模塊化混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能研究進(jìn)展*

楊浩文,薛偉辰,江佳斐

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092)

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)按施工工藝可分為現(xiàn)澆和預(yù)制2類。其中,現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)整體性好,而預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)具有現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)少、施工周期短、節(jié)約人工等特點(diǎn)[1]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,人力成本逐步提高,對(duì)綠色環(huán)保日益重視,預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)在我國(guó)得到大力推廣。作為該結(jié)構(gòu)中預(yù)制率最高的類型,模塊化混凝土結(jié)構(gòu)以工廠預(yù)制的三維模塊為基本單元、經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)組裝連接而成[2],適用于公寓、酒店、學(xué)生宿舍等以小面積重復(fù)單元為特征的建筑類型。國(guó)內(nèi)外已有實(shí)踐表明,采用模塊化混凝土結(jié)構(gòu)可加快項(xiàng)目進(jìn)度、提高質(zhì)量、減少現(xiàn)場(chǎng)污染,是我國(guó)推進(jìn)建筑工業(yè)化和智能建造的重要發(fā)展方向之一。

1967年,加拿大蒙特利爾住宅67(Habitat 67)項(xiàng)目是模塊化混凝土建筑(三維住宅單元)的首次應(yīng)用[3]。目前,為降低成本、縮短建設(shè)工期,模塊化建筑在英國(guó)、新加坡、澳大利亞、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的應(yīng)用日益普遍[4]。我國(guó)也面臨建筑行業(yè)勞動(dòng)力成本上升和用工緊張等問(wèn)題,為實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展,模塊化建筑得到積極應(yīng)用。近年,我國(guó)有多個(gè)建成或在建工程采用模塊化混凝土結(jié)構(gòu),如已建成的廣德市科創(chuàng)實(shí)驗(yàn)學(xué)校和深圳龍華樟坑徑人才公寓。

但相對(duì)而言,目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)模塊化混凝土結(jié)構(gòu)的抗震理論和相關(guān)技術(shù)尚不成熟,且已建成的模塊化混凝土結(jié)構(gòu)特別是高層模塊化混凝土結(jié)構(gòu)主要集中在非抗震設(shè)防地區(qū)。我國(guó)地震區(qū)分布廣泛,為促進(jìn)模塊化混凝土結(jié)構(gòu)在我國(guó)地震區(qū)的推廣應(yīng)用,有必要系統(tǒng)開展模塊化混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能與設(shè)計(jì)方法研究,重點(diǎn)研發(fā)新型節(jié)點(diǎn)連接方式,并開展減隔震技術(shù)在模塊化混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究。

本文將介紹模塊化混凝土結(jié)構(gòu)體系及典型的連接方式,綜述該結(jié)構(gòu)抗震性能及與其相關(guān)的減隔震技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,并總結(jié)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與工程應(yīng)用最新進(jìn)展。最后,展望模塊化混凝土結(jié)構(gòu)研究方向。

1 模塊化混凝土結(jié)構(gòu)概述

模塊化混凝土結(jié)構(gòu)以三維模塊為基本單元,將大量現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)轉(zhuǎn)移至工廠,能大幅度減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。與普通預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)相比,模塊化混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)制率更高,模塊體積更大,在吊裝、運(yùn)輸和施工等方面具有自身特點(diǎn)。

1.1 模塊化混凝土結(jié)構(gòu)分類

根據(jù)混凝土模塊參與結(jié)構(gòu)受力程度,可將模塊化混凝土結(jié)構(gòu)劃分為模塊完全參與受力、部分參與受力和不參與受力3類。

1.1.1模塊完全參與受力結(jié)構(gòu)

該類結(jié)構(gòu)為全部由模塊堆疊構(gòu)成,依靠模塊自身能力抵抗水平和豎向荷載的混凝土結(jié)構(gòu),適用于多層建筑。其中,盒式結(jié)構(gòu)是模塊化建筑中應(yīng)用最普遍的結(jié)構(gòu)體系,可分為整澆式和拼裝式2種類型,后者是指將墻板和頂板分別制作后拼裝而成的盒式結(jié)構(gòu)。研究表明,拼裝式盒式結(jié)構(gòu)在造型上具有靈活性但其質(zhì)量較整澆式盒式結(jié)構(gòu)差[5]。

1.1.2模塊部分參與受力結(jié)構(gòu)

對(duì)于高層建筑僅通過(guò)模塊自身難以抵抗水平荷載,這時(shí)可使模塊與現(xiàn)澆框架、剪力墻或核心筒組合共同參與受力。這樣可使建筑結(jié)構(gòu)選型更靈活,空間布置更合理,從而提高建筑物的結(jié)構(gòu)和使用性能。

按混凝土模塊與其他受力構(gòu)件的連接方式不同分為以下2類結(jié)構(gòu):一類是模塊側(cè)面作為主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件(框架或剪力墻)的模板[6-7],模塊頂板作為上層疊合樓板的預(yù)制底板(見圖1)[8],在這類結(jié)構(gòu)中模塊承受部分水平和豎向荷載。另一類是模塊結(jié)構(gòu)堆疊后與主體框架或核心筒連接。與核心筒連接時(shí)將豎向交通設(shè)施做成核心筒,所有模塊都圍繞一個(gè)或多個(gè)核心筒排列,如圖2所示[9]?？箓?cè)力體系主要由框架或核心筒承受,而模塊結(jié)構(gòu)主要承受重力荷載和承擔(dān)部分傳力功能。因此,側(cè)隔板和模塊與核心筒間的連接應(yīng)足夠堅(jiān)固,以將側(cè)向荷載傳給核心筒。該結(jié)構(gòu)形式存在的不足之處是核心筒與模塊化結(jié)構(gòu)間的連接復(fù)雜、不易施工、現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)多。

圖1 混凝土模塊及組裝

圖2 含混凝土核心筒的模塊化結(jié)構(gòu)

1.1.3模塊不參與受力結(jié)構(gòu)

該類結(jié)構(gòu)一般采用傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)或核心筒作為主體結(jié)構(gòu),在其內(nèi)部安裝非承重混凝土模塊。由于主框架或核心筒結(jié)構(gòu)采用常規(guī)方法現(xiàn)場(chǎng)施工,保證了模塊化建筑的整體穩(wěn)定性。

1.2 節(jié)點(diǎn)連接方式

節(jié)點(diǎn)連接對(duì)確保結(jié)構(gòu)的整體性和整個(gè)模塊化結(jié)構(gòu)的抗震性能起到至關(guān)重要的作用。模塊化混凝土結(jié)構(gòu)的模塊間及模塊與其他受力構(gòu)件通過(guò)水平連接和豎向連接形成整體。按連接方式不同,可分為干連接和濕連接。干連接是指相鄰模塊間通過(guò)螺栓、預(yù)應(yīng)力、焊接等方式連接,濕連接是指相鄰模塊間通過(guò)后澆混凝土、灌漿套筒、漿錨搭接等方式完成連接。

1.2.1水平連接

水平連接是指同層模塊間的連接,有水平縫和豎向縫2種連接區(qū),一般采用后澆混凝土方式,可通過(guò)模塊側(cè)墻充當(dāng)現(xiàn)澆剪力墻模板(見圖3)[7],也可采用預(yù)留施工后澆帶方式[10],通常是用箍筋插銷法保證連接性能。當(dāng)采用前一種方式時(shí),結(jié)構(gòu)為模塊部分參與受力的結(jié)構(gòu);后一種留置施工后澆帶的方式常見于模塊完全參與受力結(jié)構(gòu)中,盒式結(jié)構(gòu)模塊間采用后澆帶方式完成水平連接如圖4所示[10]。

圖3 模塊間水平連接

圖4 水平連接后澆帶

針對(duì)模塊間節(jié)點(diǎn)連接采用插筋方式造成的施工復(fù)雜且質(zhì)量難保證問(wèn)題,周圣勇等[11]提出一種基于后張預(yù)應(yīng)力連接的全裝配預(yù)應(yīng)力混凝土模塊結(jié)構(gòu)體系,該種體系中模塊完全參與受力。對(duì)模塊接縫節(jié)點(diǎn)的受剪和受拉性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,結(jié)果表明接縫處膠的存在提升了試件整體性,提高了試件加載初期剛度[12]。

1.2.2豎向連接

目前,豎向連接采用的連接方式有后澆[6]、灌漿套筒連接[2,7,10]、波紋管漿錨連接[13]、螺栓連接[14]、預(yù)應(yīng)力連接[11]等。

后澆連接方式如圖5所示[6],為模塊與后澆剪力墻連接。模塊凹槽搭接在剪力墻牛腿上,縫隙用無(wú)收縮砂漿填充,搭接處用可壓縮泡沫和墊片做軟接觸。

圖5 上、下層模塊連接節(jié)點(diǎn)

上、下相鄰模塊的墻體通過(guò)套筒灌漿連接,如圖6所示[2],該種連接方式在上部構(gòu)件吊裝固定后,采用高強(qiáng)灌漿料灌漿完成連接。與此類似的連接方式為波紋管漿錨連接,但與套筒灌漿連接不同,該種連接是搭接連接,鋼筋間需較長(zhǎng)連接。

圖6 灌漿套筒豎向連接

螺栓連接可通過(guò)預(yù)埋與豎向受力鋼筋連接的螺栓套管,待下層模塊安裝好后,將鋼連接件放置在模塊上并與套管通過(guò)螺栓實(shí)現(xiàn)可靠連接,類似方法完成上層模塊與鋼連接件連接[14]。

另一類方式為焊接連接,國(guó)內(nèi)早期有采用這類連接方式[5]。采用該連接方式時(shí),需在連接部位預(yù)埋鋼板,待吊裝定位后將上下和同層盒式結(jié)構(gòu)焊接成整體。

綜上所述,盡管模塊化混凝土結(jié)構(gòu)已具備較多連接方式,但部分方法仍存在連接復(fù)雜、不易施工、現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)多等問(wèn)題。因此,還需進(jìn)一步研發(fā)模塊化混凝土結(jié)構(gòu)模塊間和模塊與抗側(cè)力體系間的高效連接方式,以協(xié)調(diào)各部分力和變形,維持結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

2 模塊化混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能研究

針對(duì)上述結(jié)構(gòu)體系(主要是完全參與和部分參與受力的結(jié)構(gòu)體系)和連接方式,國(guó)內(nèi)外開展了有關(guān)構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)和整體結(jié)構(gòu)的抗震性能研究。

2.1 預(yù)制構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)抗震性能

預(yù)制構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)抗震性能研究主要包括采用結(jié)構(gòu)單元現(xiàn)澆、波紋管漿錨連接和預(yù)應(yīng)力3種連接方式的模塊或節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究。

當(dāng)結(jié)構(gòu)單元現(xiàn)澆、輕質(zhì)混凝土內(nèi)墻作為預(yù)制模塊時(shí),模塊化單元不僅作為永久模板,還和現(xiàn)澆混凝土協(xié)同工作。Chen等[15]的試驗(yàn)結(jié)果表明,輕質(zhì)混凝土內(nèi)墻顯著影響試件抗震性能。無(wú)輕質(zhì)混凝土內(nèi)墻的試件在1/40位移角下失效,有輕質(zhì)混凝土內(nèi)墻的試件在1/60或更小位移角下失效。

張智勇[16]開展了包含1片現(xiàn)澆剪力墻與8片MiC(modular integrated construction,模塊化集成建筑)剪力墻在內(nèi)的9片足尺剪力墻試件的低周往復(fù)試驗(yàn)研究,如圖7所示。其中,MiC剪力墻試件由作為模板的預(yù)制模塊和現(xiàn)澆部分構(gòu)成,分為單面墻模剪力墻和雙面墻模剪力墻。研究表明,試件主要發(fā)生彎剪破壞,最終墻底受壓區(qū)混凝土發(fā)生壓潰,邊緣構(gòu)件縱筋斷裂,且現(xiàn)澆面的破壞程度與裂縫數(shù)量均超過(guò)預(yù)制面。MiC剪力墻承載力與現(xiàn)澆剪力墻差異≤5%,且耗能能力相當(dāng)。所有試件的最大側(cè)移角范圍在1/73～1/63,均超過(guò)規(guī)范中規(guī)定彈塑性層間位移角限值1/100,這表明MiC剪力墻具有良好的變形性能和抗側(cè)移能力,滿足抗震設(shè)防地區(qū)的工程應(yīng)用要求。吳志祥[17]開展了包含4片混凝土MiC短肢剪力墻和1片混凝土MiC長(zhǎng)肢剪力墻在內(nèi)的低周往復(fù)試驗(yàn),研究變量包括有無(wú)隔墻、有無(wú)隔離板及單雙面墻模。研究結(jié)果表明,墻模與剪力墻現(xiàn)澆主體能協(xié)同工作,墻模面的裂縫數(shù)量少于現(xiàn)澆面,這得益于墻模的高強(qiáng)混凝土和配筋對(duì)裂縫開展的有效抑制。隔墻的引入提升了剪力墻試件的承載力和整體剛度,混凝土MiC短肢剪力墻具有良好的整體性。同時(shí),隔離板可使隔墻不參與試件受拉,對(duì)剪力墻試件的承載力、延性和剛度退化等力學(xué)性能影響較小。此外,相較于相同墻身長(zhǎng)度但帶隔墻的MiC短肢剪力墻,MiC長(zhǎng)肢剪力墻的各項(xiàng)抗震性能指標(biāo)均展現(xiàn)出優(yōu)越性。

圖7 MiC剪力墻

任慶英等[18]提出針對(duì)盒式結(jié)構(gòu)的新型帶肋空心雙板剪力墻設(shè)計(jì),并通過(guò)低周反復(fù)荷載試驗(yàn)研究了5片具有不同墻肋寬度、厚度及是否布置橫向肋的剪力墻。研究表明,各種墻肋構(gòu)造措施均可能有效提升試件承載力和延性,并減輕墻體損傷。其中,增加橫向肋對(duì)墻體抗震性能的提升效果最顯著。

閆清峰等[19]研究了PPVC(prefabricated prefinished volumetric construction,預(yù)制預(yù)裝修模塊化建筑)建筑連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能。對(duì)2組模塊邊部拼接形成的雙拼墻連接節(jié)點(diǎn)和1組中部拼接形成的四拼墻連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了低周往復(fù)荷載試驗(yàn)研究(見圖8),與現(xiàn)澆剪力墻對(duì)比研究了破壞形態(tài)、滯回性能、延性和耗能等。研究表明:當(dāng)軸壓比為0.4時(shí),雙拼墻試件的承載力提高24.27%,但延性系數(shù)僅為現(xiàn)澆剪力墻的58.53%;軸壓比為0.1時(shí),雙拼墻試件的抗震性能與現(xiàn)澆相差不大;四拼墻試件由于存在豎向和水平2條灌漿縫,開裂速度快,整體性較差,承載力為現(xiàn)澆試件的80.5%。

圖8 PPVC剪力墻拼接節(jié)點(diǎn)

針對(duì)全裝配預(yù)應(yīng)力混凝土模塊結(jié)構(gòu)體系,學(xué)者進(jìn)行了有限元分析和試驗(yàn)研究[20]。研究表明:接縫節(jié)點(diǎn)可承受工程中常見的荷載作用。預(yù)應(yīng)力混凝土剪力墻模塊的承載力及剛度退化、延性指標(biāo)等力學(xué)性能指標(biāo)滿足抗震要求。但模塊的耗能能力較差,需考慮引入耗能裝置。

由上可見,盡管預(yù)制構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的抗震性能已得到一定程度的研究,但仍需對(duì)試件設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步豐富和拓展,如考慮增加剪力墻含邊緣約束構(gòu)件的抗震性能。同時(shí),研究剪跨比、軸壓比、配筋率等對(duì)剪力墻抗震性能的影響,并進(jìn)一步研究剪力墻的平面外性能。

2.2 結(jié)構(gòu)抗震性能

對(duì)于低多層模塊化混凝土結(jié)構(gòu),模塊一般完全參與受力。Xu等[10]對(duì)6層剪力墻盒式結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行擬動(dòng)力試驗(yàn)研究,盒式結(jié)構(gòu)的水平連接采用箍筋插銷連接、豎向連接采用灌漿套筒連接。研究表明,該結(jié)構(gòu)能滿足設(shè)防烈度8度的設(shè)防目標(biāo)要求,具有較好變形能力、延性及耗能能力。

Zhao等[14]對(duì)5層水平和豎向采用螺栓的連接模塊化剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),如圖9所示。研究表明,模塊化剪力墻結(jié)構(gòu)的基頻由于節(jié)點(diǎn)的半剛性特性較現(xiàn)澆模型低10.2%,動(dòng)力響應(yīng)與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相當(dāng)。試驗(yàn)中模塊化剪力墻結(jié)構(gòu)的破壞模式為豎向連接的螺釘斷裂和螺母滑移。模塊化試件比現(xiàn)澆試件具有更好的耗能性能,相鄰混凝土模塊協(xié)同工作性能良好,水平節(jié)點(diǎn)在試驗(yàn)過(guò)程中始終保持彈性。

圖9 模塊化混凝土結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

對(duì)于高層模塊化混凝土結(jié)構(gòu),模塊一般部分參與受力,目前通過(guò)數(shù)值分析手段研究了整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。

Wang等[7]以中國(guó)香港一幢40層高的公屋大樓為個(gè)案研究對(duì)象(見圖10),建立了模擬預(yù)制混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)性能的有限元模型,進(jìn)行了非線性靜力和動(dòng)力分析,研究成果驗(yàn)證了預(yù)制墻體和現(xiàn)澆墻體間通過(guò)拉筋連接的高層模塊化混凝土結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和地震荷載作用下的可行性。

圖10 算例中結(jié)構(gòu)

李紅芳等[21]以深圳龍華樟坑徑項(xiàng)目為對(duì)象,研究了混凝土模塊化高層結(jié)構(gòu)的抗震性能。分析結(jié)果表明,考慮模殼剛度貢獻(xiàn)時(shí)的結(jié)構(gòu)剛度較僅考慮現(xiàn)澆部分的結(jié)構(gòu)剛度增加約10%。在大震作用下,結(jié)構(gòu)的最大彈塑性層間位移角均<1/120,塔樓結(jié)構(gòu)中的剪力墻基本未損傷,而大部分連梁達(dá)到重度損傷但仍能滿足性能目標(biāo)要求。此外,研究還發(fā)現(xiàn),標(biāo)準(zhǔn)層樓板在核心筒周邊及與其他各肢相連區(qū)域的拉應(yīng)力較其他區(qū)域大,因此需對(duì)這些區(qū)域的配筋適當(dāng)增強(qiáng)。對(duì)于弱連接樓蓋,通過(guò)合理的構(gòu)造設(shè)計(jì)和配筋加強(qiáng),其結(jié)構(gòu)承載力能滿足要求。

莫真銘[22]對(duì)基于鋼筋混凝土巨型框架結(jié)構(gòu)的模塊化結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了大震下的非線性時(shí)程分析,通過(guò)評(píng)估層間位移角、基底剪力、側(cè)向位移和材料損傷等關(guān)鍵指標(biāo),全面評(píng)價(jià)了結(jié)構(gòu)的抗震性能。研究表明,該模塊化結(jié)構(gòu)在各項(xiàng)宏觀指標(biāo)上均滿足規(guī)范要求。然而,在材料損傷方面,子結(jié)構(gòu)底層模塊間的連接處及巨型框架底部和與梁相交處均出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷,這些區(qū)域需重點(diǎn)關(guān)注并采取相應(yīng)加強(qiáng)措施。

綜上所述,當(dāng)前針對(duì)高層模塊化混凝土結(jié)構(gòu)的研究較少,且已有研究停留在數(shù)值分析層面。因此,有必要采用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和混合試驗(yàn)技術(shù)等試驗(yàn)手段深入研究結(jié)構(gòu)在真實(shí)地震作用下的響應(yīng),從而為高層模塊化混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和性能評(píng)估提供更可靠支撐。

3 減隔震技術(shù)在模塊化混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)利用構(gòu)件的屈服消耗地震能量,易造成震后殘余變形大、修復(fù)成本高等問(wèn)題。通過(guò)在模塊間布置耗能件或隔震墊,將會(huì)有效提高結(jié)構(gòu)抗震性能[23]。模塊化混凝土結(jié)構(gòu)模塊間或模塊與抗側(cè)力體系間通過(guò)連接維持整體性,這導(dǎo)致其應(yīng)用于地震區(qū)時(shí)連接復(fù)雜,將減隔震技術(shù)應(yīng)用于模塊化混凝土結(jié)構(gòu)可減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng),降低對(duì)連接性能的需求。

3.1 隔震技術(shù)在模塊化混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

隔震結(jié)構(gòu)指在房屋基礎(chǔ)、底部或下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)間設(shè)置由疊層橡膠隔震支座等裝置組成的隔震層,以延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)體系的自振周期,減少輸入到上部結(jié)構(gòu)的地震作用,進(jìn)而提升結(jié)構(gòu)抗震性能。工程中主要采用的隔震裝置為疊層橡膠支座和摩擦擺。20世紀(jì)70年代,新西蘭學(xué)者研究出鉛芯橡膠支座,由此建成的隔震建筑經(jīng)受住了地震考驗(yàn)。自此之后,隔震技術(shù)開始得到廣泛應(yīng)用。自1993年由周福霖院士在汕頭主持設(shè)計(jì)的首棟橡膠墊隔震住宅樓取得顯著效果以來(lái),隔震結(jié)構(gòu)在我國(guó)得到積極推廣。

早期研究主要是多層盒式結(jié)構(gòu)的隔震,即在整澆式盒式結(jié)構(gòu)中采用了一種特殊的層間滑動(dòng)隔震節(jié)點(diǎn)[5]。在該結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)部位和上部各層均采用了摩擦滑動(dòng)隔震構(gòu)造。試驗(yàn)研究表明,這種隔震節(jié)點(diǎn)對(duì)于多層盒式結(jié)構(gòu)安全可靠,能承受6層樓的設(shè)計(jì)荷載和8度地震作用,便于施工中現(xiàn)場(chǎng)安裝。張文芳等[24-25]建立了這類體系的地震反應(yīng)分析理論和模型(見圖11)。研究表明,盒式結(jié)構(gòu)建筑采用層間滑動(dòng)隔震構(gòu)造時(shí),地震作用下結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)沿高度大致均勻分布。雖每層設(shè)置滑動(dòng)隔震裝置有利于減小地震剪力,但導(dǎo)致每層的滑移位移及殘余位移較大。

近期,學(xué)者們通過(guò)數(shù)值模擬研究了采用疊層橡膠支座[26]和摩擦擺隔震支座[3]的模塊化混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能。與上文所述滑動(dòng)隔震裝置相比,疊層橡膠支座和摩擦擺隔震支座具有復(fù)位能力,有助于減小殘余位移。研究表明[20],隔震模塊化結(jié)構(gòu)的隔震效果隨隔震層位置的上移而減小,在結(jié)構(gòu)1/2高度以上樓層范圍內(nèi)應(yīng)盡量避免布置隔震層。轉(zhuǎn)換層處作為結(jié)構(gòu)中易損傷的薄弱部位,將隔震層設(shè)置于此可更好地提高結(jié)構(gòu)性能,隔震效果較基礎(chǔ)隔震和其他相鄰層隔震更佳。為使模塊化結(jié)構(gòu)具備抗罕遇地震甚至抗極罕遇地震性能,曹寧[3]將其與一種新型組合式大位移摩擦擺隔震支座結(jié)合。數(shù)值研究表明,這類隔震結(jié)構(gòu)在罕遇和極罕遇地震下表現(xiàn)良好;增加隔震支座后,連接構(gòu)件受力顯著降低且更加平均;連接構(gòu)件在極罕遇地震作用下依然保持彈性狀態(tài)。

3.2 消能減震技術(shù)在模塊化混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

減震結(jié)構(gòu)是指在房屋結(jié)構(gòu)中設(shè)置消能器,通過(guò)消能器的塑性變形和相對(duì)速度提供附加阻尼,以消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震能量,包括位移型(如防屈曲支撐)、速度型(如黏滯阻尼器)及調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(又稱吸振器)等。

對(duì)于模塊堆疊后與核心筒連接而成的高層模塊化結(jié)構(gòu),由于核心筒高細(xì)長(zhǎng)特點(diǎn)及模塊對(duì)整體抗側(cè)剛度和阻尼的貢獻(xiàn)小,結(jié)構(gòu)易受到風(fēng)致加速度影響。Hickey等[27]比較了2種減輕高層模塊化建筑風(fēng)致振動(dòng)的方法,即增加核心筒尺寸和增加阻尼,并量化了利用現(xiàn)有振動(dòng)控制技術(shù)可提高模塊化塔樓最大高度的程度。研究表明:安裝調(diào)諧液體阻尼器比增加鋼筋混凝土核心筒尺寸更有效,調(diào)諧液體阻尼器的輔助阻尼足以控制大多數(shù)原型結(jié)構(gòu)的加速度。雖然該項(xiàng)研究主要針對(duì)風(fēng)振,但對(duì)地震下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的控制也有一定的借鑒作用。

莫真銘[22]研究了基于巨型框架的模塊化結(jié)構(gòu)中子結(jié)構(gòu)和主結(jié)構(gòu)的損傷控制策略,結(jié)果表明,通過(guò)提升節(jié)點(diǎn)連接處的承載力,可使損傷節(jié)點(diǎn)數(shù)量減少 45%;引入金屬阻尼器作為耗能元件,可使模塊連接節(jié)點(diǎn)破壞個(gè)數(shù)降低43%;增加巨型耗能支撐能使結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移減小13.8%,并對(duì)材料損傷情況有一定改善作用。

楊璽[28]針對(duì)模塊化高層鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系的抗震性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,通過(guò)集成裝配式耗能減震部件模塊,降低了混凝土框架模塊及剪力墻的損傷。這不僅增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體抗震性能,還提升了其快速恢復(fù)能力,確保了結(jié)構(gòu)的正常使用功能。

由此可見,在混凝土模塊間布置隔震部件和消能減震可有效降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng),減少對(duì)模塊化結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接性能的需求,有助于其在地震區(qū)的應(yīng)用。需指出的是,減隔震技術(shù)在模塊化混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究尚屬起步階段,需進(jìn)一步的理論和試驗(yàn)研究,并在此基礎(chǔ)上制定相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

4 國(guó)內(nèi)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

目前,國(guó)內(nèi)外已制定了有關(guān)模塊化混凝土結(jié)構(gòu)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),如表1所示。繼我國(guó)香港2017年發(fā)布模塊化建筑標(biāo)準(zhǔn)后,我國(guó)近幾年也制定了多部地方標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn),總結(jié)如下。

表1 模塊化混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)國(guó)內(nèi)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1)各國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中均考慮了材料、建筑設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)運(yùn)輸、安裝、模塊間連接、防火、施工等內(nèi)容。

2)國(guó)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)拆卸、再利用和回收等可持續(xù)性發(fā)展問(wèn)題進(jìn)行了說(shuō)明。同時(shí),標(biāo)準(zhǔn)中涵蓋了數(shù)字化控制和精益制造等相關(guān)內(nèi)容。另外,由于確定和驗(yàn)證制造誤差來(lái)源對(duì)模塊化結(jié)構(gòu)至關(guān)重要,國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)還針對(duì)設(shè)計(jì)、建造和材料的可追溯性問(wèn)題給出了相關(guān)規(guī)定。

3)在模塊化抗震設(shè)計(jì)方法方面,目前僅澳大利亞和我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)給出了相關(guān)條文。其中,國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)混凝土模塊化集成建筑結(jié)構(gòu)體系的適用地區(qū)、最大適用高度等做了明確說(shuō)明。同時(shí),國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)給出了模塊化裝配整體式建筑隔震和減震設(shè)計(jì)、施工檢驗(yàn)、維護(hù)和驗(yàn)收等方面的規(guī)定,這為減隔震技術(shù)在模塊化結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

總體而言,目前國(guó)內(nèi)模塊化混凝土結(jié)構(gòu)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還處于起步階段,在設(shè)計(jì)計(jì)算方法、連接方式、構(gòu)造措施等方面的規(guī)定遠(yuǎn)未完善,亟待加強(qiáng)。

5 工程應(yīng)用

目前,國(guó)內(nèi)外已建成一批模塊化混凝土結(jié)構(gòu)的典型案例(見表2)。1972年,日本建成中銀艙體大樓,該建筑由位于中心的混凝土核心筒和其上安裝的140個(gè)艙體組成。澳大利亞、新加坡等國(guó)都已建成高層模塊化混凝土結(jié)構(gòu),其中新加坡的Clement Canopy塔樓是目前世界上最高的以三維盒式模塊為基本單元的模塊化混凝土建筑,如圖12所示[4]。其包含2棟40層塔樓,高140m,由近3 000個(gè)模塊垂直堆疊構(gòu)成。該項(xiàng)目是新加坡首個(gè)采用全混凝土預(yù)制結(jié)構(gòu)的PPVC體系建筑,由現(xiàn)澆核心筒和模塊墻共同抵抗側(cè)向荷載。由于新加坡為非抗震區(qū),當(dāng)將混凝土PPVC體系建筑用于我國(guó)時(shí)需解決其抗震性能問(wèn)題,并提出匹配的抗震設(shè)計(jì)方法[8]。

表2 模塊化混凝土結(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用案例

圖12 Clement Canopy塔樓和建造情形

我國(guó)自20世紀(jì)80年代開始研究盒式結(jié)構(gòu)體系,形成了成套技術(shù),并已完成多項(xiàng)工程項(xiàng)目[5]。近年,MiC建造體系得到粵港澳地區(qū)的積極推動(dòng),MiC建造已被寫入香港施政綱領(lǐng)。2023年深圳建成全國(guó)首個(gè)混凝土模塊化高層建筑——龍華樟坑徑,該項(xiàng)目由5棟99.7m的人才保障房組成,是國(guó)內(nèi)首批采用混凝土模塊化集成建造體系的高層住宅類項(xiàng)目之一。

總體而言,模塊化建筑由于涉及大量預(yù)制模塊的工廠預(yù)制、遠(yuǎn)距離運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)吊裝和組裝等多個(gè)環(huán)節(jié),加之國(guó)內(nèi)勞動(dòng)力成本較低等因素影響,導(dǎo)致其建造成本遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu),這限制了模塊化建筑的應(yīng)用。但隨著未來(lái)我國(guó)人口結(jié)構(gòu)的變化,勞動(dòng)力短缺問(wèn)題會(huì)愈發(fā)突出,模塊化結(jié)構(gòu)將獲得更大的應(yīng)用空間。

6 結(jié)語(yǔ)

模塊化混凝土結(jié)構(gòu)是一種以工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)組裝的三維模塊為基本單元的混凝土結(jié)構(gòu)。按模塊參與受力程度可劃分為模塊完全、部分、不參與受力3類。低多層模塊化混凝土結(jié)構(gòu)多為模塊完全參與受力,而高層結(jié)構(gòu)中模塊一般部分參與或不參與受力。在抗震性能研究方面,對(duì)低多層模塊化混凝土結(jié)構(gòu)的研究已取得一定進(jìn)展,而對(duì)高層模塊化混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能的研究則尚顯不足。目前,模塊化混凝土結(jié)構(gòu)在我國(guó)的應(yīng)用尚處于起步階段,缺乏相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。隨著相關(guān)研究工作的深入,模塊化混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將會(huì)更廣泛。

需要指出的是,模塊化混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能與設(shè)計(jì)方面的研究尚需進(jìn)一步開展,主要包括:研發(fā)模塊化混凝土結(jié)構(gòu)模塊間和模塊與抗側(cè)力體系間的高效連接方式,并通過(guò)擬動(dòng)力、振動(dòng)臺(tái)等試驗(yàn)手段研究結(jié)構(gòu)的抗震性能;針對(duì)高烈度區(qū)模塊化結(jié)構(gòu)混凝土研發(fā)減隔震效果良好、施工便捷的模塊化混凝土減隔震技術(shù),從而改善結(jié)構(gòu)抗震性能,較少對(duì)連接性能的需求。