裝配式梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系性能研究*

張玉明, 秦元昊, 王 赫

(1 山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，濟(jì)南 250101；2 山東建筑大學(xué)工程鑒定加固研究院有限公司，濟(jì)南 250013；3 鄭州大學(xué)綜合設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450003；4 威海市建筑設(shè)計(jì)院有限公司，威海 264200)

0 引言

現(xiàn)階段,隨著裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展,裝配率逐漸提高。裝配式鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)一般采用梁柱預(yù)制,梁柱節(jié)點(diǎn)采用濕連接的方式,以達(dá)到“等同于現(xiàn)澆”的梁柱剛接混凝土框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工目標(biāo)。梁柱連接時(shí),柱需預(yù)留鋼筋,和上部柱鋼筋通過(guò)套筒連接,框架梁端部需預(yù)留搭接鋼筋(梁柱濕連接做法見(jiàn)圖1),梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)需支模板澆筑混凝土,現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量大,浪費(fèi)人力物力,施工效率較低;且由于工人施工水平及質(zhì)量監(jiān)管跟不上,節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)連接難以保證質(zhì)量,嚴(yán)重制約了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展?；诖?本文提出了一種新型結(jié)構(gòu)體系——裝配式混凝土梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。預(yù)制的梁和柱可通過(guò)梁上端的連接件與帶牛腿的柱相連(圖2)等方法[1],采用干式連接形成梁柱鉸接的形式;柱采用多層預(yù)制柱(圖3),減少了柱柱連接[1]。梁柱節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)連接簡(jiǎn)單,無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)澆筑,極大地提高了施工速度,與現(xiàn)階段梁柱節(jié)點(diǎn)現(xiàn)澆的剛接鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)相比,更具有經(jīng)濟(jì)性[1-4]。因梁柱采用鉸接連接,需增設(shè)剪力墻提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力。與柱類(lèi)似,剪力墻可采用多層預(yù)制剪力墻,減少剪力墻的連接。梁通過(guò)梁上連接件與帶牛腿的剪力墻相連。該結(jié)構(gòu)體系由剪力墻承擔(dān)水平荷載,受力明確、構(gòu)造簡(jiǎn)單,更符合裝配化施工及工業(yè)化生產(chǎn)的要求。

圖1 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)梁柱濕連接做法

圖2 梁上端的連接圖

圖3 多層預(yù)制柱照片

梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)要能夠?qū)崿F(xiàn),必須保證整個(gè)框架和剪力墻連成一個(gè)整體,樓蓋結(jié)構(gòu)能夠傳遞水平力。為此龐瑞等[5]進(jìn)行過(guò)大量的研究,濕式樓蓋體系、干式樓蓋體系以及混合樓蓋體系等均具有較大的承載力和平面內(nèi)剛度,可以實(shí)現(xiàn)水平力的傳遞。我國(guó)現(xiàn)階段主要采用濕式樓蓋體系,在預(yù)制板安裝就位后在其上方鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)澆筑混凝土面層。濕式樓蓋體系具有較大的承載力和平面內(nèi)剛度,但現(xiàn)場(chǎng)施工量大,裝配化程度低。干式樓蓋體系中預(yù)制板通過(guò)機(jī)械連接件連接,主要有國(guó)外的雙T板樓蓋體系與國(guó)內(nèi)的全預(yù)制裝配式RC板樓蓋體系[6]。對(duì)于雙T板樓蓋體系,CAO L、WAN G、REN R等[7-10]進(jìn)行了大量研究,證明板縫連接處的機(jī)械連接件具有很強(qiáng)的抗剪、抗壓強(qiáng)度。對(duì)于全預(yù)制裝配式RC板樓蓋體系,梁書(shū)亭等[5,11]對(duì)發(fā)卡式連接的性能進(jìn)行了大量研究,證明了該連接的可行性。2008年,美國(guó)加州圣地亞哥大學(xué)[1]完成了一個(gè)三層樓的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),整棟建筑采用傳統(tǒng)干式連接,剪力墻承受百分百水平力,梁柱鉸接為主。試驗(yàn)結(jié)果充分地證明了梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系在強(qiáng)震之下的可靠性。

為對(duì)裝配式混凝土梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行性能分析,本文分別建立一榀兩跨梁柱剛接框架結(jié)構(gòu)模型與梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)模型,對(duì)比分析結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),給出梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則,最后對(duì)該結(jié)構(gòu)體系在不同設(shè)防烈度與建筑高度下與梁柱剛接框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比,分析其經(jīng)濟(jì)性。

1 結(jié)構(gòu)受力分析及結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)原則

1.1 結(jié)構(gòu)模型的建立

采用SAP2000結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件分別建立一榀兩跨4層梁柱剛接框架結(jié)構(gòu)模型和一榀兩跨4層梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)模型,跨度6m,底層層高為4.6m,2～4層層高為3.6m,兩種結(jié)構(gòu)模型的梁柱截面尺寸相同。在每層節(jié)點(diǎn)處施加40kN的水平力作用,有限元模型如圖4、5所示。

圖4 梁柱剛接框架結(jié)構(gòu)模型

圖5 梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)模型

1.2 受力分析

1.2.1 水平力作用下

在水平力作用下,兩種結(jié)構(gòu)的剪力圖與彎矩圖如圖6～9所示。從圖6～9中可以看出,梁柱剛接框架結(jié)構(gòu)的柱承擔(dān)了全部的剪力,柱中剪力從頂層到底層逐漸增大;而梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的柱剪力很小,與梁柱剛接框架不同,柱中剪力并不是從頂層到底層逐漸增大,且每層剪力值都很小,底層柱剪力僅占總剪力的0.68%。

圖6 梁柱剛接框架結(jié)構(gòu)剪力示意圖/kN

圖7 梁柱剛接框架結(jié)構(gòu)彎矩示意圖/(kN·m)

圖8 梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)剪力示意圖/kN

圖9 梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)梁柱彎矩示意圖/(kN·m)

對(duì)于梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),由于梁柱鉸接,水平力作用下柱在節(jié)點(diǎn)處僅受到梁的推力或拉力作用,柱可看作在各樓層處僅受到水平力的懸臂柱。由于柱相對(duì)于剪力墻的抗側(cè)剛度很小,且變形協(xié)調(diào)在樓層處柱與剪力墻位移相等,所以柱在每層受到的水平力非常小。由于剪力墻和柱在水平力作用下變形特點(diǎn)不同,柱在樓層處受到的水平力有可能是推力也有可能是拉力,因此柱中剪力自上而下并不是逐漸增大。模型最左列的柱在水平力作用下的受力示意如圖10所示。

圖10 柱受力示意圖/kN

每層柱底彎矩并不是以上各樓層水平力對(duì)應(yīng)的彎矩的疊加,其方向在某些樓層可能相反,因此柱中彎矩也很小。綜上所述,在水平力作用下,梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的柱中剪力很小,彎矩很小,且無(wú)軸力。在水平力作用下,兩種結(jié)構(gòu)模型的位移對(duì)比如圖11所示。

圖11 兩種結(jié)構(gòu)模型位移對(duì)比

綜合以上分析可以得出:在水平力作用下,梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的柱中剪力很小,可忽略不計(jì),不考慮框架柱承受剪力,剪力完全由剪力墻承擔(dān)。所以該結(jié)構(gòu)體系在受力上與剪力墻結(jié)構(gòu)類(lèi)似,在水平力作用下的變形也與剪力墻結(jié)構(gòu)類(lèi)似,因此在抗震設(shè)計(jì)時(shí)梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)可按剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2.2 豎向荷載作用下

在豎向荷載作用下,以頂層左邊跨的梁為例,兩種結(jié)構(gòu)框架梁彎矩示意如圖12所示。梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)由于梁柱鉸接,梁在豎向荷載作用下按簡(jiǎn)支梁計(jì)算,跨中彎矩比梁柱剛接時(shí)大。

圖12 梁彎矩示意圖/(kN·m)

1.3 設(shè)計(jì)原則

(1)框架梁的設(shè)計(jì)

在水平力作用下,梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中因梁柱節(jié)點(diǎn)為鉸接節(jié)點(diǎn),框架梁中無(wú)彎矩、剪力。因此框架梁的計(jì)算簡(jiǎn)圖為僅承受豎向作用的兩端簡(jiǎn)支的簡(jiǎn)支梁,按非抗震構(gòu)件設(shè)計(jì)。因兩端簡(jiǎn)支,跨中彎矩較大,梁底配筋較多,梁頂僅按非抗震構(gòu)造要求配置通長(zhǎng)筋;箍筋根據(jù)豎向荷載作用下抗剪承載力要求設(shè)置,按非抗震的梁的箍筋間距設(shè)置。

(2)框架柱的設(shè)計(jì)

根據(jù)1.2節(jié)分析,在水平力作用下,梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中框架柱承擔(dān)的水平剪力及柱中彎矩都很小,可忽略不計(jì)。柱按非抗震構(gòu)件設(shè)計(jì),柱軸壓比不應(yīng)大于1.05,滿足豎向荷載作用下承載力即可。柱的縱筋和箍筋根據(jù)豎向荷載作用下承載力要求確定。相比梁柱剛接框架結(jié)構(gòu)中框架柱截面受軸壓比及變形要求限制,鉸接框架中框架柱截面和配筋都小,且不受抗震設(shè)防要求影響。

(3)變形要求

混凝土梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)按剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[12],其彈性層間位移角限值為1/1 000,彈塑性層間位移角限值為1/120。剪力墻的設(shè)置位置及數(shù)量應(yīng)按照剪力墻結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)雖增加了剪力墻,但柱截面和配筋量減小,且梁柱節(jié)點(diǎn)采用采用鉸接,現(xiàn)場(chǎng)連接簡(jiǎn)單,極大地提高了工作效率,更符合裝配化施工及工業(yè)化生產(chǎn)的要求。

2 不同抗震設(shè)防烈度和建筑高度時(shí)兩種結(jié)構(gòu)預(yù)制構(gòu)件用量對(duì)比分析

在相同設(shè)計(jì)條件(設(shè)防烈度、建筑高度等)下,相對(duì)于梁柱剛接框架,梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)柱截面減小,但增加了剪力墻;減少了梁柱等節(jié)點(diǎn)濕連接,減少了柱和柱鋼筋間的灌漿套筒連接,但增加了梁柱等構(gòu)件之間的連接件連接,其經(jīng)濟(jì)性和預(yù)制構(gòu)件用量及價(jià)格、鋼筋連接價(jià)格、施工單位的施工機(jī)械和施工效率等均有關(guān)系。全面比較兩種結(jié)構(gòu)體系的經(jīng)濟(jì)性有難度。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),預(yù)制構(gòu)件用量對(duì)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性有較大影響,本文對(duì)不同設(shè)防烈度和不同建筑高度的兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并分析對(duì)比其預(yù)制構(gòu)件用量。

分別設(shè)計(jì)梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和梁柱剛接框架結(jié)構(gòu)兩個(gè)結(jié)構(gòu)模型,平面布置如圖13、14所示。梁柱剛接框架結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)預(yù)制梁柱節(jié)點(diǎn)通過(guò)濕連接形成,其等同于現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)。梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)為對(duì)應(yīng)預(yù)制梁、柱通過(guò)鉸接連接形成框架再增加剪力墻的結(jié)構(gòu),在結(jié)構(gòu)模型中通過(guò)在梁柱節(jié)點(diǎn)的梁端設(shè)鉸進(jìn)行模擬。

圖13 梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖14 梁柱剛接框架結(jié)構(gòu)平面布置圖

兩種結(jié)構(gòu)模型柱網(wǎng)均為6m×6m,橫向與縱向均為四跨,平面尺寸為24m×24m,層高均為3.6m。柱網(wǎng)間不設(shè)次梁,樓板采用預(yù)應(yīng)力樓板。樓面與屋面恒載均為5.25kN/m2,活載為2.5kN/m2,風(fēng)荷載為0.45kN/m2,地面粗糙度類(lèi)別為C類(lèi),設(shè)計(jì)地震分組為第二組,場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)。

框架梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30,柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C40,剪力墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30。兩種結(jié)構(gòu)采用相同截面尺寸的框架梁,由于梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中柱在水平力作用下彎矩剪力均較小,因此可對(duì)該結(jié)構(gòu)中柱截面進(jìn)行優(yōu)化。采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件建立層數(shù)分別為4、6、8、10層,抗震設(shè)防烈度分別為7度(0.10g)、7度(0.15g)、8度(0.20g)的各個(gè)模型。

以抗震設(shè)防烈度7度(0.10g)下的結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行說(shuō)明,兩種結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)及軸壓比限值見(jiàn)表1。經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),得到滿足承載力及變形要求的兩種結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)件截面尺寸見(jiàn)表2,最大層間位移角與軸壓比見(jiàn)表3。

表1 結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)及軸壓比限值

表2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸

表3 最大層間位移角與軸壓比

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)兩種結(jié)構(gòu)在不同設(shè)防烈度下、不同層數(shù)時(shí)的預(yù)制構(gòu)件用量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),見(jiàn)表4。

表4 不同設(shè)防烈度、層數(shù)時(shí)預(yù)制構(gòu)件用量對(duì)比

由表4可知,相同抗震設(shè)防烈度、相同層數(shù)時(shí),梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的預(yù)制構(gòu)件用量均較梁柱剛接框架結(jié)構(gòu)有所增加。預(yù)制構(gòu)件用量增長(zhǎng)百分比隨抗震設(shè)防烈度變化曲線見(jiàn)圖15,隨層數(shù)的變化曲線見(jiàn)圖16。

圖15 預(yù)制構(gòu)件用量增長(zhǎng)百分比隨抗震設(shè)防烈度變化曲線

圖16 預(yù)制構(gòu)件用量增長(zhǎng)百分比隨樓層數(shù)變化曲線

從圖15、16可以看出,隨著抗震設(shè)防烈度及層數(shù)增加,預(yù)制構(gòu)件用量增長(zhǎng)比例增大。至8度(0.20g)、10層時(shí),預(yù)制構(gòu)件用量增加比例高達(dá)51.5%,由此增加的成本也大幅上升。另外,高度超過(guò)15m時(shí)預(yù)制柱、預(yù)制墻需要拼接,鋼筋間需要進(jìn)行鋼筋套筒。所以隨著建筑層數(shù)的增加,梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)減少節(jié)點(diǎn)連接的優(yōu)勢(shì)減弱。因此,層數(shù)較低、設(shè)防烈度較低時(shí)梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)更大,經(jīng)濟(jì)性更好。

處于低烈度區(qū)、層數(shù)不高的大型停車(chē)場(chǎng)、商場(chǎng)、廠房等平面尺寸較大的建筑若采用梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu),大量的梁柱節(jié)點(diǎn)采用干式連接形成鉸接,大大減少了現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)量,施工效率更高,可節(jié)省工期,另外預(yù)制構(gòu)件用量增加較少,經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)越,是一種具有較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的結(jié)構(gòu)體系,更符合裝配化施工及工業(yè)化生產(chǎn)的要求。

3 結(jié)論

(1)梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的梁柱按非抗震設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì);梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)按剪力墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(2)梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中柱不承受水平地震作用,柱無(wú)抗側(cè)向剛度要求,其截面尺寸僅受豎向承載力控制,柱截面設(shè)計(jì)時(shí)可小于梁柱剛接框架結(jié)構(gòu)。

(3)在低烈度區(qū)、層數(shù)較低的平面尺寸較大的大型建筑中使用梁柱鉸接框架-剪力墻結(jié)構(gòu)在施工效率和經(jīng)濟(jì)性上都有較強(qiáng)的優(yōu)越性。