装配式预制混凝土结构连接抗震设计

装配式预制混凝土结构连接抗震设计

预制混凝土结构的大部分梁柱和板条的零件都是在预制装配厂进行加工的，这大大增加了用于建模的木材、木材和相关部件的完成过程。混凝土材料的质量、混凝土砌块的质量、养生和附件的精度得到了严格、统一的管理，提高了混凝土砌块的质量和建筑的使用寿命。现场混凝土用量显著减少，天气对现场建设的影响逐渐减少。这种建筑方式对于我国北方严寒地区有着深远意义。而减少现场混凝土的浇筑也降低了因现场材料堆放及混凝土振捣带来的噪音及粉尘。从提倡“节能减材、绿色建筑”的角度,该结构体系受到普遍的关注,在日本及欧美已被广泛地推广使用。早在20世纪70年代,我国在民用住宅及单层厂房上普遍采用了砖砌体承重墙加预制楼板的混合结构。虽然从某种角度上看它具备装配式预制结构的特点,但结构整体性差的缺点一直无法解决,如1976年的唐山地震及2008年5月的汶川地震已经给人民生命财产带来了重大损失。目前国内对该体系的研究取得了阶段性进展,但与欧美及日本等国相比,还没有形成一套真正完整的设计规范及施工工艺。如何把装配式混凝土结构体系迅速地应用于国内建筑市场是当前建筑工程的重要任务。本文对日本在相关领域的抗震设计及施工情况进行了一定程度的介绍,其中对整体结构框架及局部接点的抗震设计进行了较详细的说明。在施工方面,结合几个主要环节的施工照片,介绍了有关梁柱预制件的基本拼装手法及施工管理基本项目。1日本结构体系的结构性能图1示意了装配式预制混凝土结构的构件拼装特点。由于各种预制件间、现浇混凝土层与预制件间的连接点很多,使结构整体性、水平抗侧刚度及水平抗侧强度往往要低于现浇混凝土结构。整体框架结构水平方向的荷载-变形关系曲线一般多表现为瘦长的倒S形滞回形态,使地震能吸收能力低下。为保证结构整体抗震性能达到并且超过普通现浇混凝土结构,日本抗震规范对结构整体抗震性能主要提出了以下要求,其内容的辅助说明如图2、图3。(1)具有足够的延性——弹塑性阶段的结构极限层间位移角应达到1/50;(2)具有足够的抗侧移刚度、变形能力及强度——单向荷载作用下,屈服强度时的侧移变形应控制在普通现浇结构的80%~120%范围内,反复循环荷载作用下,相同振幅的第二次最大荷载不低于上次极限强度的80%;(3)具有足够的地震能吸收能力——在极限层间变形角1/50范围内,第二次滞回环的耗能率不低于上一次的80%;(4)梁柱构件及梁柱节点的刚性及强度应与现浇混凝土结构的相同构件保持基本一致。2抗震设计内容装配式预制混凝土结构的主要局部接点抗震设计内容如图4。其中,预制件间预埋筋连接、预制构面抗剪设计及预制梁端剪切键设计3项是其重要的设计环节。2.1日本规范对连接套性能要求预制柱吊装组立时,日本普遍使用钢筋连接套进行柱纵筋对接,代替传统的熔压焊接。从施工速度及安全可靠度方面,前者都占相当大的优势,但造价较高。日本规范对连接套的性能要求主要包括物理力学性能及抗震性能两方面。在物理力学性能方面,要求其屈服强度不小于连接钢筋的1.2倍,极限强度不小于连接套屈服强度的1.25倍,延性率不低于8。在抗震性能方面,反复拉伸试验的钢筋延性率达到1.5及4时,要求完全卸载时的钢筋相对滑移量分别小于0.3,0.9mm(如图5)。2.2弯起和焊接施工日本较常用的两种预制梁纵筋的连接手法如图6。一种是梁纵筋在连接点处的弯起锚固;另一种是45度弯起并与钢板焊接;都具有施工速度快、可靠度高的优点。由于连接点的刚度及强度均大于其他部位,如果设置在梁端附近很难形成理想的塑性铰,容易形成接点近旁的混凝土集中变形和剪切破坏。日本规范要求,不论是哪一种连接形式,接点到梁柱临界面的位置应不小于梁高的1.5倍。2.3主要设计式编码各种预制构面的抗剪强度设计是保证预制结构与现浇混凝土结构基本保持相同的整体性和抗侧强度的关键所在。预制构面抗剪强度设计的主要内容包括:梁柱临界面抗剪设计、楼板现浇层与预制部分结合的抗剪设计、预制件预留钢筋的销栓抗剪设计及梁端剪切键抗剪设计。日本设计规范针对以上4项的主要设计式如下,设计式符号的辅助说明如图7。(1)梁柱临界面抗剪设计(2)楼板现浇层与预制部分结合的抗剪设计式中,τu≤0.3f′c;ρs,σy分别为构件纵筋配筋率及屈服强度;σ0,f′c分别为混凝土平均压应力及抗压强度;μ为摩擦系数,其取值分别为0.6λ(接触面未经处理)、1.0λ(接触面粗糙度5mm)、1.4λ(接触面为图7示意的抗剪键形状),普通混凝土λ取1.0,轻量混凝土λ取0.75。(3)预留钢筋销拴作用的抗剪强度式中,adowel为钢筋截面面积。(4)剪切键抗剪设计式中,分别为抗剪切键槽形凹陷部分在垂直及水平方向提供的抗剪强度。2.4板式楼板搭接长度的确定楼板的预制部分与支撑构件的局部搭接处理方法如图8、图9。平板式楼板的搭接长度不小于30mm,同时要求楼板钢筋一直延伸到楼板的边缘。加筋肋式楼板的最小搭接长度为保护层厚度加上30mm。不满足以上要求时,搭接处混凝土容易发生局部剪切破坏。3梁柱吊装组立及楼板配筋的施工现场该建筑是位于日本名古屋市内的38层多功能办公楼,总高度为130.7m,采用全预制梁柱、半预制楼板及阳台的装配式混凝土结构。主体部分包括:梁柱吊装拼接、半预制楼板和阳台板吊装及现浇部分的楼板配筋、楼板及各种接点的混凝土浇筑3个主要工序。照片1-3为预制梁柱吊装组立及楼板配筋的施工现场情况。为了保证工程质量,日本预应力规范在设计、预制件工厂加工、运输及施工管理等环节对装配式预制结构体系提出了以下几项基本要求。4结构体系的优越性装配式预制结构的梁柱构件大部分在预制厂完成,捆绑钢筋、组立模板及浇筑混凝土等现场作业被大幅度地压缩;在节省了大量人力物力的同时,大幅度地减少了施工周期及由噪音、粉尘带来的环境污染。因此,该结构体系从结构合理性、经济性、施工性及环保等各方面都展现了它的优越性及广泛的应用价值。它的推广对大力提倡节能节材、绿色建筑的我国建筑业来说,具有重要的战略意义和良好的发展前景。式中,(1)设计阶段必须做到准确无误,特别是预制件上各种设备管道孔的预留问题。预制件一旦(2)预制件工厂加工步骤必须保证模板在反复使用时的精度要求。日本预应力结构设计施工标准要求钢模板精度误差不能大于1%。(3)在运输和装载阶段预制件吊点设