裝配式混凝土結(jié)構(gòu)若干問題的探討

周 金，徐其功

（1、廣東省建科建筑設(shè)計(jì)院有限公司 廣州 510500；2、廣東省廣建設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 廣州 510500）

0 引言

隨著國家以及各省份對于工業(yè)化建筑的大力推廣，我國工業(yè)化建筑發(fā)展迅速。如今，建筑工業(yè)化已從施工領(lǐng)域、科技領(lǐng)域登上了國民經(jīng)濟(jì)重要產(chǎn)業(yè)的舞臺。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)作為工業(yè)化建筑的重要組成部分，已成為中國建筑業(yè)由傳統(tǒng)建造方式向工業(yè)化建造方式轉(zhuǎn)變的主要代表之一。開展一系列關(guān)鍵技術(shù)的研究與創(chuàng)新工作，是促進(jìn)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展的重中之重。本文結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范和研究成果，就裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件連接以及裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能化設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，在保證安全性的前提下，使裝配式混凝土結(jié)構(gòu)更具經(jīng)濟(jì)性和適用性。

1 結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系與抗重力體系

抗側(cè)力體系是指結(jié)構(gòu)中抵抗側(cè)向作用或同時(shí)抵抗側(cè)向作用和相應(yīng)豎向荷載的結(jié)構(gòu)體系；抗重力體系是指結(jié)構(gòu)中僅承擔(dān)豎向荷載、不考慮其側(cè)向剛度與側(cè)向承載力貢獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)體系。在我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50011—2010》［1］中，明確提出了結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系，但未對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗側(cè)力體系與抗重力體系的區(qū)分。在美國和新西蘭等國家的規(guī)范中，結(jié)構(gòu)分為抗側(cè)力體系與抗重力體系，所有側(cè)向荷載由抗側(cè)力體系承擔(dān)；抗重力體系僅承受豎向荷載作用，不考慮其對側(cè)向剛度與側(cè)向承載力的貢獻(xiàn)，但需具有與抗側(cè)力體系部分協(xié)同變形的能力。

目前，我國裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法是按照現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法未能充分考慮裝配式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)［2］。在傳統(tǒng)的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于所有節(jié)點(diǎn)都是現(xiàn)澆，因此所有構(gòu)件均按抗側(cè)力體系進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖1?所示。在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件間的連接可以根據(jù)需要選擇剛接或鉸接，因此可以對結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系與抗重力體系進(jìn)行區(qū)分設(shè)計(jì)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，可根據(jù)結(jié)構(gòu)高度、構(gòu)件跨度以及建筑要求等確定結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力體系和抗重力體系。如圖1?所示結(jié)構(gòu)布置，采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力體系，抵抗風(fēng)荷載、水平地震作用和部分豎向重力荷載；混凝土框架結(jié)構(gòu)作為抗重力體系，僅承受自重和豎向荷載作用。對抗側(cè)力體系部分，可以按照現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)；對抗重力體系部分，構(gòu)件間的連接可以采用鉸接的形式，連接簡單，施工方便，具有顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 結(jié)構(gòu)體系布置示意圖Fig.1 Diagrams of Structural System Arrangement

2 濕連接與干連接

不同類型的連接節(jié)點(diǎn)，其連接構(gòu)造、力學(xué)特性等均不同，在設(shè)計(jì)中可根據(jù)實(shí)際情況采用［3］。濕連接是指預(yù)制構(gòu)件間主要縱向受力鋼筋的拼接部位，用現(xiàn)澆混凝土或灌漿填充的連接方法［4］。濕連接的強(qiáng)度、剛度與變形與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)類似，因此《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 1—2014》［5］中給出的主要構(gòu)件間的連接均采用濕連接，在實(shí)際工程項(xiàng)目中，濕連接應(yīng)用也最為廣泛。濕連接構(gòu)造示意如圖2所示。

圖2 濕連接構(gòu)造示意Fig.2 Diagrams of Wet Connection （mm）

干連接是指預(yù)制構(gòu)件間連接不屬于濕連接的連接方法。與所連接的預(yù)制構(gòu)件相比，干連接剛度較小，變形主要集中于干連接處，當(dāng)變形較大時(shí)，在干連接處會出現(xiàn)一條集中裂縫，這與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的變形行為有較大差異。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)抗重力體系主要抵抗重力荷載效應(yīng)，在地震作用下承受側(cè)向力較少，其塑性變形行為對結(jié)構(gòu)整體變形行為影響較小，因此可以采用干連接。在考慮結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大設(shè)計(jì)側(cè)向位移時(shí)，干連接應(yīng)具有一定的強(qiáng)度，確?？怪亓w系豎向承載能力，保證結(jié)構(gòu)安全。部分干連接連接形式如圖3所示。

圖3 干連接示意圖Fig.3 Diagrams of dry connection

3 強(qiáng)連接與延性連接

強(qiáng)連接是指結(jié)構(gòu)在地震作用下達(dá)到最大側(cè)向位移時(shí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入塑性狀態(tài)，而連接部位仍保持彈性狀態(tài)的連接；延性連接是指結(jié)構(gòu)在地震作用下，連接部位可以進(jìn)入塑性狀態(tài)并具有滿足要求的塑性變形能力的連接。對于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的控制區(qū)域，接縫要實(shí)現(xiàn)強(qiáng)連接，保證不在接縫處發(fā)生破壞，即要求接縫的承載力設(shè)計(jì)值大于被連接構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)值。對于其他區(qū)域的接縫，可采用延性連接，允許連接部位產(chǎn)生塑性變形。強(qiáng)連接與延性連接接縫的承載力設(shè)計(jì)值均應(yīng)大于設(shè)計(jì)內(nèi)力，保證接縫的安全。

3.1 美國規(guī)范《Building code requirements for structur?al concrete（ACI 318-14）and commentary》［6］中延性連接與強(qiáng)連接的規(guī)定

3.1.1 延性連接

文獻(xiàn)［6］指出，預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)中采用延性連接時(shí)，除應(yīng)滿足現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)的規(guī)定外，還應(yīng)滿足以下規(guī)定：

⑴延性連接的抗剪承載力不應(yīng)小于考慮塑性鉸極限變形產(chǎn)生的剪力的2倍；

⑵梁端鋼筋灌漿套筒連接或機(jī)械連接的位置距離梁、柱接頭柱端面的距離應(yīng)大于h∕2，h為梁高，如圖4所示。

圖4 梁-柱延性連接示意圖Fig.4 Diagrams of Beam-to-column Ductile Connection

3.1.2 強(qiáng)連接

PALMIERI L等人對8個不同形式的預(yù)制梁、柱連接進(jìn)行了反復(fù)加載試驗(yàn)［7］，試驗(yàn)研究表明，采用圖5所示類型的連接方式時(shí)，在預(yù)制梁、柱連接的結(jié)合部，由于構(gòu)件間沒有足夠的塑性變形長度，結(jié)合部的鋼筋會產(chǎn)生應(yīng)力集中而發(fā)生脆性破壞。因此，在地震作用下，為避免此處發(fā)生破壞，應(yīng)確保連接處的鋼筋保持彈性。在預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)中采用強(qiáng)連接的形式，目的是保證梁中鋼筋的屈服發(fā)生在連接區(qū)域以外處，而連接處的鋼筋仍然處于彈性而不發(fā)生脆性破壞。

圖5 梁-柱強(qiáng)連接示意圖Fig.5 Diagrams of Beam-to-column Strong Connection

文獻(xiàn)［6］指出，采用強(qiáng)連接時(shí)，除應(yīng)滿足現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中的相關(guān)要求外，還應(yīng)遵循以下規(guī)定：

⑴強(qiáng)連接接合部的設(shè)計(jì)承載力φ Sn（抗彎、抗剪、軸拉和軸壓）應(yīng)不小于考慮塑性鉸極限變形時(shí)強(qiáng)連接接合部產(chǎn)生的相應(yīng)效應(yīng)Sn（彎矩、剪力、軸向拉力和壓力）；

⑵ 預(yù)制構(gòu)件的主要縱向鋼筋在強(qiáng)連接處應(yīng)連續(xù)，并延伸至強(qiáng)連接接合部與塑性鉸區(qū)域外；

⑶預(yù)制柱之間的強(qiáng)連接，φ Sn應(yīng)不小于1.4Se；在層高范圍內(nèi)，強(qiáng)連接接合部的設(shè)計(jì)抗彎承載力φ Mn應(yīng)不小于0.4Mpr，設(shè)計(jì)抗剪承載力φ Vn應(yīng)不小于Ve。

式中：φ為名義承載力折減系數(shù)；Sn為名義承載力；Se為非彈性側(cè)向變形時(shí)，屈服區(qū)域的承載力極限狀態(tài)效應(yīng)值。在計(jì)算連接鋼筋的極限抗彎強(qiáng)度Mpr時(shí)，鋼筋的強(qiáng)度為屈服強(qiáng)度的1.25倍，且名義承載力折減系數(shù)取為1.0。根據(jù)《Prestandard and commentary for the seismic rehabilitation of buildings》［8］中鋼筋各種強(qiáng)度間的換算關(guān)系，統(tǒng)計(jì)的鋼筋屈服強(qiáng)度平均值為1.25fy。

3.2 文獻(xiàn)［5］中延性連接與強(qiáng)連接的規(guī)定

由于鋼筋灌漿套筒連接或機(jī)械連接的材料強(qiáng)度高于被連接鋼筋，為了避免屈服集中于連接處與梁柱接頭柱端面之間一段較短鋼筋中，鋼筋灌漿套筒連接或機(jī)械連接的位置與梁柱接頭柱端面需保持一定的距離。文獻(xiàn)［5］中指出，采用預(yù)制柱及疊合梁的裝配式框架節(jié)點(diǎn)，梁下部縱向鋼筋可伸至節(jié)點(diǎn)區(qū)外的后澆段內(nèi)連接，連接接頭與節(jié)點(diǎn)區(qū)的距離不應(yīng)小于1.5 倍梁高，如圖6所示。此項(xiàng)規(guī)定與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)中梁、柱節(jié)點(diǎn)處鋼筋的連接要求相同。鋼筋連接部位距梁端超過1.5倍梁高，可以保證在設(shè)計(jì)地震作用下，梁端塑性鉸區(qū)的性能。

圖6 梁-柱延性連接示意圖Fig.6 Diagrams of Beam-to-column Ductile Connection

3.3 延性連接與強(qiáng)連接的應(yīng)用

在裝配式結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系中，合理安排強(qiáng)連接和延性連接能位置，能夠保證結(jié)構(gòu)抗側(cè)力系統(tǒng)“強(qiáng)柱弱梁”的機(jī)制，從而保證塑性鉸出現(xiàn)在梁端，使得裝配式結(jié)構(gòu)的整體性能和現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)類同。其中強(qiáng)連接在設(shè)防烈度地震作用下保持彈性狀態(tài)，不需考慮其塑性變形行為，故可以使用濕連接和干連接；延性連接在設(shè)防烈度地震作用下會進(jìn)入塑性變形狀態(tài)，濕連接的塑性變形行為與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)類同，可以采用。

當(dāng)裝配式結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系中的連接設(shè)計(jì)采用延性連接時(shí)，延性連接接合部的抗剪承載力應(yīng)大于相鄰被連接預(yù)制構(gòu)件截面的抗剪承載力，保證連接接合部抗剪強(qiáng)度強(qiáng)于被連接構(gòu)件，避免剪切破壞最先發(fā)生于連接接合部。

4 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)

工程師在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)、拆分后必須全面地考慮結(jié)構(gòu)在地震作用下的表現(xiàn)，準(zhǔn)確地預(yù)計(jì)結(jié)構(gòu)在地震尤其是罕遇地震下的響應(yīng)及震后破壞程度，使其在地震時(shí)及地震后能保持預(yù)定的功能，這使得裝配式混凝土結(jié)構(gòu)采用抗震性能化設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

4.1 美國規(guī)范中的抗震性能化設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)［8］中，將結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)劃分為立即使用、損傷控制范圍、生命安全、有限的安全范圍、防止倒塌、不考慮6 個等級，其中立即使用、生命安全、防止倒塌為大部分結(jié)構(gòu)常用的性能水準(zhǔn)。

《Seismic rehabilitation of existing buildings》［9］中，將所有對結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度有較大影響的構(gòu)件或在結(jié)構(gòu)側(cè)向變形下仍然具有承載能力的構(gòu)件劃分為主要構(gòu)件和次要構(gòu)件，并將構(gòu)件的效應(yīng)按“承載力控制”和“變形控制”進(jìn)行分類，并對主要構(gòu)件P和次要構(gòu)件S的變形值給出了定量的規(guī)定，如圖7所示。

圖7 力-變形曲線表示的結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)Fig.7 Component or Element Deformation Acceptance Criteria

4.2 我國規(guī)范中的抗震性能化設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)［1］將性能水準(zhǔn)分為5 個等級：基本完好（含完好）、輕微損壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞和倒塌；性能目標(biāo)分為A、B、C、D 共4個等級；不同性能要求的參考指標(biāo)分為承載力參考指標(biāo)和層間位移參考指標(biāo)?！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010》［10］給出了各性能目標(biāo)在各地震動（小震、中震、大震）作用下的性能水準(zhǔn)描述。文獻(xiàn)［10］要求指定構(gòu)件類型，包括關(guān)鍵構(gòu)件、普通豎向構(gòu)件、耗能構(gòu)件；其中關(guān)鍵構(gòu)件是指該構(gòu)件的失效可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的連續(xù)破壞或危及生命安全的嚴(yán)重破壞的構(gòu)件，普通豎向構(gòu)件是指關(guān)鍵構(gòu)件之外的豎向構(gòu)件，耗能構(gòu)件包括框架梁、剪力墻連梁及耗能支撐等。

4.3 《裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ 15-107—2016》［11］抗震性能化設(shè)計(jì)

4.3.1 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)

與文獻(xiàn)［1］中性能設(shè)計(jì)的要求一致，將裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)分為4 個等級，將抗震性能分為5 個水準(zhǔn)，抗震性能水準(zhǔn)可按表1進(jìn)行宏觀判別。

表1 各性能水準(zhǔn)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)期的震后性能狀況Tab.1 The Expected Performance of Precast Concrete Structure after the Earthquake under the Different Performance Level

4.3.2 “承載力控制”與“變形控制”

在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，可能出現(xiàn)塑性變形部位應(yīng)具有足夠變形能力，避免變形能力不足引起不可預(yù)期的破壞；不應(yīng)出現(xiàn)塑性鉸的部位應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度。文獻(xiàn)［9］采用“承載力控制”與“變形控制”的方法對裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中不同的部位進(jìn)行劃分。裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中允許出現(xiàn)塑性變形的區(qū)域、效應(yīng)可按表2 確定，由承載力控制的區(qū)域、效應(yīng)可按表3確定。

表2 裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中允許出現(xiàn)塑性變形的區(qū)域和效應(yīng)Tab.2 Areas and Effects that Allow Plastic Deformation in Fabricated Reinforced Concrete Structures

表3 裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中承載力控制的區(qū)域和效應(yīng)Tab.3 Areas and Effects of Bearing Capacity Control in Fabricated Reinforced Concrete Structures

由承載力控制的抗震承載力計(jì)算采用文獻(xiàn)［10］的計(jì)算方法，層間位移角限值滿足確定。對于進(jìn)入屈服的構(gòu)件是以變形來控制，主要依據(jù)美國規(guī)范的主體思想，在綜合國內(nèi)外規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對不同性能水準(zhǔn)，采用“三指標(biāo)”控制，即結(jié)構(gòu)整體層次的層間位移指標(biāo)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件層次的承載力控制指標(biāo)、變形控制指標(biāo)，從而有針對性地設(shè)計(jì)出更加合理的結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語

⑴在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，區(qū)分抗重力體系與抗側(cè)力體系，確定不同結(jié)構(gòu)的連接方式，結(jié)構(gòu)受力和分工明確，可帶來顯著的技術(shù)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

⑵根據(jù)結(jié)構(gòu)抗重力體系與抗側(cè)力體系的受力情況，選擇相應(yīng)的干連接和濕連接，可提高施工效率。

⑶在結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系中，合理確定延性連接和強(qiáng)連接的位置，能夠保證結(jié)構(gòu)抗側(cè)力系統(tǒng)“強(qiáng)柱弱梁”的機(jī)制，從而保證塑性鉸出現(xiàn)在梁端，使得裝配式結(jié)構(gòu)的整體性能滿足抗震設(shè)計(jì)要求。

⑷確定裝配式結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)，區(qū)分“承載力控制”與“變形控制”區(qū)域，有針對性的解決問題，不僅可以確保結(jié)構(gòu)具有良好的變形耗能能力，實(shí)現(xiàn)大震下不倒塌，同時(shí)也可以合理的確定結(jié)構(gòu)所用的鋼筋的強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)構(gòu)造的要求，避免對整個結(jié)構(gòu)所用的全部鋼筋、混凝土以及構(gòu)造都提出過高的要求，造成不必要的浪費(fèi)。