高強混凝土裝配式高層框架結構體系研究*

肖從真，李建輝，程衛(wèi)紅，田春雨，魏 越，李寅斌，孫 超

(1 中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013；2 國家建筑工程技術研究中心，北京 100013)

0 引言

當前乃至今后相當長一段時間內(nèi)，混凝土材料仍然會是我國高層建筑采用的最主要的結構材料。高強混凝土與普通強度混凝土相比，具有節(jié)材、可有效減小結構構件的截面尺寸、增加建筑的使用空間、改善建筑的使用功能、延長結構的使用壽命、縮短施工工期等優(yōu)點[1]。此外，高強混凝土的推廣應用與國家推行的裝配式建筑政策也有很好的契合度[2]。因此，高層建筑中大力推廣高強混凝土，具有重要的學術研究和工程應用價值。

目前，預制混凝土裝配式結構體系的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，國內(nèi)外學者對其進行了較為系統(tǒng)的研究[3-8]。同時，相應的設計規(guī)范《裝配式混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ 1—2014)[9]已經(jīng)頒布實行，此規(guī)范中針對框架結構、剪力墻結構、多層剪力墻結構等多種結構體系給出了詳細的設計方法和施工要求。但現(xiàn)階段的裝配式混凝土結構為了滿足現(xiàn)有的抗震規(guī)范體系實現(xiàn)延性設計，基本要按照等同現(xiàn)澆的原則進行設計，規(guī)范建議的混凝土梁柱節(jié)點、梁板節(jié)點均需要通過節(jié)點區(qū)現(xiàn)澆實現(xiàn)節(jié)點的可靠構造連接[10]，現(xiàn)場施工無法徹底擺脫濕作業(yè)，施工周期優(yōu)勢不明顯。

針對現(xiàn)有裝配式建筑存在的問題，本文闡述了高強混凝土在裝配式高層建筑中的應用思路，對高強混凝土裝配式高層框架結構體系的組成進行了介紹，并對其進行了抗震性能試驗研究。

1 高強混凝土在裝配式高層建筑中的應用思路

目前我國《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)中規(guī)定，結構在滿足承載力要求的同時，必須具備足夠的變形能力。高強材料沒有足夠的延性，高強混凝土結構構件可能無法同時滿足承載力和變形能力兩個條件，因此，高強混凝土在高層建筑中的應用思路如圖1所示。

圖1 高強混凝土在高層建筑中的應用思路

高強混凝土高層建筑結構如需達到抗震安全性要求，基本思路有兩種，具體如下：

(1)提升結構自身的抗震能力

通過高強混凝土-鋼組合結構體系來提升結構自身的抗震能力，充分發(fā)揮高強混凝土抗壓強度高的特性，同時，利用鋼材改善構件的延性，從而滿足高強混凝土高層建筑結構體系的抗震安全性。目前，復雜高層及超高層建筑結構絕大部分采用此種結構體系，國內(nèi)外對鋼-混凝土組合結構構件及體系[11]有了較為深入的研究，本文不再贅述。

(2)增加消能減震裝置提高結構抗震能力

區(qū)別于傳統(tǒng)結構抗震設計思想，采用高強混凝土材料，可實現(xiàn)在提高構件長細比的同時，顯著提高高強混凝土高層建筑結構的彈性極限應變，有效改善結構的極限彈性層間變形能力，使得構件中震彈性設計(甚至大震彈性設計)存在可能性。同時，在結構中設置具有較大耗能能力的消能減震裝置，保證在大震或超越抗震設防烈度設計值的地震作用下，消能減震裝置產(chǎn)生較大阻尼，集中耗能，降低結構地震響應，避免主體結構嚴重損傷。

因此，結合裝配式建筑特點，高強混凝土在裝配式高層建筑中發(fā)展方向如圖2所示。

圖2 高強混凝土裝配式高層建筑發(fā)展方向

2 高強混凝土裝配式高層框架結構體系的組成

本文提出的高強混凝土裝配式高層框架結構體系，由高強混凝土預制梁柱、大變形能力干式連接節(jié)點、耗能系統(tǒng)、樓蓋系統(tǒng)等組成，可發(fā)揮高強混凝土、耗能系統(tǒng)、干式連接節(jié)點的強度高、耐久性好、安裝快速、抗震性能好等優(yōu)勢，高強混凝土裝配式高層框架結構體系如圖3所示。

圖3 高強混凝土裝配式高層框架結構體系

在豎向荷載作用下，高強混凝土裝配式高層框架結構體系的荷載傳遞路徑為：板→梁→柱→基礎，構件均處于彈性狀態(tài)，耗能構件不參與工作。

在風荷載作用下，高強混凝土裝配式高層框架結構體系的荷載傳遞路徑為：外圍護系統(tǒng)→樓蓋，再由樓蓋系統(tǒng)按照剛度分配給框架和耗能構件。構件均處于彈性狀態(tài)，耗能構件提供側向剛度和承載力。

在地震作用下，高強混凝土裝配式高層框架結構體系的層慣性力由樓蓋系統(tǒng)分配給框架和耗能構件?？蚣軜嫾到y(tǒng)提供側向剛度和承載力，但是基本不提供耗能能力。小震、中震作用下框架構件系統(tǒng)保持不屈服，大震作用下需控制框架構件系統(tǒng)進入塑性的程度；在小震作用下耗能構件主要提供側向剛度和承載力，中震、大震作用下提供承載力和附加阻尼，改變結構的動力特性，并耗散地震輸入的能量。

3 高強混凝土裝配式高層框架結構體系抗震性能試驗研究

3.1 試件設計

本次試驗的框架為2榀單榀3跨2層高性能裝配式框架，由于梁柱干式節(jié)點縮尺模型加工制作困難，且容易造成模擬失真，本試驗基本采用半足尺試驗設計。試驗模型框架層高2.5m，兩側邊跨跨度為5.0m，中間布置跨度為3.0m的耗能系統(tǒng)。框架柱截面尺寸為450mm×450mm，框架梁截面尺寸為250mm×450mm，兩側邊跨框架梁設置寬度300mm的挑板，便于試驗堆載和試驗過程中上人觀測；阻尼器基墻截面尺寸為200mm×750mm，高775mm，剪切型金屬阻尼器高500mm?；炷翗嫾陬A制場預制，運至實驗室進行安裝，試驗框架整體布置如圖4所示。共設置了兩組框架試驗模型，均為高強螺栓干式連接梁柱節(jié)點，其中模型組KJ1與模型組KJ2的節(jié)點區(qū)螺桿無粘結長度分別為200，150mm，金屬阻尼器屈服承載力分別為125，150kN，兩組框架試驗模型組的主要變量如表1所示。

圖4 試驗框架整體布置

兩組框架試驗模型組的主要變量 表1

框架梁柱節(jié)點采用螺桿連接型干式節(jié)點，通過在框架梁端設置擴大頭，實現(xiàn)梁柱的螺桿連接構造，試驗框架梁柱節(jié)點構造如圖5所示。通過在梁端擴大頭內(nèi)側設置預埋角鋼和柱外側設置預埋鋼板墊板，實現(xiàn)強節(jié)點區(qū)構造，避免試驗過程中出現(xiàn)混凝土局壓破壞。根據(jù)足尺節(jié)點試驗情況反饋，梁柱拼裝完成后，在框架梁頂面設置抗剪角鋼件，實現(xiàn)節(jié)點區(qū)抗彎和抗剪作用的拆分，有效改善節(jié)點的受力狀態(tài)。

圖5 試驗框架梁柱節(jié)點構造設計

本試驗設計的高強螺栓干式連接梁柱節(jié)點，梁端設置加寬擴大段，在擴大段側面和預制柱內(nèi)對應位置預埋鋼套管，通過高強螺栓施加一定的預緊力實現(xiàn)節(jié)點連接，高強螺栓與套筒之間無粘結。

3.2 試驗結果

混凝土框架整體的裂縫如圖6所示，混凝土構件整體處于不屈服的狀態(tài)，實現(xiàn)了高強混凝土裝配式高層框架結構預設的損傷模式。

圖6 整榀框架的裂縫

阻尼器耗能系統(tǒng)在高強混凝土裝配式高層框架結構體系中發(fā)揮了主要的滯回耗能作用，有效控制了框架梁柱構件的損傷發(fā)展，實現(xiàn)了阻尼器系統(tǒng)在高強混凝土裝配式高層框架結構中的預設工作模式。阻尼器的屈服形態(tài)如圖7所示。

圖7 阻尼器的屈服形態(tài)

試件的滯回曲線如圖8所示，由圖8可知：1)模型組KJ1框架結構的滯回曲線基本呈反S形，滯回曲線捏縮效應明顯，滯回環(huán)形狀不飽滿。由于首層中間跨框架梁較早出現(xiàn)剪切破壞，往復加載過程中金屬阻尼器的耗能機制未得到充分發(fā)揮，框架結構的整體耗能能力略差。2)模型組KJ2框架結構的滯回曲線基本呈梭形，滯回曲線飽滿，表明整個往復加載過程中金屬阻尼器處于穩(wěn)定耗能狀態(tài)，框架結構的整體耗能能力良好。

圖8 框架基底剪力-頂點位移滯回曲線

綜上所述，試驗結果表明：

(1)模型組KJ1試驗中首層中間跨框架梁發(fā)生剪切破壞，金屬阻尼器的后期屈服位移發(fā)展有限，其他框架梁柱構件未出現(xiàn)混凝土壓潰或鋼筋屈服現(xiàn)象，因此框架結構未實現(xiàn)有效的耗能機制，結構滯回曲線相對捏攏。模型組KJ2試驗前對阻尼器相鄰構件進行了加強設計，試驗中所有的框架梁柱構件未出現(xiàn)混凝土壓潰或鋼筋屈服現(xiàn)象，剪切型金屬阻尼器始終處于往復剪切耗能狀態(tài)，整體框架結構形成了有效的耗能機制，結構滯回曲線較飽滿。

(2)模型組KJ1試驗加載終止時框架的基底水平承載力是峰值承載力的80%～90%，框架結構承載力的衰退穩(wěn)定，平均延性系數(shù)均在3.6以上，結構延性性能良好；模型組KJ2試驗加載至位移角約為1/50時，框架結構的承載力還未下降，受限于作動器加載能力的限制，拉壓平均延性系數(shù)計算值均在2.56以上，終止加載時結構滯回曲線飽滿，框架結構的承載力穩(wěn)定性良好，結構的延性性能良好。

(3)試驗框架加載終止時，模型組KJ1試驗框架正向加載情況下首層、二層的層間極限位移角分別為1/50，1/80；反向加載情況下，首層、二層的層間極限位移角分別為1/54，1/82。模型組KJ2試驗框架正向加載情況下首層、二層的層間極限位移角分別為1/49，1/84；反向加載情況下，首層、二層的層間極限位移角分別為1/41，1/60。由此可見，高強混凝土裝配式高層框架結構具有較好的抗震性能，滿足《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)對混凝土結構在罕遇地震作用下彈塑性層間位移角1/50的限值要求，符合大震不倒的位移要求。

(4)試驗框架加載至極限狀態(tài)時，模型組KJ1的等效黏滯阻尼系數(shù)在0.02～0.06左右，說明耗能系統(tǒng)工作不穩(wěn)定；模型組KJ2的等效黏滯阻尼系數(shù)在0.06～0.08左右，說明耗能系統(tǒng)工作狀態(tài)良好。通過確保耗能系統(tǒng)連接構件的加強設計，保證連接構件的設計承載力高于消能減震裝置的屈服強化承載力，能夠保證耗能系統(tǒng)處于良好的工作狀態(tài)，實現(xiàn)高強混凝土裝配式高層框架結構的良好耗能機制，從而實現(xiàn)整體結構預設的破壞模式。

4 結論

(1)為了使高強混凝土高層建筑結構達到抗震安全性要求，兩種基本設計思路分別為提升結構自身的抗震能力和增加消能減震裝置提高結構抗震能力。結合裝配式建筑的特點，采用高強混凝土預制豎向構件、普通混凝土水平構件，實現(xiàn)結構的中震(甚至大震)彈性設計，通過消能減震裝置進行大震耗能，是高強混凝土在裝配式高層建筑中的發(fā)展方向。

(2)本文提出的高強混凝土裝配式高層框架結構體系，可充分利用高強混凝土材料、消能減震技術的優(yōu)勢，形成具有高抗震安全性、高耐久性、施工便利的裝配式高層建筑結構。

(3)高強混凝土裝配式高層框架結構體系整體結構抗震性能試驗表明：該結構體系具有良好的抗震性能，屈服模式基本符合預設屈服模式，框架梁、柱構件的延性設計要求較普通框架均有所降低，有利于充分發(fā)揮高性能預制混凝土的性能優(yōu)勢。