預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能研究

尹 冉 北京育才交通工程咨詢監(jiān)理有限公司試驗(yàn)員，助理工程師

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，傳統(tǒng)高污染、低效率的現(xiàn)澆混凝土已不符合綠色建筑的要求。預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)解決了傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)資源浪費(fèi)的問題，減少了建筑垃圾和環(huán)境污染，為綠色建筑、文明施工提供了保障。同時(shí)，采用預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)不僅可以大大縮短施工周期，還能提高生產(chǎn)效率。但是，在發(fā)生地震時(shí)，裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的連接可靠性差，反復(fù)荷載對建筑結(jié)構(gòu)破壞較大，節(jié)點(diǎn)處往往難以達(dá)到結(jié)構(gòu)受力要求。因此，加強(qiáng)對于預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)抗震能力的研究顯得尤為重要。

1 抗震性能試驗(yàn)方法

為了研究結(jié)構(gòu)的抗震性能以及在地震作用下機(jī)理的復(fù)雜性，不僅要采用理論分析研究結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞機(jī)理，還需要通過結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。研究結(jié)構(gòu)抗震性能的試驗(yàn)方法主要有擬靜力試驗(yàn)方法、擬動(dòng)力試驗(yàn)方法以及地震模擬振動(dòng)臺試驗(yàn)方法。

擬靜力試驗(yàn)方法是采用一定荷載控制或者位移控制對試件進(jìn)行反復(fù)循環(huán)加載的方法，能夠使結(jié)構(gòu)構(gòu)件獲得非彈性荷載—變形特性。擬靜力試驗(yàn)方法的特點(diǎn)是加載緩慢，在試驗(yàn)過程中試件不產(chǎn)生慣性力，同時(shí)可以不考慮加載速率的影響；由于加載程序在試驗(yàn)前完全確定，試驗(yàn)的可控性好。常用的擬靜力方法是低周反復(fù)加載試驗(yàn)，此方法也是目前研究結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力與變形性能應(yīng)用最廣泛的方法。擬動(dòng)力試驗(yàn)方法是一種聯(lián)機(jī)試驗(yàn)方法。此方法是通過計(jì)算機(jī)來控制并模擬整個(gè)地震的加載過程，按照動(dòng)力響應(yīng)的要求不斷地施加荷載與位移。與擬靜力試驗(yàn)相比，擬動(dòng)力試驗(yàn)的最大優(yōu)點(diǎn)是可以真實(shí)反映試件在加載全過程的恢復(fù)特性。地震模擬振動(dòng)臺試驗(yàn)方法能再現(xiàn)各種形式的地震波，為試驗(yàn)的多波輸入分析提供了可能，可以模擬若干次地震的初震、主震以及余震的全過程，從而為研究試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性以及結(jié)構(gòu)的抗震性能提供了便利。受振動(dòng)臺尺寸和承載力限制的影響，試件尺寸越小，效應(yīng)越顯著，越難模擬結(jié)構(gòu)內(nèi)部的真實(shí)構(gòu)造。

2 預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)類型研究

現(xiàn)行裝配式結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范中，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)可以分為剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)。

2.1 預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)

在預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)中，水平接縫傳遞豎向荷載，受到水平剪力的影響，增加豎向鋼筋可以提高其抗剪性能。豎向接縫影響地震荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形能力。

預(yù)制混凝土剪力墻豎向預(yù)留金屬波紋管連接，梁板疊合現(xiàn)澆的新型預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)是目前普遍采用的一種形式。朱張峰通過對預(yù)制裝配式剪力墻中間層邊節(jié)點(diǎn)的抗震性能實(shí)驗(yàn)研究和ANSYS 有限元分析，發(fā)現(xiàn)這種連接方式較現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)有相當(dāng)?shù)目拐鹉芰臀灰蒲有?，并且認(rèn)為連接鋼筋宜為HRB400 級熱軋鋼筋，伸入墻750 mm，伸入梁內(nèi)1 250 mm，可以保證節(jié)點(diǎn)的承載力[1]。

姜洪斌研究了插入式預(yù)留孔灌漿鋼筋搭接連接的錨固能力[2]。研究表明，破壞形態(tài)為外部鋼筋達(dá)到屈服強(qiáng)度，無不正常的錨固破壞；內(nèi)部的螺旋加強(qiáng)筋、套箍提高了混凝土對錨固區(qū)的約束作用，能夠增強(qiáng)錨固能力。宋國華對裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)豎向齒槽接縫的抗剪機(jī)理和抗剪承載力進(jìn)行了計(jì)算，提出豎向接縫的抗剪能力主要由接縫混凝土與齒槽之間形成的斜壓桿和橫向鋼筋的受力摩擦承擔(dān)。由此可以得知，在滿足目前要求的前提下，提高橫向鋼筋與周圍混凝土之間的黏結(jié)能力，是提高預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的良策[3]。

2.2 預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)

預(yù)制裝配式框架結(jié)構(gòu)主要包括現(xiàn)澆整體框架結(jié)構(gòu)體系、后澆整體預(yù)制框架結(jié)構(gòu)體系和預(yù)制預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)體系。與預(yù)制裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)相比，它具有更靈活的節(jié)點(diǎn)方式，適用于我國實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化。

趙斌通過對1根后澆整體梁柱組合件、1 根現(xiàn)澆整體梁柱組合件和2 根高強(qiáng)預(yù)制混凝土梁柱組合件進(jìn)行低周反復(fù)加載，在柱節(jié)點(diǎn)位置處設(shè)置預(yù)埋螺栓，實(shí)現(xiàn)端板通過節(jié)點(diǎn)支座、墊板和螺栓與柱進(jìn)行半剛性連接[4]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，現(xiàn)澆和后澆整體式框架結(jié)構(gòu)具有相近的抗震能力，但是半剛性節(jié)點(diǎn)連接的抗震性能較差。其原因在于半剛性節(jié)點(diǎn)雖然能夠承擔(dān)彎矩和一定程度的轉(zhuǎn)動(dòng)，但是在地震作用下的耗能指標(biāo)不如現(xiàn)澆的梁柱組合件。在以后的工程中，如何在半剛性節(jié)點(diǎn)中安裝抗震阻尼器是需要解決的問題。

閆維明通過研究發(fā)現(xiàn)，在低周反復(fù)荷載作用下開裂破壞過程與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)類似[5]。此節(jié)點(diǎn)的連接方式為套筒灌漿連接，現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)比裝配節(jié)點(diǎn)的剛度大，但是退化過程快，說明裝配節(jié)點(diǎn)有較好的抗震性能，而現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)有較好的整體性能。梁柱疊合板邊節(jié)點(diǎn)整體性差是因?yàn)樵谶B接處的拼縫，影響了混凝土抗剪鍵和或者鋼抗剪鍵的性能，建議加長梁底鋼筋在后澆處的錨固長度，以此提高結(jié)構(gòu)的整體性。

3 預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)研究

目前，在不同國家的不同地區(qū)，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)有不一樣的分類方式。我國并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，按位置有梁柱疊合板之間的相互連接方式，按施工方法分為干法連接和濕法連接。以下主要對干法連接和濕法連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行探討。

3.1 干式連接

干式連接有明牛腿連接、暗牛腿連接和型鋼暗牛腿連接，北美洲則廣泛采用鋼吊架式連接。除此之外還有焊接連接和螺栓連接，但是由于在反復(fù)地震荷載作用下，連接方法中無明顯的塑性鉸設(shè)置，容易發(fā)生脆性破壞。

預(yù)應(yīng)力連接也是干式連接的1 種。柳炳康通過對預(yù)壓裝配式框架節(jié)點(diǎn)連接的一榀二層二跨預(yù)應(yīng)力混凝土裝配式框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)梁端在負(fù)彎矩的作用下首先出現(xiàn)塑性鉸，梁柱拼接處出現(xiàn)裂縫，預(yù)應(yīng)力鋼筋屈服，結(jié)構(gòu)基本實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的破壞模式，滿足“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”的設(shè)計(jì)要求，并且具有良好的抗側(cè)移能力和變形能力[6]。

同時(shí)，黃慎江對二榀二層二跨預(yù)壓裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架進(jìn)行了擬動(dòng)力和擬靜力的實(shí)驗(yàn)研究，分析了結(jié)構(gòu)的各種抗震性能[7]。在擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)中，層間位移角滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，有很好的變形協(xié)調(diào)能力。在擬靜力試驗(yàn)中，節(jié)點(diǎn)處由于存在預(yù)壓應(yīng)力，是雙向受壓狀態(tài)，提高了極限承載力，也滿足“大震不倒”的要求。

黃祥海通過對鋼筋混凝土暗牛腿、型鋼暗牛腿和梁端懸挑牛腿進(jìn)行了構(gòu)造和承載力分析，得出在牛腿連接構(gòu)造中，塑性鉸位置應(yīng)取在預(yù)制梁離連接位置的一定距離處[8]。

石彩華對鋼板螺栓連接裝配式混凝土節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元軟件分析和實(shí)驗(yàn)研究，考查鋼板長度和厚度對節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載下受力性能影響，研究發(fā)現(xiàn)法蘭板變形是影響混凝土裂縫的重要因素[9]。

3.2 濕式連接

濕式連接是指預(yù)制梁、柱或構(gòu)件在連接處通過現(xiàn)澆混凝土，成為一個(gè)完整框架結(jié)構(gòu)的連接方，一般包括預(yù)制梁在梁柱節(jié)點(diǎn)連接、在跨中接連和預(yù)制T 型構(gòu)件連接。

濕式連接節(jié)點(diǎn)連接主要包括灌漿連接及整體現(xiàn)澆連接。灌漿連接是將梁、柱受力的鋼筋節(jié)點(diǎn)置于同一套筒，通過灌注漿料填充在套筒內(nèi)部。因?yàn)橹A(yù)制構(gòu)件在施工中需要考慮力最大化傳遞的問題，所以在裝配式施工中更有利于垂直構(gòu)件的連接。相對于焊接等需要投入更多資源的連接方式，灌漿連接既方便又能確保承載力進(jìn)行傳遞。整體現(xiàn)澆連接是指預(yù)制構(gòu)件受力鋼筋在預(yù)制場通過先張法或者后張法進(jìn)行施工，再將其運(yùn)至施工現(xiàn)場，通過對整體進(jìn)行澆筑的方式進(jìn)行連接。整體現(xiàn)澆連接在一定程度上既能提高梁柱節(jié)點(diǎn)的剛度及強(qiáng)度，又能節(jié)約施工成本。然而，相對于傳統(tǒng)工藝建筑結(jié)構(gòu)整體性良好的優(yōu)點(diǎn)來說，整體現(xiàn)澆具有一定的局限性。例如，整體現(xiàn)澆連接對于預(yù)制構(gòu)件的預(yù)制鋼筋強(qiáng)度、現(xiàn)澆混凝土的強(qiáng)度以及新舊混凝土之間的接縫處等有較高的要求，需要經(jīng)過前期大量的試驗(yàn)以及不斷的總結(jié)得出較為精準(zhǔn)的結(jié)論。

關(guān)于這種連接方式的抗震性能，國內(nèi)的相關(guān)研究較少。國外有人針對這3 種構(gòu)造連接方式進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，這種濕式連接的結(jié)構(gòu)總體上與現(xiàn)澆混凝土抗震性能一致，這種連接方式在我國被廣泛應(yīng)用，是目前裝配式建筑施工中選擇較多的施工方式。由于其連接處需要澆筑混凝土、模板和支撐架，因此會(huì)拖慢施工進(jìn)度，增加了施工成本，在今后的發(fā)展中還需要進(jìn)一步改善。

4 結(jié)語

預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)相比于現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)，如較短的施工周期、模塊化建設(shè)、環(huán)保等符合我國綠色發(fā)展的理念。我國還沒有建立一套完善的預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)規(guī)范，且施工環(huán)境復(fù)雜，不利于裝配式建筑發(fā)展。目前，濕式連接仍存在一定的問題，并非真正意義上的裝配式建筑。預(yù)應(yīng)力干式連接是一種可靠且穩(wěn)定的連接方式，因此干式連接節(jié)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)的抗震性能才是今后需要重點(diǎn)研究的方向。