成為整體，是建筑工業(yè)化的結(jié)構(gòu)形式之一，符合建筑行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。裝配整體式結(jié)構(gòu)即部分裝配式結(jié)構(gòu)，其構(gòu)件一部分在工廠中預(yù)制，另一部分則在現(xiàn)場(chǎng)澆筑形成整體，多采用后澆整體式和預(yù)應(yīng)力拼接形式等，如圖1所示。與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相比，工廠化生產(chǎn)構(gòu)件質(zhì)量易保障，受氣候條件影響小，施工速度快，建設(shè)周期短，建筑垃圾少，環(huán)保節(jié)能，符合當(dāng)代社會(huì)發(fā)展理念，促進(jìn)建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，可用于商業(yè)建筑和民用住宅，是國(guó)內(nèi)現(xiàn)在主要發(fā)展和應(yīng)用形式。作為一種新型結(jié)構(gòu)體系，裝配整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能也受到了廣泛關(guān)注。本文結(jié)合相關(guān)研究成果，闡述裝配式混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接和整體結(jié)構(gòu)的抗震性能研究。同時(shí)，總結(jié)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用中存在的問題，提出了裝配式建筑未來的研究方向和展望。

圖1 裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)

1 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)概述

預(yù)制混凝土技術(shù)起源于英國(guó)，英國(guó)人William Henry Lascell獲得英國(guó)2151號(hào)發(fā)明專利“Improvement in the Construction of Buildings”標(biāo)志著預(yù)制混凝土的起源[1]。在2151號(hào)發(fā)明專利中，Lascell提出了在結(jié)構(gòu)承重骨架上安裝預(yù)制混凝土墻板的新型建筑方案，這種新型建筑方案可用于別墅和鄉(xiāng)村住宅。采用這種干掛預(yù)制混凝土墻板的方法可以降低住宅和別墅的造價(jià)并減少施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)熟練建筑工人的需求。后來Lascell還提出了采用預(yù)制混凝土制造窗框以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的木窗框的想法并進(jìn)行了造價(jià)比較，他認(rèn)為如果能夠批量生產(chǎn)，這種預(yù)制混凝土窗框?qū)⒈葌鹘y(tǒng)木制窗框更經(jīng)濟(jì)。預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)可以分為墻體系、框架體系和框架-墻組合體系。其中框架體系主要用于需要開敞大空間的建筑中。預(yù)制混凝土框架體系主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件是預(yù)制柱、預(yù)制梁、預(yù)制樓板，而柱、梁、板的連接方式則是預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的根本區(qū)別，也是區(qū)分各類預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)，它直接決定了預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)性能。研究表明:預(yù)制混凝土墻結(jié)構(gòu)在震后破壞較輕，而一些大空間的預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)，如停車場(chǎng)等破壞較為嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為各構(gòu)件間連接破壞而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體離散、倒塌[2]，預(yù)制構(gòu)件間的連接是預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)體系的薄弱環(huán)節(jié)，也是預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震研究的重點(diǎn)及結(jié)構(gòu)整體抗震性能研究的前提和基礎(chǔ)。

2 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗震性能研究

常用的預(yù)制混凝土框架節(jié)點(diǎn)形式有后澆整體式連接，預(yù)應(yīng)力拼接，焊接連接，螺栓連接等。各種連接形式節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能差別很大，即使同一種連接形式由于具體構(gòu)造不同節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能也不相同。對(duì)以上幾類節(jié)點(diǎn)研究人員都進(jìn)行了一些試驗(yàn)和理論研究。

2.1 PRESSS項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)研究

自預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)以來，其抗震性能不足一直困擾著世界各國(guó)研究人員，為改善這種情況，從20世紀(jì)90年代開始，美國(guó)以及日本就開始致力于研發(fā)可用于地震區(qū)的多層預(yù)制體系結(jié)構(gòu)，開展了PRESSS(預(yù)制裝配式抗震結(jié)構(gòu)體系)計(jì)劃[3-5]，并率先給出了“干性連接”這一概念，并最終認(rèn)識(shí)到預(yù)應(yīng)力筋無粘結(jié)布置的優(yōu)勢(shì)所在。這種新型連接采用預(yù)應(yīng)力對(duì)預(yù)制構(gòu)件進(jìn)行組裝，當(dāng)結(jié)構(gòu)經(jīng)歷外荷載尤其是地震荷載作用后，因預(yù)應(yīng)力筋的回彈，減小結(jié)構(gòu)殘余變形，具有恢復(fù)力強(qiáng)的特點(diǎn)[6-7]。PRESSS計(jì)劃分為4個(gè)階段，一共由22個(gè)1/3縮尺的中節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)項(xiàng)目組成。試驗(yàn)中對(duì)所有試件的柱端施加低周往復(fù)荷載，同時(shí)在柱頂施加恒定軸力值[8-9]。其中有關(guān)框架節(jié)點(diǎn)的研究主要有以下內(nèi)容：

(1)明尼蘇達(dá)大學(xué)的非線性彈性連接和拉壓屈服連接研究[10]。該研究項(xiàng)目的非線性彈性連接節(jié)點(diǎn)為柱連續(xù)，梁在柱兩側(cè)用無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋拼接，該節(jié)點(diǎn)在層間變形2 %以內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋保持彈性，在大變形時(shí)強(qiáng)度損失很小，殘余變形也很小拉壓屈服連接節(jié)點(diǎn)采用柱連續(xù)，梁內(nèi)縱筋穿過柱內(nèi)預(yù)埋波紋管并灌漿，該節(jié)點(diǎn)變形較大，強(qiáng)度和剛度有較大衰減，但耗能較好。

(2)德克薩斯大學(xué)的非線性彈性連接和庫侖摩擦連接研究。該研究項(xiàng)目的非線性彈性連接節(jié)點(diǎn)為梁連續(xù)并沿梁長(zhǎng)施加無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力，柱在梁上下面拼接，該節(jié)點(diǎn)在層間變形2 %以內(nèi)表現(xiàn)出低殘余變形，低耗能和高殘余剛度的特性，層間變形超過2 %以后耗能有所增加庫侖摩擦連接節(jié)點(diǎn)采用柱連續(xù)，梁底面與柱鉸接，梁頂面通過特制的摩擦片與柱連接，節(jié)點(diǎn)變形時(shí)摩擦片可以滑動(dòng)以耗散能量，該節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)是耗能很大。

(3)加利福尼亞大學(xué)的預(yù)應(yīng)力拼接節(jié)點(diǎn)研究。1993年P(guān)riestley[11]對(duì)部分粘結(jié)預(yù)應(yīng)力拼接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了理論分析，他指出由于預(yù)應(yīng)力筋在節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)兩邊一定范圍內(nèi)不與混凝土發(fā)生粘結(jié)，因此在節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生較大變形時(shí)預(yù)應(yīng)力筋仍可保持彈性。這種節(jié)點(diǎn)在大變形后強(qiáng)度和剛度的衰減及殘余變形都較小，節(jié)點(diǎn)復(fù)原能力強(qiáng)，由于預(yù)應(yīng)力的夾持作用，對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)抗剪也有利，可以減少節(jié)點(diǎn)區(qū)箍筋用量。1996年進(jìn)行了八個(gè)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力梁柱節(jié)點(diǎn)的低周反復(fù)加載試驗(yàn)。節(jié)點(diǎn)最大層間變形可達(dá)2.8 %～4 %，殘余變形約為最大層間變形的2.2 %；大變形時(shí)，由于梁柱界面處混凝土的塑性發(fā)展使節(jié)點(diǎn)剛度有所下降，但節(jié)點(diǎn)只有輕微損壞。與現(xiàn)澆混凝土節(jié)點(diǎn)相比，預(yù)制混凝土無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力拼接節(jié)點(diǎn)耗能較小，損傷、強(qiáng)度損失和殘余變形也較小。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，給出了預(yù)制混凝土無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力框架節(jié)點(diǎn)考慮殘余變形和不考慮殘余變形的兩種滯回模型，為這類結(jié)構(gòu)的整體分析提供了依據(jù)[12]。同一時(shí)期，日本采用了“壓著工法”建成了一批預(yù)應(yīng)力預(yù)制框架結(jié)構(gòu)，這種工藝是將預(yù)應(yīng)力筋從節(jié)點(diǎn)穿過，從而在節(jié)點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生預(yù)壓力，達(dá)到了顯著提高預(yù)制結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)受力性能的效果[13]。

2.2 后澆整體式節(jié)點(diǎn)研究

1995年，新西蘭的進(jìn)行了6個(gè)后澆整體式預(yù)制混凝土框架節(jié)點(diǎn)的反復(fù)加載試驗(yàn)研究[14]。這些試件按照新西蘭高烈度地區(qū)常用的預(yù)制混凝土框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)制作，預(yù)制構(gòu)件端部伸出直筋或帶彎鉤鋼筋在節(jié)點(diǎn)區(qū)搭接錨固。試驗(yàn)表明六個(gè)節(jié)點(diǎn)的具體構(gòu)造差別對(duì)試件整體反應(yīng)影響不大盡管后澆混凝土由于泌水和骨料沉降造成節(jié)點(diǎn)區(qū)上部混凝土質(zhì)量不佳，但六個(gè)試件在強(qiáng)度、耗能和延性等方面都表現(xiàn)良好，層間側(cè)移都達(dá)到2.4 %以上，位移延性系數(shù)達(dá)到6以上各節(jié)點(diǎn)抗震性能達(dá)到或超過相應(yīng)的現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)。根據(jù)試驗(yàn)和分析Restrepo給出了這類預(yù)制節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)具體構(gòu)造提出了建議。

1995年，澳大利亞的Loo[15]采用反復(fù)加載試驗(yàn)對(duì)18個(gè)1/2縮尺框架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。這些節(jié)點(diǎn)按照澳大利亞規(guī)范要求設(shè)計(jì)，分為六組，每組均包括一個(gè)帶牛腿的后澆整體節(jié)點(diǎn)、一個(gè)不帶牛腿的后澆整體節(jié)點(diǎn)和一個(gè)現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)。所有試件尺寸相同，六組節(jié)點(diǎn)間的參數(shù)變化包括混凝土強(qiáng)度、鋼筋強(qiáng)度和配筋率。試驗(yàn)結(jié)果表明后澆整體節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、延性和耗能均好于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)，而無牛腿預(yù)制節(jié)點(diǎn)的延性和耗能又好于帶牛腿的預(yù)制節(jié)點(diǎn)。

2002年，Alcocer[16]進(jìn)行了一個(gè)平面框架節(jié)點(diǎn)和一個(gè)空間框架節(jié)點(diǎn)的反復(fù)加載試驗(yàn)。節(jié)點(diǎn)區(qū)內(nèi)構(gòu)件端部鋼筋搭接，對(duì)空間框架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了雙向加載。試驗(yàn)表明節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度約為對(duì)應(yīng)現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的80 %～90 %，試件變形達(dá)到3.5 %時(shí)承載力沒有下降。

2.3 預(yù)應(yīng)力拼接節(jié)點(diǎn)研究

1993年，Cheok[17-18]完成了美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)協(xié)會(huì)(National Institute of Standards and Technology)負(fù)責(zé)的一項(xiàng)預(yù)制混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)抗震研究項(xiàng)目。Cheok共完成了10個(gè)預(yù)制節(jié)點(diǎn)和4個(gè)現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究。預(yù)制節(jié)點(diǎn)全部采用預(yù)應(yīng)力拼接，并在構(gòu)件拼接界面填充纖維砂漿。10個(gè)預(yù)制節(jié)點(diǎn)的參數(shù)變化包括預(yù)應(yīng)力筋位置，預(yù)應(yīng)力筋種類，粘結(jié)和非粘結(jié)等因素。試件均為1/3縮尺模型，采用位移控制的反復(fù)加載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)破壞特征為預(yù)應(yīng)力筋屈服，梁端混凝土壓碎，梁柱拼接界面開裂，界面開裂寬度與預(yù)應(yīng)力筋種類和粘結(jié)或非粘結(jié)關(guān)系不大，但預(yù)應(yīng)力筋位置對(duì)裂縫寬度有較大影響。多數(shù)情況下，預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的位移延性系數(shù)(非粘結(jié)預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)可達(dá)到14)超過對(duì)應(yīng)的現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)(延性系數(shù)為6)。在一次加載循環(huán)內(nèi)，預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的耗能大約相當(dāng)于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的30 %～60 %，由于預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)具有更高的延性，達(dá)到破壞時(shí)的累計(jì)耗能大約相當(dāng)于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的80 %～100 %，有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)耗能好于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)。

近年來我國(guó)柳炳康[19]、董挺峰[20]等也對(duì)預(yù)應(yīng)力拼接的預(yù)制混凝土框架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了一些抗震試驗(yàn)研究。

2.4 其他形式節(jié)點(diǎn)研究

土耳其的Ertas[21]進(jìn)行了5個(gè)預(yù)制混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的低周反復(fù)加載試驗(yàn)研究。這5個(gè)節(jié)點(diǎn)包括1個(gè)現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)、2個(gè)后澆整體節(jié)點(diǎn)，1個(gè)帶牛腿的焊接節(jié)點(diǎn)和1個(gè)螺栓連接節(jié)點(diǎn)。試驗(yàn)表明這些預(yù)制混凝土節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)都表現(xiàn)出良好的抗震性能，除焊接節(jié)點(diǎn)外，其它節(jié)點(diǎn)均達(dá)到3.5 %的層間位移，而螺栓連接節(jié)點(diǎn)在強(qiáng)度、延性、耗能和方便施工等方面表現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)。

Ersoy[22]研究了框架梁跨中焊接連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能。Ersoy在框架梁跨中的連接中采用頂板、底板和側(cè)板的焊接連接方法。這種連接方式剛度大，施工快捷，Ersoy進(jìn)行了5個(gè)焊接節(jié)點(diǎn)和2個(gè)現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明:焊接節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、剛度、耗能都與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)相當(dāng);連接側(cè)板對(duì)該焊接節(jié)點(diǎn)具有重要意義，沒有側(cè)板的節(jié)點(diǎn)承載能力將會(huì)大大下降，變形也會(huì)顯著增加。

Korkmaz等人[23]對(duì)預(yù)制鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)進(jìn)行往復(fù)荷載試驗(yàn)研究其抗震性能。結(jié)果表明改進(jìn)后的預(yù)制鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出較好的抗震性能。

文獻(xiàn)[24-26]對(duì)裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能展開研究，通過試驗(yàn)對(duì)比研究裝配整體式框架節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)澆混凝土框架節(jié)點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明兩類節(jié)點(diǎn)均在梁端塑性鉸區(qū)域發(fā)生破壞，滯回曲線較為飽滿，節(jié)點(diǎn)耗能能力接近，滯回特性和剛度退化變化規(guī)律一致。裝配整體式框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的綜合抗震性能可達(dá)到與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)等同的程度。

于建兵等人[27]對(duì)4個(gè)新型裝配整體式框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)以及現(xiàn)澆混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，結(jié)果表明在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)設(shè)置附加鋼筋，梁端塑性鉸外移。裝配整體式框架節(jié)點(diǎn)滯回曲線較為飽滿，說明該新型節(jié)點(diǎn)具有較好的耗能能力，能夠滿足抗震規(guī)范要求的“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”要求。

吳江傳等人[28]通過對(duì)新型裝配整體式框架梁柱節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)，深入研究了該節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)、滯回曲線和骨架曲線等抗震性能。試驗(yàn)結(jié)果表明該節(jié)點(diǎn)抗震性能與整體現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)大致相同。

呂西林等人[29]通過擬動(dòng)力試驗(yàn)研究了預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，該框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)和梁板節(jié)點(diǎn)分別采用螺栓連接和焊接連接。該試驗(yàn)結(jié)果表明采用螺栓連接梁柱節(jié)點(diǎn)的框架在試驗(yàn)中表現(xiàn)良好，即使層間位移角達(dá)到了1/25時(shí)，結(jié)構(gòu)仍能夠繼續(xù)承載，抗倒塌能力和耗能能力較好，具有良好的抗震性能。而采用焊接連接的梁板節(jié)點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)則稍差，柱底彎曲破壞嚴(yán)重。

2.5 節(jié)點(diǎn)的延性和耗能改進(jìn)方案

1994年，Nakaki[30]提出了一種帶延性連接器的預(yù)制混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)。在預(yù)制柱內(nèi)預(yù)埋高延性的合金連桿，預(yù)制梁通過螺栓、連接塊與合金連桿相連，見圖2，地震作用下合金連桿發(fā)生塑性變形，從而避免其它構(gòu)件的損壞，同時(shí)利用合金連桿的低屈服、高延性和高耗能改善梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能。Englekirk[31]介紹了在UCSD進(jìn)行的2/3縮尺模型的延性連接節(jié)點(diǎn)的反復(fù)加載試驗(yàn)，試驗(yàn)驗(yàn)證了這種節(jié)點(diǎn)良好的抗震性能，在層間變形達(dá)到3.5 %的情況下，節(jié)點(diǎn)仍無明顯破壞。1996年，Englekirk[32]將延性連結(jié)器用于洛杉磯的一個(gè)四層預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)停車場(chǎng)Wiltern Center Parking，工程實(shí)踐證明這種延性連接器施工方便，效果良好。

圖2 延性連接器節(jié)點(diǎn)示意

Morgen[33]針對(duì)無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力拼接框架節(jié)點(diǎn)耗能較差的特點(diǎn)，提出了在框架節(jié)點(diǎn)安裝摩擦阻尼器的改進(jìn)方案，見圖3。Morgen的研究表明:這種改進(jìn)節(jié)點(diǎn)由于附加了摩擦阻尼器具有很好的耗能能力，同時(shí)由于預(yù)應(yīng)力作用又具有很好的復(fù)原能力，節(jié)點(diǎn)殘余變形很小。Morgen還給出了這種改進(jìn)節(jié)點(diǎn)的阻尼器和預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)計(jì)方法。

圖3 帶摩擦阻尼的預(yù)制混凝土框架

張季超等人[34]提出采用新型預(yù)制裝配整體式結(jié)構(gòu)構(gòu)造技術(shù)。該結(jié)構(gòu)技術(shù)包括疊合梁板技術(shù)以及新型節(jié)點(diǎn)構(gòu)造技術(shù)等，可以極大地提高預(yù)制裝配整體式結(jié)構(gòu)的抗震性能，推動(dòng)裝配整體式結(jié)構(gòu)的發(fā)展，加快實(shí)現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。

2014年，Hossein Parastesh[35]提出了一種適用于高烈度區(qū)的延性抗彎節(jié)點(diǎn)。試驗(yàn)表明:節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的對(duì)角鋼筋可以延緩節(jié)點(diǎn)區(qū)域?qū)橇鸭y的發(fā)展，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的剪切裂縫較少，可以防止結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下發(fā)生脆性破壞。加載位移相同時(shí)，預(yù)制節(jié)點(diǎn)的耗能能力要比現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)高30 %左右，因此該節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式可適用于地震設(shè)防區(qū)域的預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)中。同年，Lee Dong-Joo等[36]提出了一種采用螺栓連接的預(yù)制預(yù)應(yīng)力梁柱節(jié)點(diǎn)，結(jié)果表明:螺栓連接預(yù)制節(jié)點(diǎn)的滯回曲線表現(xiàn)出明顯的“攏捏”特征，與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)相比，該類型節(jié)點(diǎn)的耗能能力較弱，但在側(cè)移方面表現(xiàn)出優(yōu)異。同時(shí)節(jié)點(diǎn)預(yù)應(yīng)力筋的設(shè)置可有效減小殘余變形，也有助于控制節(jié)點(diǎn)裂縫產(chǎn)生發(fā)展，從而整體提升預(yù)制節(jié)點(diǎn)抗震性能。

3 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)整體抗震性能研究

PRESSS項(xiàng)目第三階段進(jìn)行了一些預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究。主要的研究工作有:加利福尼亞大學(xué)1999年進(jìn)行的五層預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)研究[37]。該結(jié)構(gòu)采用3/5縮尺模型，一個(gè)方向?yàn)轭A(yù)制框架體系，另一個(gè)方向?yàn)轭A(yù)制框架一墻體系，如圖4所示。框架節(jié)點(diǎn)采用了預(yù)應(yīng)力拼接節(jié)點(diǎn)和普通后澆節(jié)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)按照UBC規(guī)范4類地震區(qū)地震強(qiáng)度，用基于位移的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。試驗(yàn)時(shí)，最大地震強(qiáng)度超過UBC規(guī)范4類地震區(qū)地震強(qiáng)度的50 %。試驗(yàn)表明該結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能:在框架一墻方向，最大層間位移達(dá)到1.8 %，殘余變形僅為0.06 %，預(yù)應(yīng)力對(duì)減小結(jié)構(gòu)殘余變形有很大幫助，試驗(yàn)結(jié)束后只有墻、柱底部和少量樓板出現(xiàn)輕微破壞;在框架方向，最大層間位移達(dá)到4.5 %，但結(jié)構(gòu)沒有明顯的強(qiáng)度損失，盡管普通后澆節(jié)點(diǎn)耗能大于預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)，但強(qiáng)度損失、殘余變形和損壞程度也大于預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)。試驗(yàn)同時(shí)驗(yàn)證了基于位移設(shè)計(jì)方法的可靠性[38]。

圖4 PRESSS項(xiàng)目五層預(yù)制框架試驗(yàn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽?/p>

1995年，Sucuoglu H[39]對(duì)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)和預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過計(jì)算兩種結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，得出以下結(jié)論：在地震作用下，兩者雖然連接形式不同，但是荷載反應(yīng)基本沒有區(qū)別，且進(jìn)一步的試驗(yàn)分析證明，若兩種結(jié)構(gòu)均滿足“強(qiáng)柱弱梁”要求，地震反應(yīng)將更為接近。

伊利諾斯大學(xué)1996年進(jìn)行的預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究[40]。試驗(yàn)設(shè)計(jì)制作了兩個(gè)6層預(yù)制混凝土框架縮尺模型，第一個(gè)模型節(jié)點(diǎn)為柱連續(xù)，梁用螺栓在柱兩側(cè)拼接，螺栓在地震作用下屈服;第二個(gè)模型節(jié)點(diǎn)為柱連續(xù)，梁用預(yù)應(yīng)力筋拼接。這兩種節(jié)點(diǎn)分別代表了拉壓屈服連接和非線性彈性連接。試驗(yàn)結(jié)果表明:小幅地震作用下，結(jié)構(gòu)呈彈性狀態(tài)，表現(xiàn)與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相同;在大幅地震作用下，第一個(gè)模型節(jié)點(diǎn)螺栓屈服，破壞集中在連接螺栓，預(yù)制柱、梁沒有開裂，第二個(gè)結(jié)構(gòu)直到預(yù)應(yīng)力筋屈服前一直保持彈性，損壞主要是梁端混凝土壓碎。

2004年，歐盟發(fā)起了“Seismic Behavior of Precast Concrete Structures with Respect Eurocode 8”項(xiàng)目，在ELSA實(shí)驗(yàn)室做了許多關(guān)于裝配式預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能研究[41]。該項(xiàng)目通過對(duì)預(yù)制裝配式框架進(jìn)行擬動(dòng)力試驗(yàn)研究其整體抗震性能。結(jié)果表明這些試驗(yàn)的預(yù)制框架抗震性能良好，最大層間位移達(dá)到8 %。在與現(xiàn)澆框架對(duì)比試驗(yàn)中，預(yù)制框架較現(xiàn)澆框架自振周期略大，變形較大，延性較小，但兩者具有大致相當(dāng)?shù)目拐鹉芰Α?/p>

Blandon等人[42]采用了1/2縮尺模型的兩層預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)，然后對(duì)其進(jìn)行反復(fù)加載試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明如若梁下部在節(jié)點(diǎn)內(nèi)的直段鋼筋錨固長(zhǎng)度小于8d，則梁下部縱筋會(huì)產(chǎn)生滑移，受此影響其連續(xù)性得不到保證。

Kim[43]浦有限元軟件分析了裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的連接方式采用的是無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋和非預(yù)應(yīng)力筋混合連接，通過對(duì)該框架彈塑性靜力分析和動(dòng)力分析來研究其抗震性能，并進(jìn)一步給出了該連接方式設(shè)計(jì)方法以及由此提出的建議。

張銳[44]對(duì)裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)與有限元模擬分析。結(jié)果表明傳統(tǒng)裝配整體式混凝土框架試件與新型延性構(gòu)造裝配整體式框架試件都有穩(wěn)定的滯回性能和良好的延性。在大震作用下具有良好的耗能能力，能夠滿足于地震設(shè)防區(qū)應(yīng)用的要求。且裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)基本周期和最大層間位移角大于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)時(shí)程的最大樓層位移和層間剪力略小于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，總體而言該裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出近似現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。

2005年Blandon[45]進(jìn)行的1/2縮尺兩層預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)的反復(fù)加載試驗(yàn)研究。試件節(jié)點(diǎn)為后澆整體式，按照墨西哥的做法，梁下部帶彎鉤鋼筋在節(jié)點(diǎn)內(nèi)直段錨固長(zhǎng)度只有8d，通過節(jié)點(diǎn)內(nèi)的水平箍筋保持連續(xù)，在試驗(yàn)過程中梁下部鋼筋出現(xiàn)了滑移、拔出，直到試件接近破壞時(shí)才出現(xiàn)屈服。Blandon采用壓桿—索模型分析了梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)的受力性能，證明這種構(gòu)造做法無法保證梁下部縱筋的連續(xù)性，在抗震框架中應(yīng)予以避免。Blandon還研究了預(yù)制柱插入預(yù)制杯口基礎(chǔ)并灌漿的柱一基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)的性能，試驗(yàn)和分析表明這種節(jié)點(diǎn)工作性能良好，可以在地震區(qū)使用。在國(guó)內(nèi)，薛偉辰等人進(jìn)行了預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土空間結(jié)構(gòu)的擬靜力試驗(yàn)研究，研究對(duì)象為采用預(yù)應(yīng)力拼接的體育館看臺(tái)空間框架結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)表明此類結(jié)構(gòu)有較大的安全儲(chǔ)備和變形能力，結(jié)構(gòu)整體位移延性系數(shù)可達(dá)到2.04[46]。

4 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范發(fā)展

1994年NEHRP (National Earthquake Hazards Reduction Program)[47]規(guī)范出現(xiàn)以前，美國(guó)地震高烈度區(qū)建造預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)必需遵循ACI318規(guī)范的規(guī)定，即“在地震區(qū)采用的預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)必需經(jīng)試驗(yàn)和分析證明具有等同于或高于相應(yīng)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和延性的性能”。這條規(guī)定顯然忽略了預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)，而且也是含糊和難以統(tǒng)一的。1994年出版的NEHRP規(guī)范第一次給出了有關(guān)預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)抗震的具體規(guī)定。1994版的NEHRP規(guī)范規(guī)定了兩種預(yù)制混凝土抗側(cè)力體系，一種是采用濕節(jié)點(diǎn)的等效現(xiàn)澆體系(Monolithic Emulation )，另一種是采用干節(jié)點(diǎn)的裝配式預(yù)制體系(Jointed Precast)。濕節(jié)點(diǎn)是指采用ACI318規(guī)定的后澆混凝土或灌漿方法將預(yù)制構(gòu)件連接成整體;干節(jié)點(diǎn)是指不需要現(xiàn)澆和灌漿濕作業(yè)的預(yù)制構(gòu)件連接方式。NEHRP規(guī)范附錄內(nèi)提供了裝配式預(yù)制體系的設(shè)計(jì)方法，但只是初步嘗試性的，因?yàn)楫?dāng)時(shí)對(duì)裝配預(yù)制體系的認(rèn)識(shí)和研究還十分有限。UBC97以94版NEHRP為基礎(chǔ)發(fā)展了預(yù)制混凝土抗震規(guī)定，UBC97將等效現(xiàn)澆體系的連接分為濕節(jié)點(diǎn)和強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，采用濕節(jié)點(diǎn)的預(yù)制結(jié)構(gòu)應(yīng)遵循現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)定，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)則要求在地震作用下預(yù)制構(gòu)件進(jìn)入塑性后節(jié)點(diǎn)仍保持彈性。2000版的NEHRP規(guī)范擴(kuò)充發(fā)展了預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)抗震規(guī)定。

5 結(jié)論

(1)目前預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的研究主要研究各種不同梁柱連接形式的抗震性能，對(duì)考慮預(yù)制梁、 柱、樓板的節(jié)點(diǎn)整體性能方面尚需進(jìn)一步研究。

(2)已有的研究主要針對(duì)構(gòu)件尺寸較小、荷載水平較低的預(yù)制構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)及框架，而對(duì)構(gòu)件尺寸較大、荷載水平較高的高層裝配混凝土結(jié)構(gòu)研究較少。

(3)目前裝配混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能主要是從構(gòu)件連接層次來進(jìn)行研究，從結(jié)構(gòu)層次上的研究較少，主要通過在預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)中布置減震裝置來實(shí)現(xiàn)，但其造價(jià)昂貴，難以在普通住宅中應(yīng)用;在廣大城鎮(zhèn)建筑中，由于缺乏大型吊裝機(jī)械，預(yù)制構(gòu)件只有實(shí)現(xiàn)小型化經(jīng)濟(jì)化，才能更好地推廣裝配結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

(4)在地震區(qū)應(yīng)用裝配結(jié)構(gòu)時(shí)，為確保結(jié)構(gòu)抗震能力滿足需求，需引入技術(shù)創(chuàng)新，探索新型裝配式結(jié)構(gòu)體系，充分發(fā)揮裝配結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)點(diǎn)，從自身結(jié)構(gòu)上進(jìn)一步提高預(yù)制裝配混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能。

(5)新的高強(qiáng)材料的開發(fā)和施工技術(shù)的創(chuàng)新，必然帶來高強(qiáng)材料在裝配結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，研究高強(qiáng)材料與裝配混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)合，分析其連接、抗震性能，完善相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法是需要研究的問題。

雖然國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)正在構(gòu)建預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范修訂建議和框架，但新型裝配結(jié)構(gòu)體系是更重要的發(fā)展方向，尤其是對(duì)高烈度地震區(qū)的普通住宅結(jié)構(gòu)及周邊城鎮(zhèn)和農(nóng)村建筑，更需發(fā)展新型的經(jīng)濟(jì)型住宅結(jié)構(gòu)體系，需對(duì)其抗震性能進(jìn)行研究，并建立相應(yīng)的分析計(jì)算方法，通過合理的方法來評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)性能，進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和采取相應(yīng)保護(hù)措施，提高建筑結(jié)構(gòu)或構(gòu)件自身的抗倒塌性能，從而獲取良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑可以節(jié)約社會(huì)資源及能源，在建造過程中實(shí)現(xiàn)低能耗及低排放，減少建筑垃圾對(duì)周邊環(huán)境的不良影響，實(shí)現(xiàn)“四節(jié)一環(huán)?！钡陌l(fā)展要求，從而促進(jìn)我國(guó)建筑業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。