装配式混凝土结构的效益评价及其抗震性能研究综述

一、引言

　　随着经济、科学技术的发展，我国建筑业将面对巨大的、持续需求和开放的建筑市场。而建筑业迎接挑战、抓住机遇的关键是实现建筑工业化。

　　目前国内的多、高层建筑大多采用现浇混凝土结构。由于大量的手工劳动，无疑这不可能进行完全的工业化生产。此外，现浇结构还存在着工期长、成本难控制、工程质量难保证等缺陷。

　　相对而言，装配式混凝土结构，工厂化的加工、现场的拼装使得现浇结构的缺陷迎刃而解，更重要的是能轻易实现建筑工业化的四大基本内容： 设计标准化、构件工厂化、施工机械化、组织管理科学化。在国外，已有不少装配式混凝土结构成功案例，且有完整的规范体系支持，如美国和加拿大PCI组织完成的PC技术的规范和标准。

　　因此，笔者认为我们不能因为已有的装配式结构的缺陷，就全盘否定其前景。本文将通过引用国外成功的装配式混凝土结构案例和先进的装配式框架结构节点，对装配式混凝土结构的效益评价和抗震性能进行探讨及论证。

　　 二、装配式混凝土结构的效益评价

　　2.1装配式混凝土结构的经济优势

　　2.1.1工厂化生产的混凝土预制产品，具有自然的经济优势

　　相对传统的现浇混凝土工艺而言，工厂化生产劳动效率高，生产环境稳定。由于构件的定型化和标准化，预制构件比用其他施工方法生产的等效构件可节省较多的材料和人工，且产品按既定标准严格检验出厂，质量保证率高。

　　位于美国夏威夷檀香山的阿拉莫那旅馆，是一座33层的装配式预应力混凝土建筑，其楼板的整体厚度为152mm，包括89mm厚的预制预应力混凝土底板和63mm厚的现浇叠合面层。若采用现浇结构，按照楼面荷载和跨度计算，一般楼板的厚度要达到229mm。由于该建筑总体采用装配式混凝土结构，仅楼板节约的混凝土体量就达到标准层楼板面积乘以2540mm厚。楼板材料的节约减轻了结构自重，不仅节约了柱、梁、抗震墙和基础支撑体系的费用，而且根据当地规范对建筑总高度的限制，楼板节省下来的厚度累计起来可以多盖一层楼，使得该建筑由原设计的32层增加到33层，装配式混凝土结构的经济效益显而易见。

　　2.1.2 节省人工、材料，投资回收周期短

　　工厂化的加工，可以利用先进的现代技术，进行全自动化生产和计算机管理。现场拼装也只需要较少的熟练工人。国外一些工程实例表明，采用预应力叠合楼板替代常规全现浇楼板，可以节约28%的混凝土和45%的钢筋。同样地，用预制预应力混凝土梁可以比常规现浇混凝土梁节约60%的混凝土和65%的钢筋。除节约材料外，还大大节约了模板。

　　此外，装配式混凝土结构省去了现浇结构的支模、拆模和混凝土养护等时间，工期大大缩短，从而减少了整体成本投入，使项目及早发挥经济效益。澳大利亚悉尼有一栋13层的楼房，上部结构均采用装配式混凝土构件，梁柱接头采用的是预埋件焊接方法，柱与柱接头采用预应力钢筋连接，采用预制的楼板、墙板和桩基础，仅承台和基础用现浇混凝土施工，其全部施工工期仅用了三个月。

　　 三、装配式混凝土框架结构节点的抗震性能

　　按照美国NEHRP 2000规范，预制混凝土框架连接可以分为等效现浇连接和装配式连接。等效现浇连接要求达到或超过现浇混凝土连接的抗震性能，而装配式连接和现浇混凝土连接力学性能不同，NEHRP另行给出抗震规定。常用的等效现浇节点有后浇整体式和预应力拼接式，常用的装配式节点有焊接节点和螺栓连接节点。

　　3.1等效现浇节点

　　3.1.1后浇整体式节点

　　1995年，新西兰的Restrepo等人对后浇整体式节点进行了反复加载试验研究。这些节点试件分别采用了预制构件端部伸出直筋和带弯钩钢筋在节点区搭接的构造。结果表明：节点的具体构造差异对于试件整体的试验反应影响不大；这些试件在强度、耗能和延性等方面均表现良好，层间侧移都达到2.4%以上，位移延性系数都达到6及以上（现浇节点位移延性系数为6）；该后浇整体式节点的抗震性能等同或超过现浇节点。

　　3.1.2预应力筋拼接节点

　　1990年，美国和日本合作开展了一项预制混凝土结构抗震研究项目PRESSS，其中加利福尼亚大学Preistley等人对预应力筋拼接节点进行了理论研究，并对8个无黏结预应力梁柱节点进行了低周反复加载试验。Preistley指出由于预应力筋在节点内和节点两边一定范围内不与混凝土发生粘结，所以在节点产生较大变形情况下预应力筋仍可保持弹性。这种节点在大变形后强度、刚度的衰减和残余变形都较小，节点复原能力强；同时，由于预应力的约束作用，对节点区抗剪有利，可以减少节点区箍筋用量。这些理论也在试验结果中得到了验证，节点最大层间变形2.8%～4%，残余变形约为最大层间变形的2.2%，大变形时节点也只是轻微损坏；但预应力筋拼接节点的耗能性能不如现浇混凝土节点强。

　　1993年，Cheok等人进行了预应力拼接节点和现浇节点的反复加载对比试验研究。其中预应力拼接节点的试验参数变化包括有预应力筋位置、预应力筋种类、粘结与否等因素。结果表明：预应力拼接节点的破坏特征为预应力筋受拉屈服、梁端混凝土压碎和梁柱界面处开裂，裂缝宽度受预应力筋位置影响较大，节点达到破坏时累计耗能大约相当于现浇节点80%；预应力节点的位移延性系数均超过对应的现浇节点；有粘结预应力节点耗能优于无粘结预应力节点。

　　3.2 装配式连接节点 　　

3.2.1 焊接节点

　　1993年，土耳其的Ersoy等人进行了焊接节点和现浇节点的对比试验研究。焊接节点采用顶板、底板和侧板进行焊接连接。结果表明：焊接节点的强度、刚度、耗能能力均与现浇节点相当；连接侧板对于加强节点承载力及减小节点变形起到了重要作用；焊接节点的宽度是重要的考量因素，尤其在承受反向反复弯矩情况下，因此在实际工程建造中需要认真考虑其限值。

　　3.2.2 螺栓连接节点

　　2006年，土耳其的Ertas等人对5个梁柱节点进行了反复加载试验研究。这5个梁柱节点包括有1个现浇节点、2个后浇位置不同的整体式节点、1个带牛腿的焊接节点和1个螺栓连接节点。试验结果表明：这些装配式混凝土节点均达到了与现浇节点相当的强度和耗能能力，可以用于抗震地区；除了焊接节点外，其它节点均达到了3.5%的层间位移，具有足够延性；螺栓连接节点在强度、延性、耗能和施工方便等方面比起其它装配式节点均有更好的表现，但需要采取相应的构造措施避免钢连接件与混凝土的相对滑动，如在其表面焊肋。

　　四、结束语

　　1.发展装配式混凝土结构是实现建筑工业化的必要条件。装配式混凝土结构具有节省人工和材料、建造效率高等特点，经济优势显而易见。

　　2.装配式节点的力学和抗震性能与其具体构造相关，学者对这类节点研究较少。总体上，装配式节点的强度、延性和耗能等方面均可达到现浇节点水平。具体构造上，焊接节点需要注意连接侧板和节点的宽度，而螺栓连接节点需要避免混凝土与钢连接件的相对滑移。此外，螺栓连接节点在施工方便方面占据更大优势。

　　3.装配式混凝土框架结构的抗震性能研究多集中于节点本身的抗震性能，而对结构整体抗震性能和利用隔震、减震控制技术提高抗震性能的研究较少。未来研究方向应以较为成熟的节点为基础，进一步探究结构整体抗震性能及相应的隔震、减震控制技术。

　　 参考文献：
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　　[2] Yee A A.预制与预应力混凝土的结构和经济效益[J].建筑结构.2002年6月
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　　[5] Cheok， Geraldine S， Lew H S. Performance of Precast Concrete Beam-to-Column Connections Subject to Cyclic Loading[J]. PCI Journal

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