裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)體系的預(yù)制構(gòu)造方案與抗震性能研究進(jìn)展

中國(guó)是一個(gè)能源消耗大國(guó)。減少能源消耗是中國(guó)實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。在2009年哥本哈根氣候變化大會(huì)上,中國(guó)政府鄭重承諾,“到2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%”。據(jù)資料統(tǒng)計(jì),在當(dāng)前我國(guó)社會(huì)總能耗中,建筑能耗超過(guò)了30%。發(fā)達(dá)國(guó)家的長(zhǎng)期實(shí)踐表明,發(fā)展住宅產(chǎn)業(yè)化、推廣應(yīng)用裝配整體式混凝土住宅是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的最有效途徑之一。我國(guó)政府高度重視住宅產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。2013年1月1日,國(guó)務(wù)院發(fā)布的國(guó)辦發(fā)1號(hào)文件要求,“十二五”期間要著力推廣預(yù)制裝配式住宅體系。2011年《北京市“十二五”時(shí)期民用建筑節(jié)能規(guī)劃》(京建發(fā)408號(hào))指出“要以保障性住房為重點(diǎn),全面推進(jìn)住宅產(chǎn)業(yè)化,2015年建設(shè)比例應(yīng)達(dá)30%以上”。2013年上海市《關(guān)于本市進(jìn)一步推進(jìn)裝配式建筑發(fā)展若干意見(jiàn)》(滬府辦52號(hào))要求“鼓勵(lì)采用預(yù)制混凝土住宅,各區(qū)縣落實(shí)建設(shè)比例,2014年不少于25%,2015年不少于30%”。因此,大力發(fā)展住宅產(chǎn)業(yè)化、開(kāi)發(fā)裝配整體式混凝土住宅具有廣闊的應(yīng)用前景。按照結(jié)構(gòu)體系的不同,裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)主要包括裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)體系、裝配整體式混凝土剪力墻體系和預(yù)制混凝土夾心保溫外墻體系三類。目前,課題組已針對(duì)這三類裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)體系開(kāi)發(fā)了多種適用于住宅的預(yù)制構(gòu)造方案,并開(kāi)展了一系列研究工作。本文將以上述三類裝配整體式混凝土結(jié)構(gòu)體系為主要對(duì)象,對(duì)其主要預(yù)制構(gòu)造方案與抗震性能研究進(jìn)展做一簡(jiǎn)要的介紹。結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)現(xiàn)澆柱疊合梁框架?，F(xiàn)澆柱疊合梁框架是一種較為傳統(tǒng)的裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)體系。其中,框架梁采用疊合式構(gòu)造,框架柱采用現(xiàn)澆混凝土構(gòu)造。2006～2008年,課題組與萬(wàn)科企業(yè)股份有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了兩種采用不同預(yù)制梁截面形式和節(jié)點(diǎn)核心區(qū)連接構(gòu)造的現(xiàn)澆柱疊合梁框架方案,并開(kāi)展框架足尺節(jié)點(diǎn)模型和大尺度框架整體模型的抗震性能試驗(yàn)研究(見(jiàn)圖1)。研究表明:(1)采用兩種不同構(gòu)造方案的現(xiàn)澆柱疊合梁框架在大部分梁端出現(xiàn)塑性鉸后發(fā)生一層柱腳壓潰破壞。兩種框架均實(shí)現(xiàn)了混合鉸破壞機(jī)制,滯回曲線均較飽滿,表現(xiàn)出良好的抗震性能。(2)兩種現(xiàn)澆柱疊合梁框架均表現(xiàn)出良好的位移延性,延性系數(shù)達(dá)到3.5～5.5。(3)兩種現(xiàn)澆柱疊合梁框架的承載力、耗能能力和剛度退化規(guī)律較為接近,且與現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)相近?，F(xiàn)澆柱疊合梁框架結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)等同設(shè)計(jì)。預(yù)制柱疊合梁框架。預(yù)制柱疊合梁框架是在現(xiàn)澆柱疊合梁框架基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的一種預(yù)制率較高的裝配整體式框架結(jié)構(gòu)體系。該體系中,框架梁、柱均在工廠預(yù)制,并在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)核心區(qū)和樓蓋疊合層混凝土形成整體結(jié)構(gòu)。2010年,課題組開(kāi)發(fā)了一種采用U形截面預(yù)制梁、預(yù)制柱縱向鋼筋采用鋼套筒連接的預(yù)制柱疊合梁框架結(jié)構(gòu)。足尺節(jié)點(diǎn)模型和大尺度框架整體模型的抗震性能試驗(yàn)結(jié)果表明:(1)框架試件的破壞過(guò)程為梁端首先出現(xiàn)塑性鉸,待多層梁端均出現(xiàn)塑性鉸后一層框架柱腳逐漸屈服并最終壓潰,最終破壞時(shí)框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)基本完好。該框架結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制為混合鉸機(jī)制。圖2所示為預(yù)制柱疊合梁框架整體模型在水平低周反復(fù)荷載作用下的最終破壞形態(tài)。(2)該框架的層間和整體滯回曲線飽滿(見(jiàn)圖3),表現(xiàn)出良好的耗能能力。承載力、延性(整體延性系數(shù)達(dá)到4.0～4.5)和剛度退化規(guī)律等抗震性能指標(biāo)與現(xiàn)澆混凝土框架較為接近。(3)總體而言,預(yù)制柱疊合梁框架結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)、破壞機(jī)制、抗震性能指標(biāo)等與現(xiàn)澆混凝土框架接近。這表明,預(yù)制柱疊合梁框架結(jié)構(gòu)可參照現(xiàn)行的現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。預(yù)制型鋼混凝土框架。預(yù)制型鋼混凝土框架兼有鋼框架連接簡(jiǎn)便、施工效率高、抗震性能好以及預(yù)制混凝土框架抗火性能和耐久性好、造價(jià)低廉、隔熱、隔聲效果好等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用前景廣闊。該體系在施工過(guò)程中通過(guò)型鋼接頭實(shí)現(xiàn)各預(yù)制構(gòu)件的快速連接,無(wú)需設(shè)置支撐,并可多層連續(xù)施工,大幅節(jié)省了材料消耗、縮短了工期,特別適用于大開(kāi)間住宅。2012年,課題組與北京市建筑工程研究院完成了預(yù)制型鋼混凝土框架足尺節(jié)點(diǎn)模型和大尺度框架整體模型的抗震性能試驗(yàn),如圖4所示。結(jié)果表明:(2)預(yù)制型鋼混凝土框架的滯回曲線與現(xiàn)澆型鋼混凝土框架相似,二者均具有良好的耗能能力。此外,二者的承載力、延性和剛度退化規(guī)律也較為接近。這表明二者可實(shí)現(xiàn)等同設(shè)計(jì),即預(yù)制型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)可采用現(xiàn)澆型鋼混凝土框架的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。預(yù)制混凝土異形柱框架。預(yù)制混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)是一種新型預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)。它采用異形截面(包括T形、L形、十字形等)柱代替普通預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)中的矩形截面柱;疊合梁由預(yù)制矩形梁、預(yù)制板和現(xiàn)澆板組成,如圖6所示。預(yù)制混凝土異形柱框架中,疊合梁的梁寬、異形柱的柱肢厚度基本與墻等厚,室內(nèi)不凸出梁柱,不僅增加了使用面積而且室內(nèi)布置靈活。2012年,課題組通過(guò)足尺節(jié)點(diǎn)模型和大尺度框架整體模型的低周反復(fù)荷載試驗(yàn),對(duì)預(yù)制混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究,結(jié)果表明:(1)預(yù)制混凝土異形柱框架的最終破壞形態(tài)與矩形柱框架相似,均以梁端形成塑性鉸、一層柱腳壓潰為標(biāo)志。極限破壞時(shí),框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)僅出現(xiàn)少量細(xì)小裂縫。預(yù)制混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制為混合鉸破壞機(jī)制。(2)預(yù)制混凝土異形柱框架的滯回曲線較為飽滿(見(jiàn)圖7),表現(xiàn)出良好的耗能能力?？蚣苷w延性較高,位移延性系數(shù)在4.1～5.8之間。2013年,課題組與中國(guó)建筑第八工程局有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種采用預(yù)制柱疊合梁構(gòu)造的預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)。圖8所示為預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土框架節(jié)點(diǎn)足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ?已完成的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)表明:(1)預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土框架節(jié)點(diǎn)最終發(fā)生梁端彎曲破壞。極限破壞時(shí),節(jié)點(diǎn)核心區(qū)僅出現(xiàn)幾條細(xì)小裂縫,框架柱未開(kāi)裂,節(jié)點(diǎn)核心區(qū)箍筋和框架柱縱筋均未屈服。(2)預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土框架節(jié)點(diǎn)的滯回曲線較為飽滿(見(jiàn)圖9),這表明該節(jié)點(diǎn)具有良好的耗能能力和延性。預(yù)制混凝土剪力墻鋼套筒和預(yù)留孔道漿錨連接預(yù)制混凝土剪力墻。預(yù)制混凝土剪力墻體系是我國(guó)裝配整體式混凝土住宅的主要結(jié)構(gòu)體系,其中,預(yù)制混凝土剪力墻豎向鋼筋的連接主要采用鋼套筒連接和預(yù)留孔道漿錨連接兩種。2011年以來(lái),課題組與中南集團(tuán)合作開(kāi)展了一系列中等軸壓比下(設(shè)計(jì)軸壓比0.4)、分別采用鋼套筒連接和預(yù)留孔道漿錨連接的預(yù)制混凝土剪力墻足尺模型的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)研究,如圖10所示。重點(diǎn)研究了約束邊緣構(gòu)件和中間墻體豎向鋼筋不同連接構(gòu)造對(duì)預(yù)制混凝土剪力墻抗震性能的影響。結(jié)果表明:(1)采用鋼套筒連接和預(yù)留孔道漿錨連接的預(yù)制混凝土剪力墻均具有良好的抗震性能,其破壞形態(tài)與現(xiàn)澆混凝土剪力墻相似,均為墻體端部混凝土壓碎、鋼筋壓屈。(2)預(yù)制混凝土剪力墻的承載力與現(xiàn)澆混凝土剪力墻接近,均能滿足設(shè)計(jì)要求。其中,采用鋼套筒連接的預(yù)制混凝土剪力墻的承載力略高于采用預(yù)留孔道漿錨連接的預(yù)制混凝土剪力墻。(3)預(yù)制混凝土剪力墻的滯回曲線與現(xiàn)澆混凝土剪力墻相似,在試驗(yàn)后期“捏攏”現(xiàn)象較為明顯,如圖11所示。采用兩種連接構(gòu)造的預(yù)制混凝土剪力墻的位移延性系數(shù)均在2.0～2.6之間,其剛度退化規(guī)律也較為一致。SP疊合板預(yù)制混凝土剪力墻。SP板是一種先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板,具有承載力高、防水隔聲、加工靈活、可隨意切割、可實(shí)現(xiàn)較大跨度等優(yōu)點(diǎn)。在預(yù)制混凝土剪力墻中采用SP板,并現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土疊合層,可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)大空間,特別適用于大開(kāi)間住宅。2012年,同濟(jì)大學(xué)與上海建工集團(tuán)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種剪力墻豎向鋼筋采用螺栓連接的SP疊合板預(yù)制混凝土剪力墻,并開(kāi)展了足尺模型的低周反復(fù)荷載試驗(yàn),如圖12所示。結(jié)果表明:(1)SP疊合板預(yù)制混凝土剪力墻的斜截面受剪承載力、正截面受彎承載力和水平縫受剪承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。(2)SP疊合板預(yù)制混凝土剪力墻的滯回曲線與現(xiàn)澆混凝土剪力墻較為接近(見(jiàn)圖13),預(yù)制剪力墻的承載力略高于現(xiàn)澆混凝土剪力墻。這表明SP疊合板預(yù)制混凝土剪力墻可采用與現(xiàn)澆混凝土剪力墻相似的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)算。預(yù)制混凝土夾心保溫剪力墻。預(yù)制混凝土夾心保溫剪力墻由內(nèi)側(cè)剪力墻體、外側(cè)圍護(hù)墻體、中間夾心保溫層和連接件組成,是一種節(jié)能與承重一體化的剪力墻體系,如圖14所示。2012年,課題組與中南集團(tuán)合作開(kāi)展了一批FRP連接件的預(yù)制混凝土夾心保溫剪力墻足尺模型的低周反復(fù)荷載試驗(yàn),對(duì)其抗震性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明:(1)預(yù)制混凝土夾心保溫墻體的破壞主要發(fā)生在端部。極限破壞時(shí),剪力墻端部混凝土壓潰,鋼筋壓屈,此時(shí),FRP連接件無(wú)損傷,外側(cè)圍護(hù)墻體也基本完好。(2)預(yù)制混凝土夾心保溫剪力墻的承載力、延性、耗能能力和剛度退化規(guī)律與現(xiàn)澆混凝土剪力墻和非夾心預(yù)制混凝土剪力墻相近。圖15所示為預(yù)制混凝土夾心保溫剪力墻的滯回曲線?？箾_劑和保溫層厚度對(duì)墻體受力性能的影響FRP連接件。預(yù)制混凝土夾心保溫外墻由內(nèi)外葉混凝土墻板、中間夾心保溫層和連接件組成。其中,連接件是連接內(nèi)外葉混凝土墻板、并使其共同工作的關(guān)鍵部件。目前,在我國(guó)普遍采用的預(yù)制混凝土夾心保溫外墻連接件為FRP連接件。自2007年以來(lái),課題組與北京萬(wàn)科企業(yè)有限公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了四種片狀和棒狀FRP連接件(見(jiàn)圖16),開(kāi)展了連接件抗拔和抗剪性能試驗(yàn)(見(jiàn)圖17),并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了模擬混凝土堿環(huán)境下FRP連接件的耐久性試驗(yàn)。結(jié)果表明:(1)片狀和棒狀FRP連接件的抗拔破壞形態(tài)均為混凝土拔出破壞,連接件本身未發(fā)生斷裂。兩種連接件均具有較高的抗拔承載力,抗拔安全系數(shù)在6.0～9.0之間。(2)片狀連接件的剪切破壞形態(tài)包括混凝土錨固破壞和連接件劈裂破壞(纖維層間斷裂)兩種。片狀連接件在縱橫兩個(gè)方向的抗剪承載力相差較大,但均具有較高的安全系數(shù)。棒狀連接件主要發(fā)生連接件劈裂破壞,其抗剪承載力低于片狀連接件,但仍具有較高的安全系數(shù)。(3)夾心保溫層厚度對(duì)連接件抗拔承載力影響不大,但隨著保溫層厚度的增大,片狀和棒狀FRP連接件的抗剪承載力均有所下降。(4)隨著侵蝕時(shí)間的增加,FRP連接件的抗拉強(qiáng)度、抗拉彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗壓彈性模量和層間剪切強(qiáng)度均有不同程度的下降。對(duì)應(yīng)自然環(huán)境50年和100年,FRP連接件的抗拉強(qiáng)度環(huán)境影響系數(shù)建議分別取為2.0和3.0、抗壓強(qiáng)度環(huán)境影響系數(shù)分別取為1.4和1.6、層間剪切強(qiáng)度環(huán)境影響系數(shù)分別取為1.4和1.6。預(yù)制混凝土夾心保溫墻板。預(yù)制混凝土夾心保溫外墻是一種自承重圍護(hù)構(gòu)件。為了研究該墻板在平面外荷載工況下的受力性能,課題組于2011年開(kāi)始與上海城建物資有限公司合作開(kāi)展了采用不同F(xiàn)RP連接件(片狀和棒狀)、不同夾心保溫層材料(XPS和無(wú)機(jī)保溫砂漿)以及不同夾心保溫層厚度(50mm和70mm)的預(yù)制混凝土夾心保溫墻板的平面外抗彎性能試驗(yàn)(見(jiàn)圖18)和抗火試驗(yàn)(見(jiàn)圖19)。結(jié)果表明:(1)采用片狀連接件和棒狀連接件的預(yù)制混凝土夾心墻板均表現(xiàn)出良好的平面外受力性能,均具有較高的承載力和延性。圖20所示為典型的預(yù)制混凝土夾心保溫墻板荷載一跨中撓度曲線。(2)片狀連接件的布置方向?qū)Π宓氖芰π阅軣o(wú)明顯影響,但夾心保溫層厚度對(duì)墻體的抗彎剛度與承載力影響較大。片狀連接件與內(nèi)外葉混凝土板之間的滑移小于棒狀連接件,這說(shuō)明采用片狀連接件的剪力連接程度明顯大于棒狀連接件。(3)采用片狀連接件和棒狀連接件的預(yù)制混凝土夾心墻板均具有良好的抗火性能,滿足現(xiàn)行規(guī)范的耐火極限要求。為保證安全,建議采用FRP連接件的預(yù)制混凝土夾心保溫外墻的外葉墻厚度為60mm,當(dāng)墻體外側(cè)采用瓷磚/石材等不燃材料飾面時(shí)可取55mm。本文中的主要結(jié)構(gòu)體系已成功應(yīng)用于上海浦江鎮(zhèn)