裝配式混凝土結構的效益評價及其抗震性能研究綜述

　　一、引言

　　隨著經濟、科學技術的發(fā)展，我國建筑業(yè)將面對巨大的、持續(xù)需求和開放的建筑市場。而建筑業(yè)迎接挑戰(zhàn)、抓住機遇的關鍵是實現(xiàn)建筑工業(yè)化。

　　目前國內的多、高層建筑大多采用現(xiàn)澆混凝土結構。由于大量的手工勞動，無疑這不可能進行完全的工業(yè)化生產。此外，現(xiàn)澆結構還存在著工期長、成本難控制、工程質量難保證等缺陷。

　　相對而言，裝配式混凝土結構，工廠化的加工、現(xiàn)場的拼裝使得現(xiàn)澆結構的缺陷迎刃而解，更重要的是能輕易實現(xiàn)建筑工業(yè)化的四大基本內容： 設計標準化、構件工廠化、施工機械化、組織管理科學化。在國外，已有不少裝配式混凝土結構成功案例，且有完整的規(guī)范體系支持，如美國和加拿大PCI組織完成的PC技術的規(guī)范和標準。

　　因此，筆者認為我們不能因為已有的裝配式結構的缺陷，就全盤否定其前景。本文將通過引用國外成功的裝配式混凝土結構案例和先進的裝配式框架結構節(jié)點，對裝配式混凝土結構的效益評價和抗震性能進行探討及論證。

　　二、裝配式混凝土結構的效益評價

　　2.1裝配式混凝土結構的經濟優(yōu)勢

　　2.1.1工廠化生產的混凝土預制產品，具有自然的經濟優(yōu)勢

　　相對傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土工藝而言，工廠化生產勞動效率高，生產環(huán)境穩(wěn)定。由于構件的定型化和標準化，預制構件比用其他施工方法生產的等效構件可節(jié)省較多的材料和人工，且產品按既定標準嚴格檢驗出廠，質量保證率高。

　　位于美國夏威夷檀香山的阿拉莫那旅館，是一座33層的裝配式預應力混凝土建筑，其樓板的整體厚度為152mm，包括89mm厚的預制預應力混凝土底板和63mm厚的現(xiàn)澆疊合面層。若采用現(xiàn)澆結構，按照樓面荷載和跨度計算，一般樓板的厚度要達到229mm。由于該建筑總體采用裝配式混凝土結構，僅樓板節(jié)約的混凝土體量就達到標準層樓板面積乘以2540mm厚。樓板材料的節(jié)約減輕了結構自重，不僅節(jié)約了柱、梁、抗震墻和基礎支撐體系的費用，而且根據(jù)當?shù)匾?guī)范對建筑總高度的限制，樓板節(jié)省下來的厚度累計起來可以多蓋一層樓，使得該建筑由原設計的32層增加到33層，裝配式混凝土結構的經濟效益顯而易見。

　　2.1.2 節(jié)省人工、材料，投資回收周期短

　　工廠化的加工，可以利用先進的現(xiàn)代技術，進行全自動化生產和計算機管理?，F(xiàn)場拼裝也只需要較少的熟練工人。國外一些工程實例表明，采用預應力疊合樓板替代常規(guī)全現(xiàn)澆樓板，可以節(jié)約28%的混凝土和45%的鋼筋。同樣地，用預制預應力混凝土梁可以比常規(guī)現(xiàn)澆混凝土梁節(jié)約60%的混凝土和65%的鋼筋。除節(jié)約材料外，還大大節(jié)約了模板。

　　此外，裝配式混凝土結構省去了現(xiàn)澆結構的支模、拆模和混凝土養(yǎng)護等時間，工期大大縮短，從而減少了整體成本投入，使項目及早發(fā)揮經濟效益。澳大利亞悉尼有一棟13層的樓房，上部結構均采用裝配式混凝土構件，梁柱接頭采用的是預埋件焊接方法，柱與柱接頭采用預應力鋼筋連接，采用預制的樓板、墻板和樁基礎，僅承臺和基礎用現(xiàn)澆混凝土施工，其全部施工工期僅用了三個月。

　　三、裝配式混凝土框架結構節(jié)點的抗震性能

　　按照美國NEHRP 2000規(guī)范，預制混凝土框架連接可以分為等效現(xiàn)澆連接和裝配式連接。等效現(xiàn)澆連接要求達到或超過現(xiàn)澆混凝土連接的抗震性能，而裝配式連接和現(xiàn)澆混凝土連接力學性能不同，NEHRP另行給出抗震規(guī)定。常用的等效現(xiàn)澆節(jié)點有后澆整體式和預應力拼接式，常用的裝配式節(jié)點有焊接節(jié)點和螺栓連接節(jié)點。

　　3.1等效現(xiàn)澆節(jié)點

　　3.1.1后澆整體式節(jié)點

　　1995年，新西蘭的Restrepo等人對后澆整體式節(jié)點進行了反復加載試驗研究。這些節(jié)點試件分別采用了預制構件端部伸出直筋和帶彎鉤鋼筋在節(jié)點區(qū)搭接的構造。結果表明：節(jié)點的具體構造差異對于試件整體的試驗反應影響不大；這些試件在強度、耗能和延性等方面均表現(xiàn)良好，層間側移都達到2.4%以上，位移延性系數(shù)都達到6及以上（現(xiàn)澆節(jié)點位移延性系數(shù)為6）；該后澆整體式節(jié)點的抗震性能等同或超過現(xiàn)澆節(jié)點。

　　3.1.2預應力筋拼接節(jié)點

　　1990年，美國和日本合作開展了一項預制混凝土結構抗震研究項目PRESSS，其中加利福尼亞大學Preistley等人對預應力筋拼接節(jié)點進行了理論研究，并對8個無黏結預應力梁柱節(jié)點進行了低周反復加載試驗。Preistley指出由于預應力筋在節(jié)點內和節(jié)點兩邊一定范圍內不與混凝土發(fā)生粘結，所以在節(jié)點產生較大變形情況下預應力筋仍可保持彈性。這種節(jié)點在大變形后強度、剛度的衰減和殘余變形都較小，節(jié)點復原能力強；同時，由于預應力的約束作用，對節(jié)點區(qū)抗剪有利，可以減少節(jié)點區(qū)箍筋用量。這些理論也在試驗結果中得到了驗證，節(jié)點最大層間變形2.8%～4%，殘余變形約為最大層間變形的2.2%，大變形時節(jié)點也只是輕微損壞；但預應力筋拼接節(jié)點的耗能性能不如現(xiàn)澆混凝土節(jié)點強。

　　1993年，Cheok等人進行了預應力拼接節(jié)點和現(xiàn)澆節(jié)點的反復加載對比試驗研究。其中預應力拼接節(jié)點的試驗參數(shù)變化包括有預應力筋位置、預應力筋種類、粘結與否等因素。結果表明：預應力拼接節(jié)點的破壞特征為預應力筋受拉屈服、梁端混凝土壓碎和梁柱界面處開裂，裂縫寬度受預應力筋位置影響較大，節(jié)點達到破壞時累計耗能大約相當于現(xiàn)澆節(jié)點80%；預應力節(jié)點的位移延性系數(shù)均超過對應的現(xiàn)澆節(jié)點；有粘結預應力節(jié)點耗能優(yōu)于無粘結預應力節(jié)點。

　　3.2 裝配式連接節(jié)點

　　3.2.1 焊接節(jié)點

　　1993年，土耳其的Ersoy等人進行了焊接節(jié)點和現(xiàn)澆節(jié)點的對比試驗研究。焊接節(jié)點采用頂板、底板和側板進行焊接連接。結果表明：焊接節(jié)點的強度、剛度、耗能能力均與現(xiàn)澆節(jié)點相當；連接側板對于加強節(jié)點承載力及減小節(jié)點變形起到了重要作用；焊接節(jié)點的寬度是重要的考量因素，尤其在承受反向反復彎矩情況下，因此在實際工程建造中需要認真考慮其限值。

　　3.2.2 螺栓連接節(jié)點

　　2006年，土耳其的Ertas等人對5個梁柱節(jié)點進行了反復加載試驗研究。這5個梁柱節(jié)點包括有1個現(xiàn)澆節(jié)點、2個后澆位置不同的整體式節(jié)點、1個帶牛腿的焊接節(jié)點和1個螺栓連接節(jié)點。試驗結果表明：這些裝配式混凝土節(jié)點均達到了與現(xiàn)澆節(jié)點相當?shù)膹姸群秃哪苣芰?，可以用于抗震地區(qū)；除了焊接節(jié)點外，其它節(jié)點均達到了3.5%的層間位移，具有足夠延性；螺栓連接節(jié)點在強度、延性、耗能和施工方便等方面比起其它裝配式節(jié)點均有更好的表現(xiàn)，但需要采取相應的構造措施避免鋼連接件與混凝土的相對滑動，如在其表面焊肋。

　　四、結束語

　　1.發(fā)展裝配式混凝土結構是實現(xiàn)建筑工業(yè)化的必要條件。裝配式混凝土結構具有節(jié)省人工和材料、建造效率高等特點，經濟優(yōu)勢顯而易見。

　　2.裝配式節(jié)點的力學和抗震性能與其具體構造相關，學者對這類節(jié)點研究較少?？傮w上，裝配式節(jié)點的強度、延性和耗能等方面均可達到現(xiàn)澆節(jié)點水平。具體構造上，焊接節(jié)點需要注意連接側板和節(jié)點的寬度，而螺栓連接節(jié)點需要避免混凝土與鋼連接件的相對滑移。此外，螺栓連接節(jié)點在施工方便方面占據(jù)更大優(yōu)勢。

　　3.裝配式混凝土框架結構的抗震性能研究多集中于節(jié)點本身的抗震性能，而對結構整體抗震性能和利用隔震、減震控制技術提高抗震性能的研究較少。未來研究方向應以較為成熟的節(jié)點為基礎，進一步探究結構整體抗震性能及相應的隔震、減震控制技術。

　　參考文獻：

　　[1] Yee A A.預制混凝土技術的社會和環(huán)境效益[J].建筑結構.2004年1月

　　[2] Yee A A.預制與預應力混凝土的結構和經濟效益[J].建筑結構.2002年6月

　　[3] 王子明，黃顯智，裴學東.混凝土材料完全循環(huán)利用的探究[J].建筑材料學報.2006年4月

　　[4] Resreepo， Jose I， Robert Park，et al. Design of Connections of Earthquake Resisting Precast Reinforced Concrete Perimeter Frames[J]. PCI Journal

　　[5] Cheok， Geraldine S， Lew H S. Performance of Precast Concrete Beam-to-Column Connections Subject to Cyclic Loading[J]. PCI Journal

　　[6] Ersoy， Ugur， Tugrul Tankut. Precast Concrete Members With Welded Plate Connections Under Reversed Cyclic Loading[J]. PCI Journal