裝配式建筑抗震性能影響因素研究

邱禮苗

（廈門智欣建工科技有限公司，福建 廈門 361023）

0 引言

現(xiàn)階段裝配式建筑采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工業(yè)化生產(chǎn)、裝配化施工等便捷有效的方式，可以準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)精度，減少實(shí)地施工的各項(xiàng)操作和現(xiàn)場(chǎng)濕式作業(yè)帶來(lái)的各種材料浪費(fèi)，并有效地解決了環(huán)境污染等問(wèn)題。其相比于傳統(tǒng)的建筑建造方法而言，更加節(jié)能環(huán)保，更符合現(xiàn)在國(guó)家所倡導(dǎo)的綠色協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展的建筑產(chǎn)業(yè)化［1］。雖然預(yù)制裝配式建筑的整體承載能力不如現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)強(qiáng)，剛度和耗能性也相對(duì)較低，但是其變形能力卻是現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)無(wú)法比擬的；預(yù)制裝配式建筑所存在的缺陷可以采用重新配置鋼筋分布，改變節(jié)點(diǎn)處連接形式，添加外掛結(jié)構(gòu)或改變澆筑填充材料等方法來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ)，這就使其整體結(jié)構(gòu)既有良好的承載能力、剛度、耗能性的同時(shí)也具有好的變形能力、可修護(hù)能力以及經(jīng)濟(jì)性。

由于中國(guó)地域廣闊，有些地帶地震多發(fā)，且地震強(qiáng)度大。以汶川地震為例,該地震受災(zāi)面積多達(dá)44萬(wàn)km2，在四川、甘肅和陜西3省的237個(gè)市縣地震強(qiáng)度較大，尤其是在汶川及周邊地區(qū)，此次地震波及大半個(gè)中國(guó)及亞洲多個(gè)國(guó)家［2］，導(dǎo)致大量人員傷亡，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此必須對(duì)建筑的抗震性能提出較高的要求，然而僅從剛度、強(qiáng)度等方面著手是不夠的，同時(shí)還應(yīng)兼顧建筑的結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)等。了解裝配式建筑在總體結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)連接等方面對(duì)抗震性能的影響然后選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)施工方案，充分發(fā)揮裝配式建筑的優(yōu)勢(shì)，研究并建立抗震性能評(píng)估模型，以更好地優(yōu)化裝配式建筑的剪力墻結(jié)構(gòu)。由于我國(guó)在裝配式建筑剪力墻結(jié)構(gòu)方面的研究起步較晚，傳統(tǒng)評(píng)估模型在評(píng)估時(shí)缺少綜合性的分析，這使得當(dāng)下已有的評(píng)估模型的評(píng)估誤差較大。我國(guó)裝配式建筑的發(fā)展還處于初級(jí)階段，在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)施工、驗(yàn)收等階段存在大量待解決的問(wèn)題，在產(chǎn)業(yè)管理和專業(yè)技術(shù)上也缺乏經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外裝配式建筑的發(fā)展現(xiàn)狀和特點(diǎn)，積極探索先進(jìn)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)，彌補(bǔ)不足，是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

1 裝配式建筑節(jié)點(diǎn)連接對(duì)抗震性能的影響

裝配式建筑抗震性能不同，是由于不同結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)中抗震節(jié)點(diǎn)、軸壓比、接縫連接等整體框架設(shè)計(jì)對(duì)抗震性能的影響。通過(guò)調(diào)查以往地震災(zāi)害可知連接節(jié)點(diǎn)處的破壞是建筑物在地震災(zāi)害中損壞的主要原因。因此要保證裝配式建筑抗震性能關(guān)鍵在于節(jié)點(diǎn)處的連接，規(guī)范中提到的“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”設(shè)計(jì)原則［3］是一種良好的連接構(gòu)造形式，能保證節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件具有相近的壽命周期，這對(duì)抗震節(jié)點(diǎn)的研究具有指導(dǎo)意義，通過(guò)合理地設(shè)計(jì)能夠有效降低經(jīng)濟(jì)損失，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全等。

1.1 節(jié)點(diǎn)連接結(jié)構(gòu)對(duì)抗震性能的影響

通過(guò)對(duì)多個(gè)現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)和預(yù)制構(gòu)件的拼接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗震試驗(yàn)，結(jié)果顯示當(dāng)節(jié)點(diǎn)存在有黏結(jié)的情況下結(jié)構(gòu)整體耗能要比無(wú)黏結(jié)的預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)更低。在抗彎承載力和延性方面，與馮波［4］通過(guò)低周反復(fù)試驗(yàn)得出的采用無(wú)黏結(jié)后張預(yù)緊力連接的預(yù)制式節(jié)點(diǎn)都高于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的結(jié)論相符。在裝配式框架節(jié)點(diǎn)處運(yùn)用張拉無(wú)黏結(jié)的鋼筋進(jìn)行連接，對(duì)其進(jìn)行低周反復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果顯示這樣連接的節(jié)點(diǎn)具有相對(duì)較好的抗震性能，即使在地震多發(fā)且地震強(qiáng)度大的地區(qū)也有足夠的安全可靠性。考慮到鍵槽長(zhǎng)度不同可能影響預(yù)制式結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力節(jié)的點(diǎn)抗震性能，故選擇不同鍵槽長(zhǎng)度的節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行多次加載測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)的鍵槽長(zhǎng)度與結(jié)構(gòu)的抗震性能指標(biāo)呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。在世構(gòu)體系中［5］，采用不同的方法制作U形鋼筋及選用不同的施工方式都對(duì)節(jié)點(diǎn)的抗震性能有不同程度的影響。一種新型的U型鋼絞線的半預(yù)制結(jié)構(gòu)與普通鋼筋都能保證抗震性能的情況下，此種板預(yù)制結(jié)構(gòu)能極大提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并在變形上更加靈活。

采用無(wú)主筋U型RC梁外殼和柱預(yù)制外殼［6］時(shí)，在外殼內(nèi)添加鋼筋結(jié)構(gòu)，不但可以使核心區(qū)鋼筋結(jié)構(gòu)保障裝配的連續(xù)性，而且還很好地和預(yù)制梁的筋錨固起來(lái)，固定并澆筑核心混凝土，養(yǎng)護(hù)成型，以形成裝配式T型節(jié)點(diǎn)。這種節(jié)點(diǎn)連接方法可以得到整體性、耗能性和抗震性都良好的結(jié)構(gòu)，能很好地達(dá)到建筑所需的安全要求。但由于錨固過(guò)程中的筋較多，導(dǎo)致需澆筑的地方操作空間不足，給施工增添了較大的困難，且容易出現(xiàn)開(kāi)裂等問(wèn)題。為了避免這些問(wèn)題，有研究者采用工程水泥基復(fù)合材料來(lái)增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)區(qū)域的抗震性能。除此之外，在錨固筋為外殼提供足夠的施工強(qiáng)度的情況下，盡可能地選用較短的錨固筋對(duì)預(yù)制梁進(jìn)行連接，這種短型連接可以減少鋼筋在連接段占據(jù)的空間，進(jìn)而為后澆材料的添加提供便利，有效避免澆筑難的問(wèn)題，提高節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量，以保證其節(jié)點(diǎn)抗震性能。對(duì)內(nèi)含鋼筋結(jié)構(gòu)的預(yù)制外殼澆筑成型的新型節(jié)點(diǎn)，在高軸壓比的裝配式預(yù)應(yīng)力條件下對(duì)其進(jìn)行低周反復(fù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)滯回曲線飽滿、耗能能力強(qiáng)、抗震性能良好。

1.2 節(jié)點(diǎn)不同連接形式對(duì)抗震性能的影響

裝配式框架節(jié)點(diǎn)是通過(guò)安裝雙鉛芯形式的扇形鉛黏彈性阻尼器［7］的一種新設(shè)計(jì)的現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)試件，這種扇形鉛黏彈性阻尼器可以讓試件接點(diǎn)處力的狀態(tài)發(fā)生改變，并起到保護(hù)作用，明顯提高了節(jié)點(diǎn)抗震性能。胡珊珊等［8］研究了一種三層單跨裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架節(jié)點(diǎn)的抗震性能，這種三層單跨裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架的破壞出現(xiàn)在梁端，雙向應(yīng)力狀態(tài)并未使節(jié)點(diǎn)核心區(qū)發(fā)生破壞，框架整體結(jié)構(gòu)延性優(yōu)良，能有效抗裂、抗變形。對(duì)多個(gè)足尺試件進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)值分析，保證縱向分布的鋼筋完全屈服的尺寸限制，同時(shí)得到一種具有良好力學(xué)性能和抗震特性的新型節(jié)點(diǎn)。將全裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土梁與高強(qiáng)鋼筋混凝土柱端板螺栓連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗震和受力機(jī)理分別進(jìn)行研究分析，顯示其抗震性能良好。為了研究預(yù)應(yīng)力自復(fù)位混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，對(duì)預(yù)應(yīng)力自復(fù)位預(yù)制框架中節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)澆框架中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)在交變應(yīng)力水平較低的低周往復(fù)試驗(yàn)中，預(yù)應(yīng)力自復(fù)位預(yù)制框架中節(jié)點(diǎn)能利用角鋼耗能，較好地控制了殘余變形，得到更好的震后可修復(fù)性整體結(jié)構(gòu)，并且可以重復(fù)使用，能大大降低成本。

2 裝配式建筑節(jié)點(diǎn)連接方式對(duì)抗震性能的影響

裝配式建筑的連接方式可分為干式連接和濕式連接。干式連接是在施工現(xiàn)場(chǎng)無(wú)須澆筑混凝土，全部預(yù)制構(gòu)件、預(yù)埋件、連接件都在工廠預(yù)制，通過(guò)螺栓或焊接等方式實(shí)現(xiàn)連接；濕式連接是將兩個(gè)承重構(gòu)件之間鋼筋互相連接后通過(guò)澆筑節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體連接，以達(dá)到節(jié)點(diǎn)等同現(xiàn)澆。

2.1 干式連接對(duì)抗震性能的影響

國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了多種干式連接的裝配式建筑節(jié)點(diǎn)以及裝配式建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能，研究結(jié)果表明，只要滿足一定設(shè)計(jì)條件和構(gòu)造要求，裝配式建筑結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的干式連接就能達(dá)到較好的抗震性能。比如SRC柱［9］里運(yùn)用鋼筋配，只在其節(jié)點(diǎn)區(qū)域采用型鋼，打破了傳統(tǒng)連接方式的限制，減少了一系列復(fù)雜工序并降低成本。干式連接中的螺栓連接具有很好耗能性和延性，該種節(jié)點(diǎn)連接方式的優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定，但存在接頭位置施工精度要求高、承載力較小、易變形等多種缺點(diǎn)。焊接式連接即使受到破壞，其承載力也不會(huì)明顯降低，延性也能滿足抗震要求，是干式連接方式中承載能力最強(qiáng)的方式。因此將兩種連接方式有效地結(jié)合就能將二者的優(yōu)勢(shì)都體現(xiàn)出來(lái)，既能提高整體結(jié)構(gòu)的耗能性，也增加其能承載能力。這種連接節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆試件節(jié)點(diǎn)相比，其承載能力和變形性能更加優(yōu)異，并且有效改善了節(jié)點(diǎn)的滯回性能，使得剛度穩(wěn)定性更強(qiáng)。干式連接中存在一種全裝配式框架節(jié)點(diǎn)，通過(guò)螺栓連接和焊接的方式將預(yù)制構(gòu)件拼接起來(lái)，在經(jīng)過(guò)合理設(shè)計(jì)后可以比濕式連接的結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟(jì)便捷。除此之外，干式連接還有灌漿套筒、鋼筋錨固等連接方式，但灌漿套筒需要對(duì)套筒連接進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，比較耗時(shí)；鋼筋錨固其節(jié)點(diǎn)處鋼筋過(guò)于密集，可能導(dǎo)致混凝土澆筑質(zhì)量差。將前面兩種干濕連接與灌漿套筒、鋼筋錨固等干式連接對(duì)比，可以凸顯出前文所述的兩種干式連接使整體結(jié)構(gòu)的綜合性能更優(yōu)。

2.2 濕式連接對(duì)抗震性能的影響

為了能找出增強(qiáng)濕式連接節(jié)點(diǎn)抗震性能的方法，統(tǒng)計(jì)并分析了鋼筋連接、鋼絞線連接、后澆混凝土等濕式連接方式的各方面性能研究。在模擬的地震載荷條件下，通過(guò)分析結(jié)構(gòu)滯回性能、耗能能力、截面轉(zhuǎn)動(dòng)能力和延性來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗震性能，用變形恢復(fù)能力來(lái)考量結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，鋼筋在受到高溫作用過(guò)后，其各性能指標(biāo)都發(fā)生了變化，所以在分析整體結(jié)構(gòu)性能時(shí)，溫度的影響也應(yīng)在考慮范圍內(nèi)，尤其是在高溫環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮溫度對(duì)其影響。用鋼纖維高強(qiáng)混凝土澆筑預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)后，能有效提高澆節(jié)點(diǎn)處的延性和耗能性，改善箍筋用量過(guò)多的現(xiàn)象，增強(qiáng)抗震性能。對(duì)現(xiàn)澆試件和新型預(yù)制裝配試件進(jìn)行較高交變載荷的低周反復(fù)試驗(yàn)和有限元理論分析，模擬結(jié)構(gòu)在受到地震載荷作用下的損壞程度，分析其抗震性能和恢復(fù)能力。結(jié)果顯示新型預(yù)制裝配試件與現(xiàn)澆試件相比，其承載能力、耗能能力和抗震性能都有一定程度的提升。在多個(gè)預(yù)制裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)試件的比較下，可得出先在核心區(qū)內(nèi)安置型鋼、后澆筑ECC材料［10］的方法可以讓連接的節(jié)點(diǎn)變形能力增強(qiáng)，并且震后的抗震恢復(fù)能力也進(jìn)一步得到優(yōu)化。

3 裝配式建筑整體框架設(shè)計(jì)對(duì)抗震性能的影響

3.1 調(diào)整整體結(jié)構(gòu)以改良抗震性能

針對(duì)裝配式建筑結(jié)構(gòu)中的豎縫連接，王嘯霆［11］進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)研究，試驗(yàn)得到了結(jié)構(gòu)的滯回曲線，通過(guò)分析剛度退化、變形、耗能等方面的結(jié)果，得出這種裝配整體式型鋼剪力墻組合結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能和整體工作性能。對(duì)整體框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性分析也是評(píng)估結(jié)構(gòu)抗震性能的一種方法，該方法通過(guò)逐步增加結(jié)構(gòu)模型受到地震水平力的方式進(jìn)行模擬，并對(duì)高性能裝配式框架結(jié)構(gòu)與普通混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)高性能裝配式框架結(jié)構(gòu)通過(guò)合理的設(shè)計(jì)能夠達(dá)到與普通混凝土框架結(jié)構(gòu)相當(dāng)?shù)目拐鹦阅?。?duì)部分預(yù)制裝配式型鋼混凝土的實(shí)心柱和空心柱，通過(guò)擬靜力試驗(yàn)對(duì)多個(gè)預(yù)制柱試件的抗震性能進(jìn)行研究，探究不同參數(shù)變量對(duì)其耗能及變形能力的影響。

不同板厚的疊合板對(duì)預(yù)制板結(jié)構(gòu)抗震性能的影響與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比，疊合板節(jié)點(diǎn)開(kāi)裂變形、承載能力和屈服位移等都和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的性能接近，甚至有更高的承載能力。錢正昊等［12］研究了冷彎薄壁型鋼填充墻板—裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在該框架中，結(jié)構(gòu)的破壞多為柱體受壓側(cè)出現(xiàn)碎裂，進(jìn)而導(dǎo)致該處鋼筋屈服。同時(shí)，這種冷彎薄壁型鋼填充墻板破壞與軸壓比也密切相關(guān)，軸壓比值越大，該結(jié)構(gòu)的剛度就越小。為了避免該剛度過(guò)小使結(jié)構(gòu)過(guò)早破壞，采用聚合物填料提高剛度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度，并且加大墻板的厚度也可以讓框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)力和抗剪力能力都相應(yīng)地增強(qiáng)。

3.2 外附結(jié)構(gòu)對(duì)整體框架抗震性能的影響

孫雨欣［13］通過(guò)非線性時(shí)程分析方法研究了外掛預(yù)制混凝土墻板裝配式鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性，最終得出在一定范圍內(nèi)提高軸壓比，能增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的約束，從而提高結(jié)構(gòu)的承載能力。采用外掛墻板在地震作用下也能有良好的耗能能力，使整體框架的抗震性能得以提升。外掛墻的上掛下托對(duì)鋼架彈性和剛度影響并不大，但在塑性變形后期會(huì)因外掛墻板的約束力，使整體結(jié)構(gòu)承載力提高。外附裝置包括消能器、環(huán)形彈簧阻尼器、在節(jié)點(diǎn)區(qū)加入的延性桿，也可添加消能減震復(fù)合板等減震消能結(jié)構(gòu)。通過(guò)添加外附結(jié)構(gòu)或裝置可以使整體框架具有良好的耗能能力，故可有效減少建筑物因地震而使其能量增加及震動(dòng)，降低建筑損傷導(dǎo)致的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失。黃小坤等［14］深入研究了鋼框架內(nèi)嵌復(fù)合墻板結(jié)構(gòu)的抗震性能，并分析整體剛度逐漸降低的兩大主要原因，一是框架中的柱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋，二是在梁端出現(xiàn)鋼筋屈服的現(xiàn)象。整體結(jié)構(gòu)中柱體開(kāi)裂的部位多位于鍵槽處，其他位置很少出現(xiàn)破壞的現(xiàn)象，并且框架結(jié)構(gòu)中的梁鉸耗能機(jī)制可以顯著增加結(jié)構(gòu)的耗能能力。將貫通粗鋼筋的直徑以及預(yù)留鋼板寬度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整分析發(fā)現(xiàn)，通粗鋼筋的直徑比預(yù)留鋼板寬度略微大，可以提高縫隙處的抗震性能，并且在過(guò)程中預(yù)留孔和縫對(duì)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響都在安全范圍以內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

裝配式建筑抗震性能的關(guān)鍵在于節(jié)點(diǎn)連接，國(guó)內(nèi)裝配式建筑的連接方式多選擇濕式連接，相比于螺栓連接或者焊接等干式連接，現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的連接方法有更好的力學(xué)性能，更能符合強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)要求，以保證節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件具有相近的壽命周期。在地震作用下，整體框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如輔加帶有外掛預(yù)制混凝土墻板的框架結(jié)構(gòu)、增加柱頂軸壓比、添加阻尼器等方法能讓整體結(jié)構(gòu)具有良好的受力性能及耗能能力，有效提高整體框架承載能力力，增加抗震能力，降低地震災(zāi)害可能帶來(lái)的損失。要在保證裝配式建筑抗震性能的前提下盡可能經(jīng)濟(jì)有效地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展外，還需在節(jié)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)的抗震機(jī)理上做進(jìn)一步研究，深入了解連接處的力學(xué)特性，提高在安全抗震后建筑整體結(jié)構(gòu)的可恢復(fù)性。