裝配式混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)研究

張巖

（揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225000）

0 引言

在過去很多年時間里，現(xiàn)澆法是現(xiàn)代工程中最主要的施工手段，而對于這種施工方法，通常情況下會大量消耗施工材料，這與當(dāng)今的趨勢可持續(xù)發(fā)展理念格格不入，隨著時代的發(fā)展，傳統(tǒng)的施工技術(shù)已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前建筑行業(yè)的發(fā)展，因此裝配式技術(shù)也就應(yīng)運(yùn)而生。目前國內(nèi)外的裝配式建筑結(jié)構(gòu)大多采用工廠制造構(gòu)件與施工現(xiàn)場組裝相結(jié)合的方式。相比早期的建筑，使用裝配式結(jié)構(gòu)的有利點(diǎn)在于質(zhì)高價低、施工速度快、采用了環(huán)保、節(jié)約資源的新技術(shù)，能夠有效地減少施工周期、增強(qiáng)施工安全性、降低人力需求、保障施工的質(zhì)量、減少建筑產(chǎn)生的垃圾、降低建筑周期內(nèi)能量的消耗、提升建筑工程的生態(tài)環(huán)境效益。因此，這種建筑結(jié)構(gòu)形式在眾多國家尤其是在發(fā)達(dá)國家及地區(qū)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。然而，地震等外部荷載引發(fā)的漸進(jìn)性倒塌等多重災(zāi)害，在整個建筑結(jié)構(gòu)使用壽命期內(nèi)，無疑給混凝土結(jié)構(gòu)提出更高的技術(shù)要求?；谝陨纤?，如何能有效提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗震能力成了世界上廣泛研究的課題。然而，對于常見的多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，已有的大量研究表明，地震以及連續(xù)倒塌作為兩大主要的危害結(jié)構(gòu)安全因素，因此梁柱節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中的作用顯得尤為重要。然而，與傳統(tǒng)建筑相比，本試驗(yàn)所研究的裝配式結(jié)構(gòu)類型在地震安全性方面能否達(dá)到其安全水平還存在疑問，裝配式建筑結(jié)構(gòu)的抗震試驗(yàn)技術(shù)成為一種重要手段，對結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行檢測，具有十分廣闊的前景，在具體的工程實(shí)踐中具有重要的意義。

1 裝配式混凝土抗震節(jié)點(diǎn)

1.1 含阻尼器節(jié)點(diǎn)

有關(guān)專家和科學(xué)家進(jìn)行相關(guān)的研究和測試，預(yù)先制作有抗震節(jié)點(diǎn)的預(yù)制結(jié)構(gòu)，然后在這些抗震節(jié)點(diǎn)上安裝具有阻尼作用的構(gòu)件。通常來說，具有減震性能的相關(guān)構(gòu)件都是屬于阻尼器。我們將建筑物大致分為兩個種類：①預(yù)先安裝了抗震元件；②沒有預(yù)先安裝抗震元件。經(jīng)過試驗(yàn)，設(shè)置阻尼單元的節(jié)點(diǎn)剛度較好，且該部分結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，在外力作用下不易變形或坍塌。相反，未安裝的節(jié)點(diǎn)剛度明顯降低，在外荷載作用下很容易損傷節(jié)點(diǎn)功率，比較用傳統(tǒng)的鑄造代替技術(shù)是預(yù)制構(gòu)件中的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)然，在建筑高度相對較低的裝配式結(jié)構(gòu)中安裝阻尼元件，不僅能夠提高建筑物的抗震能力，還可以節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的目的。

1.2 裝配式焊接節(jié)點(diǎn)

有研究表明，預(yù)制構(gòu)件在建筑結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)起著較為重要的作用，是預(yù)制構(gòu)件性能優(yōu)良的基礎(chǔ)。建筑節(jié)點(diǎn)如果出現(xiàn)損壞，預(yù)制建筑物的整體穩(wěn)定性可能受到不利影響。大量數(shù)據(jù)表明，保證節(jié)點(diǎn)的可靠性，是預(yù)制件功能發(fā)揮的前提，因此預(yù)制焊接接頭是預(yù)制施工技術(shù)的重要組成部分。方法是通常將建筑物的所有部分焊接為一個整體，便于形成節(jié)點(diǎn)。焊接技術(shù)在施工中屬于常用應(yīng)用技術(shù)，因此一定要注意相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用與施工的關(guān)系，仔細(xì)核實(shí)焊接工人的專業(yè)素養(yǎng)，以便讓焊接工作逐步開展。

2 裝配式混凝土剪力墻節(jié)點(diǎn)連接技術(shù)

以下是裝配式混凝土剪力墻節(jié)點(diǎn)的概述。

2.1 結(jié)構(gòu)性節(jié)點(diǎn)

結(jié)構(gòu)性節(jié)點(diǎn)是指裝配剪力墻的構(gòu)件之間相互連接從而形成的一類節(jié)點(diǎn)，這種節(jié)點(diǎn)決定抗震的性能和試件的整體性能。結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)有很多使用情況，一般使用情況下在預(yù)制的剪力墻豎向分布連接節(jié)點(diǎn)，在預(yù)制水平連接上分布的節(jié)點(diǎn)以及在預(yù)制連梁上連接的節(jié)點(diǎn)和預(yù)制樓板連接節(jié)點(diǎn)。

2.2 非結(jié)構(gòu)性節(jié)點(diǎn)

一般來說，非結(jié)構(gòu)性節(jié)點(diǎn)的使用是確保構(gòu)件之間的可靠連接，主要用在非結(jié)構(gòu)和主題構(gòu)件的相互連接。在現(xiàn)行的施工規(guī)范中，可以按照構(gòu)件尺寸大小進(jìn)行分類。當(dāng)體型較大、較重時，可以使構(gòu)件鋼筋伸出錨固在樓板現(xiàn)澆層之中；另一方面的體型較小而較輕時，可通過結(jié)構(gòu)伸出的鋼筋在相應(yīng)位置預(yù)留孔道實(shí)現(xiàn)在孔道內(nèi)連接。

3 預(yù)應(yīng)力預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的試驗(yàn)研究

3.1 裝配式整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)概述

預(yù)制整體式混凝土框架的結(jié)構(gòu)由連接至固定連接件的鋼筋和柱組成。梁和柱更容易調(diào)整，標(biāo)準(zhǔn)化和定型模數(shù)，更適合于標(biāo)準(zhǔn)化和生產(chǎn)。此外制造的整體式混凝土框架的空間將更加靈活，構(gòu)件的樣式也將多樣化?，F(xiàn)場進(jìn)行高度機(jī)械化和高效的吊裝這就解釋了為什么可以說混凝土整體結(jié)構(gòu)制造在建筑產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。能夠廣泛地應(yīng)用于學(xué)校、醫(yī)院寫字和辦公樓等公共和民用建筑中。

到目前為止，根據(jù)我國的建筑業(yè)發(fā)展的趨勢以及施工的具體經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣來說，更合適推廣使用這種疊合式連接裝配整體混凝土框架，主要應(yīng)用在預(yù)制空調(diào)和樓梯，也可以應(yīng)用在預(yù)制梁柱和預(yù)制陽臺板之間。

3.2 裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究

大量研究表明，預(yù)制結(jié)構(gòu)倒塌的主要原因是構(gòu)件之間的連接失效，因此預(yù)制構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度要適配；螺栓連接的整體性和剛度比較差，這種節(jié)點(diǎn)的較大的優(yōu)勢廣泛體現(xiàn)在施工便捷性。除此之外，接頭焊接的強(qiáng)度和現(xiàn)澆的強(qiáng)度基本上大體一致，因此，對于上述的內(nèi)容，有必要對這種框架結(jié)構(gòu)的連接形式以及節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深入的創(chuàng)新性研究，對提高結(jié)構(gòu)的抗震性能具有特別重要的意義。

歐美以及亞洲的日本這些發(fā)達(dá)國家在20 世紀(jì)50—60 年代就開始了預(yù)制框架結(jié)構(gòu)的研究，其抗震性能一直是研究的熱點(diǎn)，在1996 年普列斯特利的研究結(jié)果表明：框架在作用力較小的地震下都位于彈性階段，其性能與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相同；在大地震作用下，兩種框架均處于彈性階段的接頭屈服，破壞的集中區(qū)域往往都處在螺栓處，這種結(jié)果會讓結(jié)構(gòu)的承載能力被削弱；對于這種節(jié)點(diǎn)在其產(chǎn)生屈服之前仍處于彈性狀態(tài)，其主要表現(xiàn)為混凝土被壓碎。

多數(shù)研究結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力的拼接結(jié)構(gòu)和裝配整體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度和剛度上與鑄造結(jié)構(gòu)接近，但能耗能力較低；另外，想要提升裝配式鋼筋混凝土框架的抗震性能，一般是從加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的抗震性能來入手的。

3.3 裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的減震技術(shù)

裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的減震技術(shù)，林宗凡列舉出了非線性的節(jié)點(diǎn)與滑動摩擦的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式進(jìn)行探索。研究指出，非線性的節(jié)點(diǎn)運(yùn)動性能相對來說比較好，殘余變形很小，總耗較低；在另一方面，傳力摩擦滑動節(jié)點(diǎn)抗震能力更強(qiáng)，不影響性能；間接則不能確保節(jié)點(diǎn)抗震能力好，因而導(dǎo)致試件發(fā)生了破壞。周云則對新型減震耗能混凝土體系進(jìn)行了較多次數(shù)的低周期而且反復(fù)的加載試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，裝配式梁柱的減震節(jié)點(diǎn)耗能效力較強(qiáng)，承載的能力以及移動性能得到了較為顯著的改善。

綜上所述，預(yù)制裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)領(lǐng)域減震大致有兩類研究方向。其中阻尼的技術(shù)一般應(yīng)用于裝配式結(jié)構(gòu)，研究結(jié)果表明，這種方法雖然能達(dá)到相應(yīng)的減震效果，在進(jìn)行驗(yàn)證時，應(yīng)不予考慮結(jié)構(gòu)裝配的特性；所以在預(yù)制體系中，需要及時更換已經(jīng)損壞的防屈伸支撐的耗能部件，并且增加預(yù)制結(jié)構(gòu)中高抗側(cè)以及耗能性的部件。另一種則是耗能的阻尼節(jié)點(diǎn)減震性能的使用，但在施工安裝中比較復(fù)雜。