預制混凝土建筑結構體系研究與應用探析

（中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230031）

0 前言

裝配式建筑是現代建筑工業化生產方式的主流代表，從廣義角度可分為裝配式結構和裝配式裝修。裝配式結構體系主要包括預制裝配式混凝土結構、裝配式鋼結構和裝配式木結構等，目前，預制裝配式混凝土結構是應用規模最大、最廣泛的一種結構體系。本文將對預制混凝土框架結構體系和剪力墻結構體系等兩種預制混凝土結構體系中常用節點連接和相關研究應用進行闡述和總結，為今后我國裝配式混凝土結構的發展提供參考。

1 預制混凝土框架結構體系

預制混凝土框架結構體系的傳力途徑：樓板→次梁→主梁→柱→基礎→地基。在結構抗震設計中，“強柱弱梁、強剪弱彎、節點更強”是最重要的設計理念，所以在預制混凝土框架結構體系中，梁柱節點連接構造是最重要的研究方向之一。按照梁柱節點連接構造，可將預制混凝土框架結構分為兩類：裝配整體式混凝土框架結構體系和裝配式混凝土框架結構體系。其中裝配整體式混凝土框架結構體系多采用預制結合現澆的濕法連接方式，裝配式混凝土框架結構體系多采用預應力筋、螺栓或焊接的干法連接方式。

在節點核心區采取現澆混凝土的方式完成梁柱節點連接，這是裝配整體式混凝土框架結構體系的主要特點。目前，應用較為廣泛的主要有“現澆柱+疊合梁”體系和“預制柱+疊合梁”體系。裝配式混凝土框架結構體系主要特點是采用預應力筋、螺栓、焊接等干式連接方式形成結構整體。其中焊接連接構造因其施工質量難以保證、工效低等工藝缺陷，工程應用越來越少，而預應力筋連接和螺栓連接體系的應用較為常見。

濕法連接和干法連接的性能存在一定的差異，其中干法連接施工便捷，能夠保證剛度和承載力要求，但延性和恢復性能較差，濕法連接整體性較好，抗震性能優越于干法連接，但節點核心區連接較為復雜，澆筑質量難保證。下文主要對濕法連接的結構體系進行闡述。

1.1 “現澆柱+疊合梁”框架結構體系

“現澆柱+疊合梁”結構體系主要的構造特點是框架梁采用疊合梁構造，通過現澆柱及梁柱節點核心區形成結構體系。根據國內外幾次大地震（1976年唐山大地震、1988年的亞美尼亞地震和1999年的土耳其地震）的震害調查表明：地震中預制結構有大量的梁柱節點核心區遭受破壞，所以梁柱節點的構造連接對預制混凝土的抗震性能影響較大。目前該體系節點連接構造主要有兩種形式，如圖1所示。節點連接構造二相對構造一，可以使預制梁避開最不利位置，即負彎矩和剪力最大截面，但現場濕作業量和模板支撐數量增大。

該體系框架節點的施工順序：①預制梁端架設支撐架；②預制樓板置于梁上，下部設置支撐架體；③綁扎柱中鋼筋；④綁扎板、梁現澆層鋼筋；⑤模板支設；⑥澆筑混凝土。

圖1 “傳統現澆柱+疊合梁”節點連接示意圖

2008年薛偉辰等人對節點連接構造二的現澆柱+疊合梁體系進行了節點抗震性能試驗研究，結果表明：現澆柱疊合梁框架節點的安全性可以滿足設計要求。2009年薛偉辰等人對節點連接構造一的框架節點足尺模型以及框架結構大尺度模型進行了抗震性能試驗研究，結果表明：該體系剛度、承載力、延性與耗能等抗震性能指標與現澆混凝土框架結構體系相近。

1.2 “預制柱+疊合梁”框架結構體系

“預制柱+疊合梁”結構體系是在“現澆柱+疊合梁”體系基礎上，將現澆柱設計為預制形式，其梁柱節點構造可分為整澆節點、部分現澆節點和牛腿連接節點等。預制柱可采用多層柱構造或單層柱構造。目前，對于預制柱節點連接有多種方式，包括法國世構體系、臺灣潤泰體系、榫式接頭連接、漿錨接頭連接、套筒灌漿連接、螺栓連接等多種形式。

圖2 世構體系節點連接示意圖

圖3 潤泰體系節點連接示意圖

圖4 榫式接頭連接示意圖

圖5 漿錨接頭連接示意圖

圖6 套筒灌漿連接示意圖

法國世構體系（圖2所示）和臺灣潤泰體系（圖3所示）在建筑上應用已有多年歷史，技術相對成熟，相關學者對兩種體系也開展了一系列試驗研究，結果表明：可靠連接的“預制柱—疊合梁”體系具有與現澆混凝土框架結構體系相近的抗震性能。

榫式接頭連接構造特點是使用榫頭混凝土承受荷載，在上、下柱安裝并固定后，對外漏的受力主筋采取剖口焊接連接并設置一定數量的箍筋，支設模板澆筑混凝土節點處，待后澆混凝土達到設計強度后，再施工上部結構，如圖4所示。

漿錨接頭連接的構造特點是在預制柱底部預留孔徑為錨固鋼筋直徑2.5～4倍的漿錨孔，將下層預制柱主筋深入漿錨孔內，注射高性能灌漿料完成搭接連接，如圖5所示。ZHENG L X等對10個預制鋼筋混凝土漿錨插筋連接預制柱開展抗震性能試驗，結果表明：漿錨插筋連接節點是一種可靠的連接方式，可供實際工程借鑒。

套筒灌漿連接的構造特點是通過內腔為凹凸表面的套筒將上、下柱的主筋對接，然后注射高強灌漿料完成鋼筋連接，如圖6所示。對于預制柱套筒灌漿連接，相關學者 YONG-MOOK KIM、劉陽等進行了抗震性能研究，結果表明：套筒灌漿連接預制柱的承載力與延性耗能方面與現澆柱相當。

螺栓連接的構造特點是通過預埋螺栓系統，將上、下柱連接起來，后澆節點核心區澆筑混凝土完成連接，如圖7所示，這種構造體系系統施工效率高且質量可靠。代領杰等對這種節點構造進行了試驗研究，結果表明：與現澆混凝土框架節點的承載能力相當，可以為其在抗震設防地區的應用提供借鑒。

圖7 螺栓連接示意圖

2 預制混凝土剪力墻結構體系

預制混凝土剪力墻結構體系按照墻體的構造不同，基本可分為三類：預制實心剪力墻體系、疊合式剪力墻體系和預制夾心保溫剪力墻體系。

2.1 預制實心剪力墻結構體系

預制實心剪力墻結構體系特點是設置水平和豎向接縫，在接縫位置采取有效的鋼筋連接方式，將實心剪力墻連接形成整體。其中水平接縫的處理是剪力墻受力性能的影響關鍵因素之一，也是主要的研究方向。目前，關于水平接縫的常用連接構造，主要有灌漿套筒連接、漿錨搭接連接、螺栓連接、擠壓套筒連接和環形箍筋互錨連接等方式。目前在工程應用最廣泛的連接方式主要有灌漿套筒連接和漿錨搭接連接。

灌漿套筒連接常用的方式有單排構造連接（圖8a所示）和雙排構造連接（圖8b所示）兩種。其中單排構造連接方式是同濟大學和清華大學課題組提出，并進行了試驗研究，結果表明：灌漿套筒單排構造連接方式具有與現澆剪力墻相近的抗震性能。雙排構造連接國內外已開展了一系列抗震性能試驗研究，結果表明：灌漿套筒雙排構造連接能夠有效傳遞豎向鋼筋的應力，其剛度和耗能能力與現澆墻試件相當。

圖8 灌漿套筒連接示意圖

漿錨搭接連接在預制墻體底部鋼筋位置設置預留孔洞，與豎向鋼筋一一對應，在預留孔洞位置埋設波紋管形成約束空間，待下部鋼筋插入后，從下部注漿孔注射高性能灌漿料連接整體。在外墻處，水平縫設計呈“Z”字形，加強結構防水。陳云鋼等對漿錨搭接連接構造的足尺試件進行低周反復荷載試驗，研究結果表明：漿錨搭接連接內墻試件與現澆試件基本相同，而外墻試件較現澆試件初期剛度有所降低，水平拼縫上移后，承載能力有所提高。

圖9 漿錨搭接連接構造示意圖

對于豎向施工縫一般采用現澆方式連接，在預制剪力墻水平方向端部預留直線型開口鋼筋，并附加矩形箍筋和豎向鋼筋，而后澆筑高一個等級的微膨脹混凝土完成連接。附加豎向鋼筋和矩形箍一起可起到豎向暗柱的作用，加大結構剛度，如圖10所示。

圖10 實心剪力墻豎向施工縫連接構造示意圖

2.2 疊合式剪力墻結構體系

疊合式剪力墻結構體系的特點是采用雙皮墻構造形式，下層剪力墻豎向主筋插入空腔內或在底部設置環筋扣合錨接，通過后澆疊合層形成整體，如圖11所示。目前，該體系在日本和我國均有成熟的應用。已有研究表明：疊合式剪力墻結構體系具有良好的整體性和抗震性能，但豎向連接鋼筋位于疊合層內部，會導致水平接縫位置截面有效高度降低，所以在設計時應注重連接區域的受力性能。此外，清華大學、北京工業大學與北京市建筑設計研究院聯合研發一種在連接區域內預留圓孔的構造形式，研究結果表明：該體系具有與現澆剪力墻結構相近的抗震性能。

圖11 疊合式剪力墻連接構造示意圖

2.3 預制夾心保溫剪力墻結構體系

預制夾心保溫剪力墻結構體系最大特點是可以達到保溫和結構同壽命的效果，是一種集結構承重、保溫和裝飾一體化的預制剪力墻結構體系。目前，國內對該體系進行了一系列的試驗研究，結果表明：預制夾心保溫剪力墻與現澆對比試件的滯回曲線如圖12所示，采用這一構造的剪力墻具有良好的抗震性能。

圖12 預制夾心保溫剪力墻與現澆對比試件的滯回曲線

3 結構體系適用范圍

在實際工程中，一般會將基于濕法連接的裝配整體式混凝土框架結構與預制或現澆剪力墻結構組合應用。規范《裝配式混凝土建筑技術標準》（GBT 51231-2016）中對裝配整體式混凝土結構房屋的最大適用高度和最大高寬比做了明確規定，如表1和表2所示。

裝配整體式混凝土結構房屋的最大適用高度（m） 表1

裝配整體式混凝土結構適用的最大高寬比 表2

4 結語

預制裝配式混凝土結構最重要是其具有良好的抗震性能，我國房屋建筑采用三水準抗震設防目標，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。本文主要對“現澆柱+疊合梁”結構體系、“預制柱+疊合梁”結構體系以及預制實心剪力墻結構體系、疊合式剪力墻結構體系、預制夾心保溫剪力墻結構體系等五種預制裝配式混凝土結構的節點連接和相關研究應用進行闡述和總結，為今后我國裝配式混凝土建筑的發展提供參考和依據。