試論預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用及發(fā)展前景
預(yù)制裝配式建筑,根據(jù)其裝配化的程度可分為全裝配式和半裝配式兩種。全裝配式是全部構(gòu)件的生產(chǎn)與機械制造廠一樣,在工廠內(nèi)成批生產(chǎn),然后再到現(xiàn)場裝配。半裝配式是把主要承重構(gòu)件的一部分交工廠預(yù)制,另一部分在現(xiàn)場澆筑。
預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的抗震問題是人們十分關(guān)注的地方。在歷史的地震災(zāi)害中,預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)都曾遭受過不同程度的破壞。1988年前蘇聯(lián)阿美尼亞地震中裝配式混凝土結(jié)構(gòu)遭受了極為嚴重的破壞。在土耳其1999年8月17日的Adapazari地震(里氏7.4級)和同年11月12日的Duzce地震(里氏7.2級)中,預(yù)制裝配式建筑都遭到不同程度的失效或損壞,包括結(jié)構(gòu)的整體性倒塌和構(gòu)件的局部損壞(有柱中部及節(jié)點的失效等)。據(jù)統(tǒng)計,1999年的Kocaeli地震后,在調(diào)查的481棟預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)中,有14棟受部分破壞,17棟遭嚴重破壞。調(diào)查還發(fā)現(xiàn),在單層預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)中,節(jié)點采用銷栓連接的大部分房屋都已損壞。對1994年Nothridge等地震的震害調(diào)查表明:預(yù)制混凝土墻結(jié)構(gòu)在震后破壞較輕,而一些大空間的預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)破壞較嚴重,主要表現(xiàn)為因各構(gòu)件間的連接破壞而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體離散、倒塌。
在2003年歐盟發(fā)起的“Seismic Behavior of Precast Concrete Structures with Respect to Eurocode 8”預(yù)制混凝土抗震研究項目中,同濟大學(xué)課題組進行了現(xiàn)澆混凝土節(jié)點、后澆混凝土節(jié)點、鋼纖維混凝土后澆節(jié)點和橡膠片螺栓連接節(jié)點的抗震性能對比試驗。試驗表明:后澆整體節(jié)點與現(xiàn)澆節(jié)點具有相同的抗震能力;鋼纖維混凝土對減少節(jié)點區(qū)箍筋用量有益,但對節(jié)點強度、延性和耗能的提高作用不明顯;橡膠片螺栓連接節(jié)點力學(xué)性能與現(xiàn)澆節(jié)點和后澆節(jié)點存在明顯的差異,呈非線性彈性特點,彈性變形范圍大、耗能少。該課題組還通過采用端部帶轉(zhuǎn)動彈簧的梁單元模型,研究了柔性節(jié)點預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)的動力特性和地震作用下的動力反應(yīng)規(guī)律。1995年,新西蘭的Restrepo進行了6個后澆整體式預(yù)制混凝土框架節(jié)點的反復(fù)加載試驗研究,發(fā)現(xiàn)這些節(jié)點的抗震性能達到或超過相應(yīng)的現(xiàn)澆節(jié)點。1995年,澳大利亞的Loo進行了18個梁柱節(jié)點反復(fù)加載試驗研究,試驗表明:后澆整體節(jié)點的強度、延性和耗能均好于現(xiàn)澆節(jié)點,而無牛腿節(jié)點的延性和耗能又好于帶牛腿的節(jié)點。2004年,西悉尼大學(xué)的Mary Hardie等人采用了新型組合連接方式將空心預(yù)制板與鋼的連接應(yīng)用于一大型運動場館,并取得了很好的效果。2005年,土耳其的Hasan Husnu Korkmaza針對1999年Marmara地震震害情況,試驗研究了預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載作用下采用焊接板連接的梁梁節(jié)點的抗震性能。
近些年來,國內(nèi)學(xué)者對預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點的抗震性能也進行了不少研究。2005年,李忠獻等通過對2組、每組2個足尺寸節(jié)點試件進行了低周反復(fù)循環(huán)荷載作用下裝配整體式鋼骨混凝土框架節(jié)點抗震性能試驗研究。2005年,柳炳康通過兩榀預(yù)壓裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁柱組合體在低周反復(fù)荷載下的試驗,探討了全預(yù)應(yīng)力配筋截面的滯回性能、耗能能力和變形恢復(fù)能力。2006年,程文穰等通過現(xiàn)澆框架和預(yù)制混凝土框架的擬靜力對比試驗研究,發(fā)現(xiàn)兩者的受力性能是基本相似的,同時也說明了齒槽連接方式有很好的抗震性能。2006年,李振寶等通過6個混合連接裝配式混凝土框架內(nèi)節(jié)點試件在低周反復(fù)荷載下的加載試驗,對其破壞形態(tài)、滯回特性、變形恢復(fù)能力、位移延性、能量耗散等進行了研究。結(jié)果表明,混合連接裝配式混凝土框架節(jié)點的耗能能力與整體現(xiàn)澆混凝土節(jié)點相當,而其延性和變形恢復(fù)能力則優(yōu)于整體現(xiàn)澆混凝土節(jié)點,其綜合抗震性能優(yōu)于整體現(xiàn)澆混凝土節(jié)點。
國內(nèi)外不僅對預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點抗震性能進行了研究,而且對整體抗震性能也進行了不少的研究。1996年,伊利諾斯大學(xué)進行了預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)的振動臺試驗,研究了2個縮尺6層預(yù)制混凝土框架模型在大小震幅下的抗震性能。1997年,美國華盛頓大學(xué)的John Stanton等進行了混合配筋預(yù)制混凝土框架的整體性能試驗,結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)的整體抗震性能比現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的還要好。1999年,加州大學(xué)圣地亞哥分校的Charles Lee Powell結(jié)構(gòu)試驗室,進行了一個5層預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)體系在強震作用下的抗震性能試驗,試件包括5個不同的延性框架體系,其中有4榀縱向框架和1片橫向剪力墻。試驗發(fā)現(xiàn)預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能,同時表明在高烈度地震區(qū)采用預(yù)制混凝土框架、剪力墻結(jié)構(gòu)體系是可行的。在國內(nèi),2004年同濟大學(xué)的預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)試驗研究組進行了3個預(yù)制混 凝土框架結(jié)構(gòu)的擬動力試驗研究,包括2個單榀框架和1個鋪板的三榀框架,梁柱采用了橡膠墊螺栓連接節(jié)點,試驗表明: 此類預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能;橡膠墊螺栓連接節(jié)點抗震性能良好;而采用焊接的板梁連接節(jié)點在試驗中破壞嚴重,是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。
為了更好地保護結(jié)構(gòu)自身的完好性,我們還可以在預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的一些合適位置安裝消能元件來達到消耗一部分地震能量的目的。據(jù)記載,1988年前蘇聯(lián)阿美尼亞地震中裝配式混凝土結(jié)構(gòu)遭受了極為嚴重的破壞,而由Rockwin Corporation設(shè)計建造的公司大樓(裝配式框架),在Whittier地震期間經(jīng)受了大約6―10倍于按規(guī)范計算的地震作用,卻無明顯的結(jié)構(gòu)破壞發(fā)生。對于這方面的探索,少部分國內(nèi)外學(xué)者進行過有益的研究。20世紀90年代,加拿大在預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)中采用摩擦耗能的技術(shù)就比較領(lǐng)先,并成功應(yīng)用于Concordia大學(xué)的圖書館大樓中。加拿大的A.S.Pall把有限滑移螺栓連接街頭應(yīng)用于裝配式混凝土大型墻板結(jié)構(gòu)的豎向連接縫中,并與無豎向接縫的單獨墻體(滑移荷載值為零)、強彈性接頭墻體(滑移荷載值較大,滑移值很低甚至可忽略)二者作了對比研究。1998年,林宗凡通過在節(jié)點區(qū)設(shè)置摩擦滑移裝置來減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng),提高了結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。2005年,Morgen針對無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力框架節(jié)點耗能較差的特點,提出了在框架節(jié)點安裝摩擦阻尼器的改進方案。研究表明:這種節(jié)點由于附加了摩擦阻尼器,具有很好的耗能能力,同時由于預(yù)應(yīng)力作用又具有很好的復(fù)原能力,節(jié)點殘余變形很小。2007年,翁大根在層間采用粘滯阻尼器對多層裝配式框架結(jié)構(gòu)進行了加固,通過試驗研究表明該加固可以取得很好的抗震效果。僅有的這些研究畢竟是不夠的,我們應(yīng)該積極投身到預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)消能減震的研究隊伍中來,不斷研究和開發(fā)預(yù)制混凝土裝配式建筑新的消能減震技術(shù),為我國的防震減災(zāi)事業(yè)推波助瀾。
編輯:姜立東
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