預制裝配式混凝土結構的抗震性能研究

尹 冉 北京育才交通工程咨詢監理有限公司試驗員，助理工程師

隨著我國城市化進程的不斷加快，傳統高污染、低效率的現澆混凝土已不符合綠色建筑的要求。預制裝配式混凝土結構解決了傳統現澆混凝土結構資源浪費的問題，減少了建筑垃圾和環境污染，為綠色建筑、文明施工提供了保障。同時，采用預制裝配式混凝土結構不僅可以大大縮短施工周期，還能提高生產效率。但是，在發生地震時，裝配式結構節點的連接可靠性差，反復荷載對建筑結構破壞較大，節點處往往難以達到結構受力要求。因此，加強對于預制裝配式結構節點抗震能力的研究顯得尤為重要。

1 抗震性能試驗方法

為了研究結構的抗震性能以及在地震作用下機理的復雜性，不僅要采用理論分析研究結構在地震作用下的破壞機理，還需要通過結構抗震試驗進行結構分析。研究結構抗震性能的試驗方法主要有擬靜力試驗方法、擬動力試驗方法以及地震模擬振動臺試驗方法。

擬靜力試驗方法是采用一定荷載控制或者位移控制對試件進行反復循環加載的方法，能夠使結構構件獲得非彈性荷載—變形特性。擬靜力試驗方法的特點是加載緩慢，在試驗過程中試件不產生慣性力，同時可以不考慮加載速率的影響；由于加載程序在試驗前完全確定，試驗的可控性好。常用的擬靜力方法是低周反復加載試驗，此方法也是目前研究結構構件受力與變形性能應用最廣泛的方法。擬動力試驗方法是一種聯機試驗方法。此方法是通過計算機來控制并模擬整個地震的加載過程，按照動力響應的要求不斷地施加荷載與位移。與擬靜力試驗相比，擬動力試驗的最大優點是可以真實反映試件在加載全過程的恢復特性。地震模擬振動臺試驗方法能再現各種形式的地震波，為試驗的多波輸入分析提供了可能，可以模擬若干次地震的初震、主震以及余震的全過程，從而為研究試驗結構的動力特性以及結構的抗震性能提供了便利。受振動臺尺寸和承載力限制的影響，試件尺寸越小，效應越顯著，越難模擬結構內部的真實構造。

2 預制裝配式結構類型研究

現行裝配式結構技術規范中，預制裝配式結構可以分為剪力墻結構和框架結構。

2.1 預制裝配式剪力墻結構

在預制裝配式剪力墻結構中，水平接縫傳遞豎向荷載，受到水平剪力的影響，增加豎向鋼筋可以提高其抗剪性能。豎向接縫影響地震荷載作用下的結構變形能力。

預制混凝土剪力墻豎向預留金屬波紋管連接，梁板疊合現澆的新型預制裝配式剪力墻結構是目前普遍采用的一種形式。朱張峰通過對預制裝配式剪力墻中間層邊節點的抗震性能實驗研究和ANSYS 有限元分析，發現這種連接方式較現澆節點有相當的抗震能力和位移延性，并且認為連接鋼筋宜為HRB400 級熱軋鋼筋，伸入墻750 mm，伸入梁內1 250 mm，可以保證節點的承載力[1]。

姜洪斌研究了插入式預留孔灌漿鋼筋搭接連接的錨固能力[2]。研究表明，破壞形態為外部鋼筋達到屈服強度，無不正常的錨固破壞；內部的螺旋加強筋、套箍提高了混凝土對錨固區的約束作用，能夠增強錨固能力。宋國華對裝配式鋼筋混凝土結構豎向齒槽接縫的抗剪機理和抗剪承載力進行了計算，提出豎向接縫的抗剪能力主要由接縫混凝土與齒槽之間形成的斜壓桿和橫向鋼筋的受力摩擦承擔。由此可以得知，在滿足目前要求的前提下，提高橫向鋼筋與周圍混凝土之間的黏結能力，是提高預制裝配式剪力墻結構抗震性能的良策[3]。

2.2 預制裝配式框架結構

預制裝配式框架結構主要包括現澆整體框架結構體系、后澆整體預制框架結構體系和預制預應力框架結構體系。與預制裝配式剪力墻結構相比，它具有更靈活的節點方式，適用于我國實現建筑工業化。

趙斌通過對1根后澆整體梁柱組合件、1 根現澆整體梁柱組合件和2 根高強預制混凝土梁柱組合件進行低周反復加載，在柱節點位置處設置預埋螺栓，實現端板通過節點支座、墊板和螺栓與柱進行半剛性連接[4]。實驗結果表明，現澆和后澆整體式框架結構具有相近的抗震能力，但是半剛性節點連接的抗震性能較差。其原因在于半剛性節點雖然能夠承擔彎矩和一定程度的轉動，但是在地震作用下的耗能指標不如現澆的梁柱組合件。在以后的工程中，如何在半剛性節點中安裝抗震阻尼器是需要解決的問題。

閆維明通過研究發現，在低周反復荷載作用下開裂破壞過程與現澆節點類似[5]。此節點的連接方式為套筒灌漿連接，現澆節點比裝配節點的剛度大，但是退化過程快，說明裝配節點有較好的抗震性能，而現澆節點有較好的整體性能。梁柱疊合板邊節點整體性差是因為在連接處的拼縫，影響了混凝土抗剪鍵和或者鋼抗剪鍵的性能，建議加長梁底鋼筋在后澆處的錨固長度，以此提高結構的整體性。

3 預制裝配式結構連接節點研究

目前，在不同國家的不同地區，預制裝配式結構連接節點有不一樣的分類方式。我國并沒有統一的標準，按位置有梁柱疊合板之間的相互連接方式，按施工方法分為干法連接和濕法連接。以下主要對干法連接和濕法連接節點的抗震性能進行探討。

3.1 干式連接

干式連接有明牛腿連接、暗牛腿連接和型鋼暗牛腿連接，北美洲則廣泛采用鋼吊架式連接。除此之外還有焊接連接和螺栓連接，但是由于在反復地震荷載作用下，連接方法中無明顯的塑性鉸設置，容易發生脆性破壞。

預應力連接也是干式連接的1 種。柳炳康通過對預壓裝配式框架節點連接的一榀二層二跨預應力混凝土裝配式框架結構進行擬動力實驗研究，發現梁端在負彎矩的作用下首先出現塑性鉸，梁柱拼接處出現裂縫，預應力鋼筋屈服，結構基本實現“強柱弱梁”的破壞模式，滿足“強節點”的設計要求，并且具有良好的抗側移能力和變形能力[6]。

同時，黃慎江對二榀二層二跨預壓裝配式預應力混凝土框架進行了擬動力和擬靜力的實驗研究，分析了結構的各種抗震性能[7]。在擬動力實驗中，層間位移角滿足《建筑抗震設計規范》的要求，有很好的變形協調能力。在擬靜力試驗中，節點處由于存在預壓應力，是雙向受壓狀態，提高了極限承載力，也滿足“大震不倒”的要求。

黃祥海通過對鋼筋混凝土暗牛腿、型鋼暗牛腿和梁端懸挑牛腿進行了構造和承載力分析，得出在牛腿連接構造中，塑性鉸位置應取在預制梁離連接位置的一定距離處[8]。

石彩華對鋼板螺栓連接裝配式混凝土節點進行有限元軟件分析和實驗研究，考查鋼板長度和厚度對節點在低周反復荷載下受力性能影響，研究發現法蘭板變形是影響混凝土裂縫的重要因素[9]。

3.2 濕式連接

濕式連接是指預制梁、柱或構件在連接處通過現澆混凝土，成為一個完整框架結構的連接方，一般包括預制梁在梁柱節點連接、在跨中接連和預制T 型構件連接。

濕式連接節點連接主要包括灌漿連接及整體現澆連接。灌漿連接是將梁、柱受力的鋼筋節點置于同一套筒，通過灌注漿料填充在套筒內部。因為柱預制構件在施工中需要考慮力最大化傳遞的問題，所以在裝配式施工中更有利于垂直構件的連接。相對于焊接等需要投入更多資源的連接方式，灌漿連接既方便又能確保承載力進行傳遞。整體現澆連接是指預制構件受力鋼筋在預制場通過先張法或者后張法進行施工，再將其運至施工現場，通過對整體進行澆筑的方式進行連接。整體現澆連接在一定程度上既能提高梁柱節點的剛度及強度，又能節約施工成本。然而，相對于傳統工藝建筑結構整體性良好的優點來說，整體現澆具有一定的局限性。例如，整體現澆連接對于預制構件的預制鋼筋強度、現澆混凝土的強度以及新舊混凝土之間的接縫處等有較高的要求，需要經過前期大量的試驗以及不斷的總結得出較為精準的結論。

關于這種連接方式的抗震性能，國內的相關研究較少。國外有人針對這3 種構造連接方式進行了低周反復荷載試驗。試驗結果表明，這種濕式連接的結構總體上與現澆混凝土抗震性能一致，這種連接方式在我國被廣泛應用，是目前裝配式建筑施工中選擇較多的施工方式。由于其連接處需要澆筑混凝土、模板和支撐架，因此會拖慢施工進度，增加了施工成本，在今后的發展中還需要進一步改善。

4 結語

預制裝配式混凝土結構相比于現澆混凝土結構有很多優點，如較短的施工周期、模塊化建設、環保等符合我國綠色發展的理念。我國還沒有建立一套完善的預制裝配式結構規范，且施工環境復雜，不利于裝配式建筑發展。目前，濕式連接仍存在一定的問題，并非真正意義上的裝配式建筑。預應力干式連接是一種可靠且穩定的連接方式，因此干式連接節點和結構的抗震性能才是今后需要重點研究的方向。