裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的效益評(píng)價(jià)及其抗震性能研究綜述

　　一、引言

　　隨著經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)建筑業(yè)將面對(duì)巨大的、持續(xù)需求和開(kāi)放的建筑市場(chǎng)。而建筑業(yè)迎接挑戰(zhàn)、抓住機(jī)遇的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化。

　　目前國(guó)內(nèi)的多、高層建筑大多采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。由于大量的手工勞動(dòng)，無(wú)疑這不可能進(jìn)行完全的工業(yè)化生產(chǎn)。此外，現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)還存在著工期長(zhǎng)、成本難控制、工程質(zhì)量難保證等缺陷。

　　相對(duì)而言，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，工廠化的加工、現(xiàn)場(chǎng)的拼裝使得現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的缺陷迎刃而解，更重要的是能輕易實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化的四大基本內(nèi)容： 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、構(gòu)件工廠化、施工機(jī)械化、組織管理科學(xué)化。在國(guó)外，已有不少裝配式混凝土結(jié)構(gòu)成功案例，且有完整的規(guī)范體系支持，如美國(guó)和加拿大PCI組織完成的PC技術(shù)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

　　因此，筆者認(rèn)為我們不能因?yàn)橐延械难b配式結(jié)構(gòu)的缺陷，就全盤(pán)否定其前景。本文將通過(guò)引用國(guó)外成功的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)案例和先進(jìn)的裝配式框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，對(duì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的效益評(píng)價(jià)和抗震性能進(jìn)行探討及論證。

　　二、裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的效益評(píng)價(jià)

　　2.1裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)

　　2.1.1工廠化生產(chǎn)的混凝土預(yù)制產(chǎn)品，具有自然的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)

　　相對(duì)傳統(tǒng)的現(xiàn)澆混凝土工藝而言，工廠化生產(chǎn)勞動(dòng)效率高，生產(chǎn)環(huán)境穩(wěn)定。由于構(gòu)件的定型化和標(biāo)準(zhǔn)化，預(yù)制構(gòu)件比用其他施工方法生產(chǎn)的等效構(gòu)件可節(jié)省較多的材料和人工，且產(chǎn)品按既定標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格檢驗(yàn)出廠，質(zhì)量保證率高。

　　位于美國(guó)夏威夷檀香山的阿拉莫那旅館，是一座33層的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土建筑，其樓板的整體厚度為152mm，包括89mm厚的預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土底板和63mm厚的現(xiàn)澆疊合面層。若采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，按照樓面荷載和跨度計(jì)算，一般樓板的厚度要達(dá)到229mm。由于該建筑總體采用裝配式混凝土結(jié)構(gòu)，僅樓板節(jié)約的混凝土體量就達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)層樓板面積乘以2540mm厚。樓板材料的節(jié)約減輕了結(jié)構(gòu)自重，不僅節(jié)約了柱、梁、抗震墻和基礎(chǔ)支撐體系的費(fèi)用，而且根據(jù)當(dāng)?shù)匾?guī)范對(duì)建筑總高度的限制，樓板節(jié)省下來(lái)的厚度累計(jì)起來(lái)可以多蓋一層樓，使得該建筑由原設(shè)計(jì)的32層增加到33層，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)效益顯而易見(jiàn)。

　　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(jìn)的現(xiàn)代技術(shù)，進(jìn)行全自動(dòng)化生產(chǎn)和計(jì)算機(jī)管理。現(xiàn)場(chǎng)拼裝也只需要較少的熟練工人。國(guó)外一些工程實(shí)例表明，采用預(yù)應(yīng)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(yù)制預(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)省去了現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的支模、拆模和混凝土養(yǎng)護(hù)等時(shí)間，工期大大縮短，從而減少了整體成本投入，使項(xiàng)目及早發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益。澳大利亞悉尼有一棟13層的樓房，上部結(jié)構(gòu)均采用裝配式混凝土構(gòu)件，梁柱接頭采用的是預(yù)埋件焊接方法，柱與柱接頭采用預(yù)應(yīng)力鋼筋連接，采用預(yù)制的樓板、墻板和樁基礎(chǔ)，僅承臺(tái)和基礎(chǔ)用現(xiàn)澆混凝土施工，其全部施工工期僅用了三個(gè)月。

　　三、裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的抗震性能

　　按照美國(guó)NEHRP 2000規(guī)范，預(yù)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(dá)到或超過(guò)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(xué)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(diǎn)有后澆整體式和預(yù)應(yīng)力拼接式，常用的裝配式節(jié)點(diǎn)有焊接節(jié)點(diǎn)和螺栓連接節(jié)點(diǎn)。

　　3.1等效現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)

　　3.1.1后澆整體式節(jié)點(diǎn)

　　1995年，新西蘭的Restrepo等人對(duì)后澆整體式節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了反復(fù)加載試驗(yàn)研究。這些節(jié)點(diǎn)試件分別采用了預(yù)制構(gòu)件端部伸出直筋和帶彎鉤鋼筋在節(jié)點(diǎn)區(qū)搭接的構(gòu)造。結(jié)果表明：節(jié)點(diǎn)的具體構(gòu)造差異對(duì)于試件整體的試驗(yàn)反應(yīng)影響不大；這些試件在強(qiáng)度、耗能和延性等方面均表現(xiàn)良好，層間側(cè)移都達(dá)到2.4%以上，位移延性系數(shù)都達(dá)到6及以上（現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)位移延性系數(shù)為6）；該后澆整體式節(jié)點(diǎn)的抗震性能等同或超過(guò)現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)。

　　3.1.2預(yù)應(yīng)力筋拼接節(jié)點(diǎn)

　　1990年，美國(guó)和日本合作開(kāi)展了一項(xiàng)預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)抗震研究項(xiàng)目PRESSS，其中加利福尼亞大學(xué)Preistley等人對(duì)預(yù)應(yīng)力筋拼接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了理論研究，并對(duì)8個(gè)無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了低周反復(fù)加載試驗(yàn)。Preistley指出由于預(yù)應(yīng)力筋在節(jié)點(diǎn)內(nèi)和節(jié)點(diǎn)兩邊一定范圍內(nèi)不與混凝土發(fā)生粘結(jié)，所以在節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生較大變形情況下預(yù)應(yīng)力筋仍可保持彈性。這種節(jié)點(diǎn)在大變形后強(qiáng)度、剛度的衰減和殘余變形都較小，節(jié)點(diǎn)復(fù)原能力強(qiáng)；同時(shí)，由于預(yù)應(yīng)力的約束作用，對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)抗剪有利，可以減少節(jié)點(diǎn)區(qū)箍筋用量。這些理論也在試驗(yàn)結(jié)果中得到了驗(yàn)證，節(jié)點(diǎn)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(shí)節(jié)點(diǎn)也只是輕微損壞；但預(yù)應(yīng)力筋拼接節(jié)點(diǎn)的耗能性能不如現(xiàn)澆混凝土節(jié)點(diǎn)強(qiáng)。

　　1993年，Cheok等人進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力拼接節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的反復(fù)加載對(duì)比試驗(yàn)研究。其中預(yù)應(yīng)力拼接節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)參數(shù)變化包括有預(yù)應(yīng)力筋位置、預(yù)應(yīng)力筋種類、粘結(jié)與否等因素。結(jié)果表明：預(yù)應(yīng)力拼接節(jié)點(diǎn)的破壞特征為預(yù)應(yīng)力筋受拉屈服、梁端混凝土壓碎和梁柱界面處開(kāi)裂，裂縫寬度受預(yù)應(yīng)力筋位置影響較大，節(jié)點(diǎn)達(dá)到破壞時(shí)累計(jì)耗能大約相當(dāng)于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)80%；預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的位移延性系數(shù)均超過(guò)對(duì)應(yīng)的現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)；有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)耗能優(yōu)于無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)。

　　3.2 裝配式連接節(jié)點(diǎn)

　　3.2.1 焊接節(jié)點(diǎn)

　　1993年，土耳其的Ersoy等人進(jìn)行了焊接節(jié)點(diǎn)和現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的對(duì)比試驗(yàn)研究。焊接節(jié)點(diǎn)采用頂板、底板和側(cè)板進(jìn)行焊接連接。結(jié)果表明：焊接節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、剛度、耗能能力均與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)相當(dāng)；連接側(cè)板對(duì)于加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)承載力及減小節(jié)點(diǎn)變形起到了重要作用；焊接節(jié)點(diǎn)的寬度是重要的考量因素，尤其在承受反向反復(fù)彎矩情況下，因此在實(shí)際工程建造中需要認(rèn)真考慮其限值。

　　3.2.2 螺栓連接節(jié)點(diǎn)

　　2006年，土耳其的Ertas等人對(duì)5個(gè)梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了反復(fù)加載試驗(yàn)研究。這5個(gè)梁柱節(jié)點(diǎn)包括有1個(gè)現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)、2個(gè)后澆位置不同的整體式節(jié)點(diǎn)、1個(gè)帶牛腿的焊接節(jié)點(diǎn)和1個(gè)螺栓連接節(jié)點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：這些裝配式混凝土節(jié)點(diǎn)均達(dá)到了與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和耗能能力，可以用于抗震地區(qū)；除了焊接節(jié)點(diǎn)外，其它節(jié)點(diǎn)均達(dá)到了3.5%的層間位移，具有足夠延性；螺栓連接節(jié)點(diǎn)在強(qiáng)度、延性、耗能和施工方便等方面比起其它裝配式節(jié)點(diǎn)均有更好的表現(xiàn)，但需要采取相應(yīng)的構(gòu)造措施避免鋼連接件與混凝土的相對(duì)滑動(dòng)，如在其表面焊肋。

　　四、結(jié)束語(yǔ)

　　1.發(fā)展裝配式混凝土結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)建筑工業(yè)化的必要條件。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)具有節(jié)省人工和材料、建造效率高等特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。

　　2.裝配式節(jié)點(diǎn)的力學(xué)和抗震性能與其具體構(gòu)造相關(guān)，學(xué)者對(duì)這類節(jié)點(diǎn)研究較少。總體上，裝配式節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、延性和耗能等方面均可達(dá)到現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)水平。具體構(gòu)造上，焊接節(jié)點(diǎn)需要注意連接側(cè)板和節(jié)點(diǎn)的寬度，而螺栓連接節(jié)點(diǎn)需要避免混凝土與鋼連接件的相對(duì)滑移。此外，螺栓連接節(jié)點(diǎn)在施工方便方面占據(jù)更大優(yōu)勢(shì)。

　　3.裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能研究多集中于節(jié)點(diǎn)本身的抗震性能，而對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震性能和利用隔震、減震控制技術(shù)提高抗震性能的研究較少。未來(lái)研究方向應(yīng)以較為成熟的節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步探究結(jié)構(gòu)整體抗震性能及相應(yīng)的隔震、減震控制技術(shù)。

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