预制装配式结构之：预应力预制混凝土结构

预制装配式结构作为一种符合工业化生产方式的结构形式，具有施工速度快，产品质量高，经济效益好等优点。长期以来，混凝土建筑主要采用现场施工的传统作业方式，工业化程度低，水耗、能耗、人工垃圾、污水排放量大，不符合国家节能和环保的可持续发展政策。采用装配式结构，可以工厂预制、现场装配，实现住宅产业化，同时可以有效提高材料在建筑节能和结构性能方面的效率，节约能源与资源，减少建筑垃圾和环境的不良影响、降低施工场地限制等。

一、节点连接方式
相比于传统整体现浇混凝土结构，预制装配式混凝土结构的核心技术在于节点（拼接缝）的连接方式。节点（拼接缝）将预制构件连接成整体，使得整个结构具有足够的承载力、刚度和延性，以及抗震、抗偶然荷载、抗风的能力，节点和接缝的受力性能直接决定结构的整体性能。受力合理、方便施工的节点和接缝设计是预制装配式结构的关键技术，是决定该结构形式能否推广应用的重要影响因素。

目前预制构件的节点连接大致可分为湿性连接和干性连接两大类。湿性连接是将预制构件之间的连接节点，在施工现场采用现浇混凝土灌注，使得灌注后的预制构件成为一个整体。干性连接的理念起源于目前各国建筑设计规范对预制混凝土结构的要求：预制混凝土结构设计，要从试验或理论分析证明其强度、刚度性能等同或优于类似可比的整体现浇混凝土结构，即“仿现浇”的设计理念。湿性连接往往要求预制混凝土构件的钢筋在节点（拼接缝）处具有可靠的连接，以保证结构的整体性。目前主要的钢筋连接方式有套筒连接、浆锚搭接和机械连接三种方式，如图1 所示。湿性连接的弊端在于需要现场湿作业，施工程序复杂，周期较长。




传统的干性连接多采用预埋连接器的方式将预制混凝土构件在节点处相连。这样的连接方式避免了施工现场湿作业。但预埋连接器增加了设计难度，降低施工效率。对于地震区建筑，结构在地震作用下的破坏往往集中于连接器处，连接器震后损伤严重，结构残余变形很大，较难修复。

另一种节点（拼接缝）的干性连接方式是采用预应力技术。预制构件（梁柱、墙板等）在预制阶段预留孔洞，现场施工时通过后张拉预应力筋（钢绞线）将预制构件拼接成，从而形成整体。预应力筋（钢绞线）的作用如同橡皮筋一样，将各个预制构件在节点（拼接缝）处牢牢的连在一起。除了施工连接，预应力筋同时提供构件的承载能力。这种连接方式的主要优点是将结构的非线性变形集中于连接区域，而结构的其他部分基本保持弹性。更为重要的是，在预应力筋的弹性恢复力作用下，结构变形后的残余变形非常小，也即具有自复位能力。结构在经历地震作用后，恢复能力较强。相比于其他预制装配式混凝土结构，可以说预应力预制混凝土结构实现了真正意义上的全预制生产，体现了更高的工业化生产程度。图2给出了利用预应力连接的预制混凝土剪力墙和框架结构体系。图2(a)中的预制剪力墙，每层墙板预制，通过后张拉预应力筋将墙板在预留孔洞处连接从而形成整体。墙板中的分布钢筋无需在接缝处连接。为了满足剪力墙的承载能力和耗能能力要求，可以设置部分普通钢筋，在剪力墙适当部位进行连接，如设置部分普通钢筋伸入基础。图2(b)显示了在预制混凝土框架中的类似连接方式。








二、工程实例
图3所示的位于美国加州伯克利市中心的David Brower大楼的设计就使用了上述预应力技术。由于伯克利市位于地震高烈度区（事实上大楼离最近的Hayward断层仅有0.6英里），因此结构的设计必须考虑地震作用。设计中，高强预应力钢绞线和普通钢筋一起被用来控制结构的非线性响应。在地震作用下，普通钢筋用来屈服耗能，而高强无粘结钢绞线则保持弹性，并且提供震后恢复力，使结构回到初始位置。预应力钢绞线对结构总体承载能力的贡献略微大于普通钢筋的贡献，意味着结构一半以上的承载力来自预应力，同时预应力也提供了震后恢复结构的能力。经过分析，结构具有更好的延性，在地震作用中更不易于破坏。同时预应力筋的存在大大减小了构件中普通钢筋的配筋率，减少了构件节点的钢筋拥挤，改善了施工难度。图4展现了David Brower大楼框架梁柱预应力连接节点和剪力墙中预应力的使用情况。