装配式混凝土框架结构研究与应用

装配式混凝土框架结构研究与应用

1装配式混凝土框架结构应用的必要性安装结构是指组件在加工环境中进行预制构件，通过机械安装和一些连接方式将分散的预制构件连接到一个整体，形成一个结构。其优点是质量好、生产效率高、工人劳动强度低、保护环境、有利于社会可持续发展。采用装配式结构,可以有效节约资源和能源,提高材料在现实建筑节能和结构性能方面的效率,减少现场施工对场地等条件的要求,减少建筑垃圾和对环境的不良影响,提高建筑功能和结构性能,实现“四节一环保”的绿色发展要求,实现低能耗、低排放的建造过程,促进我国建筑业的整体发展,实现预定的节能减排目标。装配式混凝土框架结构是装配式结构中结构整体性能、抗震性能较好且研究与应用较多的一种结构体系。预制混凝土结构的起源要追溯到1875年,英国人WilliamHenryLascell获得了英国的发明专利“ImprovementintheConstructionofBuilding”。这个发明专利中的核心思想是:在结构的承重骨架上安装预制混凝土墙板。我国解放以来,党和政府十分重视建筑产业化的发展。到20世纪80年代,我国在设计标准化、构件生产工厂化、施工机械化等方面做了许多努力,装配式混凝土结构的类型也日益增多。但由于其抗震、防水等性能较差等原因,预制装配式混凝土结构的应用经历了一个相对低潮的阶段。近年来,随着“十二五”计划中对建筑产业化要求的提出,我国在装配式混凝土框架结构方面的研究逐渐升温,万科企业股份有限公司等许多单位相继开展了相关技术的研究与应用,并建设了一批示范工程。2国外混凝土框架的性能和理论研究有关装配式混凝土框架结构的研究主要可以分为两大类:(1)对构件和节点的研究;(2)对整体结构进行的研究。2.1节点性能与节点延性各次大地震的震害调查发现:在整体倒塌的建筑物中,预制梁、柱构件破坏较轻,而主要的倒塌原因是框架结构内各个构件间的连接破坏。因此预制构件的节点是装配式结构的薄弱环节,也是装配式结构抗震研究的重点及结构整体抗震研究的前提和基础。美国和日本合作开展的预制混凝土结构抗震研究项目PRESSS对等效现浇连接和装配式连接进行了大量研究[5~7]。Kreger对预制混凝土结构节点采用柱连续,梁底面与柱铰接,梁顶面通过特殊的摩擦片与柱铰接的库伦摩擦连接进行了研究。结果表明:该节点形式具有良好的耗能性能,可应用于地震区的装配式结构中。French对非线性弹性连接和拉压屈服连接进行了研究。结果表明:非线性弹性连接节点在侧向变形2%以内时预应力钢筋仍然保持弹性;当变形较大时承受荷载能力损失以及残余变形都较小;当拉压屈服节点变形较大时,强度刚度有较大衰减,但是滞回曲线比较饱满、耗能性能好。并且用有限元软件DRAIN-2DX对两种节点进行了数值模拟,模拟结果也与实验结果基本吻合。Priestley等人对无黏结后张预应力拼接节点进行了研究。结果表明:这种节点在大变形后强度和刚度的衰减以及残余变形都很小,因此节点复原能力强;由于预应力的约束作用,对节点区抗剪有利,可以减少该区箍筋用量。但该节点的耗能性能不如现浇混凝土节点强。其他学者对装配式混凝土框架结构的节点也展开了相关研究。Cheok等人[8~9]对预应力拼接节点和现浇节点进行了反复加载对比试验研究。结果表明:预制节点的位移延性系数比对应的现浇节点的高,预应力节点的破坏行为为预应力筋受拉屈服、梁端混凝土压碎、预制梁和预制柱的连接处产生裂缝,预应力钢筋位置对裂缝宽度影响较大,破坏时预制节点的累计耗能大约相当于现浇节点的90%。Morgen对在无黏结后张预应力拼接节点处安装摩擦阻尼器的抗震性能进行了研究(见图1)。结果表明:该节点耗能能力得到了大幅提升,无黏结预应力筋的约束作用使得其具有很好的复原能力,节点残余变形小。Morgen提出了该摩擦阻尼器和预应力筋的设计方法。Kim对混合连接(在无粘结预应力装配式混凝土中加入非预应力筋)装配式混凝土框架的抗震性能进行了弹塑性静力分析和动力分析的数值模拟,给出了设计方法和建议。Vasconez等人先进行了纤维混凝土中钢筋的黏结滑移试验,后对纤维增强混凝土节点性能进行了研究。结果表明:钢筋在产生大滑移的情况下黏结强度仍然保持较高值,而且混凝土保护层无碎裂。加入聚乙烯醇纤维的混凝土节点性能比加入钢纤维的混凝土节点性能差;后浇混凝土中加入钢纤维将大大提高钢筋混凝土的黏结强度,从而提高了节点延性、同时节点抗剪强度也得到了增强。Nakaki等人提出了一种延性节点。该节点的结构原理为:梁端部的上下表面均去除一部分混凝土,梁上下伸出的高强钢筋与端部的预埋连接块体连成整体。柱中预埋延性杆,延性杆的两端带有杯状端头,杯中设有丝扣以便通过高强螺栓和梁端的预埋连接块体连接。当结构受到地震作用时合金连杆产生塑性变形,从而耗散能量,避免其他结构损坏。Englekirk进行了该延性连接节点的反复加载试验,验证了该节点良好的抗震性能。Loo等人对带牛腿后浇整体节点和无牛腿后浇整体节点进行了反复加载对比试验研究。结果表明:无牛腿节点的延性和耗能性质优于带牛腿节点。Restrepo对后浇整体式预制混凝土框架节点进行了反复加载试验研究。结果表明:试件在强度、韧性、耗能等方面均表现良好,位移延性系数达到6以上,层间侧移可达到2.4%以上;其抗震性能等同或者超过现浇节点。Restrepo给出了该类预制节点的设计方法与计算步骤,并提出了构造要求。Ersoy等人对装配式焊接节点和现浇节点进行了对比试验研究。结果表明:焊接节点的强度、刚度、耗能能力可等同现浇节点;连接侧板起到了加强节点承载力、减小节点变形的作用。Ertas等人对现浇节点、焊接节点、螺栓连接节点和后浇整体节点进行了反复加载对比试验研究。结果表明:螺栓连接节点和后浇整体节点达到了现浇节点的抗震性能;螺栓节点在强度、延性、耗能等方面优于其他预制节点。2.2节点抗拉性试验研究Priestley等人提出了一种基于位移的预制混凝土框架结构设计方法。该方法的原理是:确定结构屈服层间变形和延性系数;由延性系数得出阻尼比;根据弹性位移反应谱得到自振周期;再依次算出割线刚度和需求抗力;最后根据需求抗力进行界面设计。Priestley等人[20~21]对5层装配式混凝土框架结构缩尺模型进行了拟动力试验研究。该结构由框架体系和框架-剪力墙体系组合而成,且节点分别采用后浇整体节点和预应力拼接节点。试验结果表明:对于装配式框架体系,尽管最大层间位移达到设计值的两倍,但是结构仍没有明显的强度损失,后浇整体节点耗能性能优于预应力节点,但是残余变形、强度损失和破坏程度大于预应力节点;对于装配式框架-剪力墙体系,由于预应力钢筋的约束作用使该结构的残余变形降低到0.06%,只有墙、柱底部和部分楼板出现轻微破坏。整体结构在动力荷载作用下承受基底剪力的能力超过了规范要求,因此,该组合体系具有良好的抗震性能。该试验结果肯定了用“基于位移的设计方法”来确定框架承载力和刚度的方法,且试验结果与框架数值模拟结果较吻合,平均误差控制在10%以内。欧盟发起了“SeismicBehaviorofPrecastConcreteStructureswithRespectEurocode8”项目。该项目包括装配式预制框架结构整体性能研究以及多个装配式预制混凝土框架结构的拟动力试验。结果表明:这些预制框架具有良好的抗震性能,最大层间位移可达到8%;未加橡胶垫的节点出现部分混凝土压碎现象,加橡胶垫的节点由于橡胶垫的大变形能力而使节点在试验结束后基本完好。Blandon等人完成了50%缩尺的2层预制混凝土框架结构反复加载试验研究和数值模拟分析。结果表明:梁下部带弯钩钢筋在节点内直段锚固长度小于8d时,会使梁下部纵筋产生滑移,从而无法保证其连续性。3国内混凝土结构性能与理论研究3.1节点结构性能侯雪岩等人进行了装配式钢筋混凝士楼盖在水平荷载往复作用下的变形性能试验研究。结果表明:只要采取合理的构造措施,就可能有效地防止装配式楼板在水平荷载下的相互错动,从而提高整个装配式楼盖的整体性和水平刚度,并获得减轻结构自重从而减小地震荷载的效果。林宗凡等人对装配式抗震框架的摩擦滑移节点和非线弹性节点等延性节点进行了试验研究。结果表明:摩擦滑移机理试件中牛腿-梁互嵌式接头为一直接传力构造,在试验过程中并未发生性能蜕化;非线弹性反应机理试件直到层间位移角为3%时还表现出非弹性行为,残余位移很小,但耗能能力较低。提供间接传力途径的节点连接构造会促使试件的过早破坏。在层间位移角较低时,节点的接传力会增加节点的柔性,所以,设计时应注意预制构件之间的相对尺寸。张季超等人[26~30]对装配整体式结构的叠合楼板、梁柱节点、主次梁节点、梁板节点性能进行了系统的试验研究。试验结果表明:装配整体式叠合连续楼板具有较大的整体刚度和良好的整体性、变形值较小等工作性能。变形值较小,除具有单向叠合连续板的内力重分布特征外,还具有沿整体后浇层向周边板块内力调整的特点,表现出一定的双向板受力特性,按照单向连续板理论进行设计计算,偏于保守;采用了端头锚、剪力键等不同于传统的锚固、连接构造措施能有效地将单个结构构件联成相互统一的整体,保证了结构的整体性能;试件的破坏源于节点区附近次梁的受弯破坏,叠合试件中预制部分与现浇部分之间基本未出现滑移;采用梁底纵向筋对焊连接的节点构件抗震性能能满足“强柱弱梁,更强节点”的要求。邱元等人提出一种装配式梁柱节点(图2),并对其进行了低周反复对称加载试验研究。试验结果表明:该节点形式在反复荷载作用下具有良好的抗震耗能性能,且对于左右梁高不等的情况该节点也适用。赵斌、吕西林等人[32~33]对现浇高强混凝土梁柱组合件、预制高强混凝土后浇整体式梁柱组合件、预制高强钢纤维混凝土后浇整体式梁柱组合和预制高强混凝土结构全装配式梁柱组合件在低周反复荷载作用下的开裂破坏形态、滞回特性、骨架曲线、强度与刚度退化特性等抗震性能指标进行了系统研究。结果表明:高强预制混凝土结构后浇整体式梁柱组合件与现浇高强混凝土结构梁柱组合件具有相同的抗震能力;全装配式预制混凝土梁柱组合件的抗震性能和主要抗震性能指标与现浇高强混凝土梁柱组合件和预制混凝土结构后浇整体式梁柱组合件存在明显的差异。若采用高强钢纤维混凝土浇筑预制混凝土结构后浇节点,可以减小节点区域箍筋用量,改善节点承载性能。董挺峰、李振宝等人对无粘结预应力装配式混凝土框架节点进行低周反复荷载下的加载试验,对其破坏形态、滞回特性、变形恢复能力、位移延性、残余位移等性能进行了研究。结果表明:无粘结预应力装配式混凝土框架节点具有良好的抗震性能,在延性和恢复能力上比现浇框架节点更优。其后李振宝、董挺峰等人提出了在无粘结预应力装配式混凝土中加入非预应力筋从而形成新的连接方式,并对该混合连接装配式混凝土框架节点试件进行了低周反复荷载下的加载试验,研究了其破坏形态、滞回特性、变形恢复能力、位移延性、能量耗散等抗震性能。结果表明:混合连接装配式混凝土框架节点的耗能能力与整体现浇混凝土节点相当,而其延性和变形恢复能力则优于整体现浇混凝土节点,其综合抗震性能优于整体现浇混凝土节点。王晓菡等人对预压装配式预应力混凝土梁柱组合件进行低周反复加载试验,研究了其开裂破坏形态、滞回特性、骨架曲线等抗震性能指标。结果表明:预压装配式预应力混凝土梁柱组合件具有较强的耗能能力,能够满足抗震设防要求;由于预应力筋的作用,卸载后残余变形较小,恢复性能较好。庞瑞等人采用基于反应谱理论的振型分析方法和有限元分析方法对新型预制装配式楼盖进行了空间结构分析。结果表明:新型楼盖连接方式与构造形式能有效地提高预制装配式楼盖结构的整体性和面内刚度;新型楼盖在基准设防烈度地震作用下处于弹性工作阶段,可有效防止新型楼盖设计荷载传递路径因楼盖破坏而发生改变。张大长等人对外壳预制核心现浇装配式RC柱抗震性能进行了试验研究,考察了两类RC柱的破坏过程、破坏模式、荷载-位移滞回曲线、延性、主筋及箍筋的应变发展特点。研究表明:外壳预制(见图3)核心现浇装配整体式RC柱具有与整浇RC柱相同的整体性和抗震性能。蔡建国等人对3个不同键槽长度的预制混凝土装配式整体框架中节点进行了低周反复荷载试验研究,并且利用计算程序OpenSees对一榀2跨3层框架结构进行了静力弹塑性分析,研究了这种体系的抗震性能。结果表明:框架节点的滞回曲线丰满,节点耗能能力较强;框架结构的梁铰耗能机制提高了结构整体的耗能能力。窦祖融等人提出了一种新型围护结构体系(一体化的外挂预制钢筋混凝土墙板),以及节点连接形式和构造做法,给出了剪切摩擦型连接的计算模型,并根据试验结果提出了能够真实模拟剪切滑动的本构关系,通过该计算模型得到了周期折减方法、刚性连接模型的适用范围和缺陷。闫维明等人对装配式预制混凝土梁-柱-叠合板边节点进行了抗震性能的试验研究。结果表明:对于此类连接装配式混凝土框架边节点,与整体现浇节点具有相当的抗震性能。并建议采取增加梁底钢筋在节点后浇处的锚固长度或者采取其他措施,减小拼缝处的开裂宽度,从而保证剪力键的抗剪能力,进而保证结构的整体性能。姜洪斌等人对预制混凝土结构插入式预留孔灌浆钢筋锚固的性能进行了研究。通过连续加荷拉拔试验得出:灌浆锚固试件的最终破坏状态都是外部钢筋屈服或被拉断,没有发生异常锚固破坏,而且在基本锚固长度基础上分别减小为0.9、0.8倍时还有较大安全储备。3.2梁端延性及能耗能力柳炳康等人[43~44]先后对一榀1层2跨预压装配式预应力混凝土框架、一榀2层2跨预压装配式混凝土框架进行了低周反复荷载实验,研究了预压装配式预应力混凝土框架的裂缝分布、破坏形态、滞回位移及位移延性等性能,得到了节点核心区位移-剪切角滞回曲线,提出了节点剪力传递机理是通过梁中预应力筋与节点混凝土的黏结力和梁与节点之间的混凝土压应力传递,分析了节点核心区的抗裂性能,推导出预压装配式框架节点的抗裂验算公式。研究表明:预压装配式框架节点核心区处于双向受压状态,具有良好的抗裂性能和抗震能力。此外柳炳康等人还对预压装配式预应力混凝土框架梁端延性特征及耗能能力进行了试验研究。结果表明:框架梁端组合截面发生弯曲破坏时,梁截面中和轴位置稳定,截面变形符合平截面假定;截面延性系数在3.64~5.62之间,具有较好的转动能力和延性;但是在跨中竖向荷载持续作用下,梁端负弯矩产生的曲率恢复滞后,不能回到上一循环起始点,残余变形产生积累效应。吕西林等人[46~47]对梁柱节点采用螺栓连接、梁板节点采用焊接连接的装配式预制混凝土框架结构进行了拟动力试验研究,考察了结构的破坏模式,研究了结构的破坏模式、变形、滞回、耗能、强度、刚度等抗震性能。试验结果表明:梁柱节点采用螺栓连接的装配式预制混凝土框架结构均具有较好的抗震性能,当层间位移角达到1/25时,结构仍具有一定的承载能力,滞回曲线较饱满,具有较好的抗倒塌能力和耗能潜力;采用橡胶垫螺栓连接的梁柱节点在试验中工作状态良好,而采用焊接连接的板梁节点在试验中破坏严重;屋面板与梁的焊接节点是此类结构的抗震薄弱环节;结构体系破坏模式为柱底弯曲破坏。翁大根等人对消能减震加固措施在多层装配式框架中的应用进行了研究。研究结果表明:增加合适的耗能减震系统,可以大大提高该类结构的抗震性能。大震下原始结构层间位移角由大于1/50减小到加固后的1/200左右,有效地增强了结构的抗震性能。韩建强等人对一榀预应力装配式加固混凝土框架进行了低周反复荷载试验研究和数值模拟,探讨了采用预应力装配式加固后的钢筋混凝土框架裂缝分布、破坏形态、滞回曲线及位移延性等抗震性能。结果表明:加固后的预应力装配框架试件为先梁铰后柱铰的破坏机制;都具有良好的耗能能力;在屈服前具有较好的恢复能力;具有较好的延性性能;开裂荷载得到有效的提高。4装配式混凝土施工规范与行业标准英国为将装配式构件标准化,编制了国家建筑架构(NationalBuildingFrame,NBF)和公共建筑架构(PublicBuildingFrame,PBF)。NBF是一个较为经济的标准型装配式混凝土框架设计系统,用来设计超过6层的装配式建筑。PBF没有专利使用的限制,其结构模式简单且经济。其后,装配式构件的用途日渐多样化。装配式结构在日本建筑中使用时间较早,装配式混凝土结构的相关规范和行业标准相当完备。日本建筑学会已经编制了《JASS10预铸混凝土工事》、《JASS5钢筋混凝土工事》、《JASS8防水工事》、《钢筋混凝土构造计算规范》、《壁式预铸钢筋混凝土造设计规准》、《钢骨钢筋构造计算规准》、《预力混凝土设计施工规准》7部装配式混凝土结构设计与施工的规范与行业标准。另外日本预铸建筑协会和日本建筑中心也分别编制了《壁式预铸钢筋混凝土工事施工技术指针》、《PC量产住宅熔接工事品质管理规准》和《壁式钢筋混凝土造设计施工指针》、《预力混凝土设计施工指针》两部规范。美国NEHRP(NationalEarthquakeHazaedsReductionProgram)2000规范对装配式混凝土结构的分类、设计等提出了较详细的规定,并且将预制混凝土框架分为等效现浇连接和装配式连接两类。美国ACI318-95第十六章———装配式混凝土工程设计规范中对装配式混凝土结构设计做出了规定。美国装配式预应力混凝土协会(PCI)出版了PrecastPrestressedConcreteDesignHandbook(装配式预应力混凝土设计手册)。美国波特兰水泥协会(PCA,PortlandCementAssociation)也对装配式混凝土结构做出了相关规定。我国台湾土木界称装配式结构为预铸结构,装配式施工工艺为预铸工法。并且预铸工法专指预铸混凝土而言,因此预铸工法仅仅是预制工法的一种。台湾的《建筑技术规则》中对板式预铸结构做出了明文规定。另外台湾内政部建筑研究所于1996年、1997年,分别编制了《预铸混凝土工程施工规范(草案)》和《预铸混凝土工程设计规范(草案)》。从1998年开始,台湾的中国土木水利工程学会陆续编制了《混凝土工程设计规范与解说》、《混凝土工程施工规范与解说》、《钢筋混凝土建筑设计规范》等3部规范。这3部规范中的部分章节也对装配式结构的设计、施工做出了规定。我国大陆地区对于装配式混凝土结构设计与施工的标准化方面也取得了一些成绩,1991年,中国建筑技术发展研究中心和中国建筑科学研究院编制了《装配式大板居住建筑设计和施工规程》;1993年,中国建筑一局科学研究所和四川省建筑科学研究院编制了《整体预应力装配式板柱建筑技术规程》;2010年,哈尔滨工业大学会同相关单位编制了《预制装配整体式房屋混凝土剪力墙结构技术规范》;2010年,中国建筑标准设计研究院和中国建筑科学研究院会同有关科单位,共同编制了《装配式混凝土结构技术规程》(征求意见稿)。这一系列技术规程的出台将成为中国装配式混凝土结构标准化的里程碑。5装配式混凝土框架结构第二次世界大战以后,苏联、东欧一些国家以及英国、法国,由于战争的破坏,战后劳动力的极度紧张,因而住房极端困难。同时随着许多国家经济建设的不断发展,城市人口的不断增加和科学技术的不断创新,纷纷要求房屋建筑要迅速地跟上来。在建筑工程量急剧增加、技术力量十分缺乏的情况下,为了加速工程进度,减轻劳动强度,装配式结构建筑开始迅速发展。装配式混凝土框架结构建筑在欧美、日本的发展已经比较成熟,工程实例较多。第一个装配式混凝土框架建筑为英国的Swanse。2001年7月竣工的位于圣弗朗西斯科商业中心的Paramount公寓楼(图4)是美国地震设防区里最高的混合连接装配式混凝土框架结构,其高度达到128m。目前世界上使用装配式建筑最多的国家是芬兰,使用率高达42%。日本装配式建筑使用率为15%。装配式混凝土框架结构建筑在我国台湾地区的发展十分迅速,近年来实际工程日益增多。如:台湾大学土木楼(图5)、台北市灾害应变中心(图6)。这两栋大楼均为装配式混凝土框架结构建筑,并且均采用了隔震技术。其中台湾大学土木楼于2008年1月12日正式动工,地上结构则以5天组装一层楼(主结构)的进度,在不到6个月的时间内建造完成,隔震层工期也从原本的23d缩短到了3d。而台北市灾害应变中心也因为采用了装配式施工工艺,平均10d内即完成一个楼层结构体,故在短短一年多时间即竣工,且此工程代表台北市府参加2007年度第七届公共工程金质奖评选,荣获「优等奖」殊荣。装配式混凝土框架结构建筑在我国大陆地区的应用也逐渐升温,万科企业股份有限公司等多家单位已经建造了一批试点工程。如万科住宅产业化研究基地(如图7所示)。该基地于2006年8月在东莞松山湖正式启用,是万科住宅产业化技术的研发平台,并被建设部授予“国家住宅产业化基地”的称号。在此基地内先后建成了1、2、3、4、5号装配式结构实验楼。6装配式混凝土框架结构性能存在的问题装配式混凝土框架结构的研究与应用虽然取得了很大的进步,但是仍存在以下问题:(1)对于装配式结构的节点、构件性能研究较多,但对于其整体结构性能研究不够。(2)在节点性能研究中,主要集中于“湿”连接的装配式混凝土结构性能研究,而对于“干”连接的装配