看！装配式新技术

※ 现行装配式混凝土结构体系的发展局限

从装配式建筑应用现状来看，目前使用最广泛的装配式建筑形式可以概括为预制构件—节点连接—核心区后浇，如图1.23（a）所示。这种形式由于现场仍存在湿作业，因此又被称为“湿式”连接装配式结构体系。与之对应的，另一类直接利用预应力技术、螺栓、焊接等方式直接拼装预制构件，不存在后浇段的装配式建筑，如图1.23（b）所示，可以称之为“干式”连接装配式结构体系。

图1.23典型装配式混凝土连接节点形式

“湿式”连接体系在我国目前的相关规范及规程中，均要求其设计和施工性能以“等同现浇”为目标，即装配式结构的设计与建造达到现浇结构的性能，因此也可称为“等同现浇”型装配式混凝土结构体系。现行国内发展的最多的装配式混凝土结构体系主要是“等同现浇”型装配式混凝土结构体系，其具体的形式仍沿用传统的结构形式，如框架、框架剪力墙、剪力墙等，主要的区别仅仅在于连接区域采用一系列构造或者措施以确保其满足“等同现浇”的要求。经过数十年来的研究，国内外已经形成了成熟的“等同现浇”结构设计理论。同时，国内外也已经有了较多“等同现浇”型装配式混凝土结构体系的实际工程案例，验证了其构造连接、结构体系的可行性，充分发挥预制结构体系快速连接、延性大等优点的同时也满足抗震设防要求。然而，“等同现浇”型装配式混凝土结构体系仍存在较多湿作业现场施工等，也不能完全发挥装配式结构相对于现浇结构的优势，大大限制了装配式建筑的发展与应用。

与之相比，采用“干式”连接的形式，不需要浇筑混凝土，而是通过在构件内预埋连接部件，通过螺栓、焊接或者预应力将各部分连接在一起，现场不存在湿作业，施工效率可以大大提高，更加符合装配式结构的特点。此外，“干式”连接装配式混凝土结构体系通过角钢和阻尼器等附加耗能件，可以实现节点的自复位，节点残余变形较小，并且可以通过调整预应力筋位置、种类、粘结长度，以及设计选用优良的耗能件或阻尼器，使其耗能能力达到设计要求。在震后可以直接更换梁柱之间损伤的局部构件，相比较“等同现浇”型装配式混凝土结构体系更容易实现可修复和可更换，使得结构具有较好的可恢复性能。因此，这一类结构体系也可称之为“非等同现浇”型装配式混凝土结构体系，其更契合“装配式”技术的本质，也更符合工程发展的趋势。然而，此类“非等同现浇”连接型的结构由于多种连接构造形式与局部构件的存在，导致其受力机理不清晰，计算方法不明确。与“等同现浇”结构相比，其构造特征、受力机制、计算方法都具有明显的差异性和特殊性。尽管国内外的学者在这方面进行了诸多深入的研究，目前仍然缺乏成熟的“非等同现浇”型装配式混凝土结构体系及相关理论。因此，有必要深入研究“非等同现浇”型装配式混凝土结构体系，建立合理的构造形式、计算理论、设计方法等。

※ 等同现浇连接和干式延性连接

装配式结构的抗震性能很大程度上取决于节点的构造，目前预制装配式混凝土结构的节点可以分为等同现浇和干式连接。

等同现浇是指通过节点现浇来连接预制构件的施工工艺。为了使现场浇筑的混凝土能够连接框架的各种构件，预制构件需要在其端部伸出钢筋，到现场将这些构件依次组装后，再浇筑混凝土，利用混凝土与钢筋之间的粘结作用将不同构件连接为一个整体。等同现浇可以达到与现浇结构接近或相同的性能。由于其受力性能与现浇结构总体上一致，其设计方法也与大部分工程师所熟知的现浇结构总体上相同，因此，在推进建筑工业化的初期，这种施工方法得到了大面积的推广。

随着建筑工业化的不断深入，工程师们也开始认识到等同现浇的一些不足之处。首先，预制构件端部伸出的锚固钢筋给构件的生产、运输带来较高的要求。其次，在构件安装的过程中，由于节点区域狭小、钢筋来源众多，不同方向的钢筋在节点区域内十分容易发生位置冲突，安装过程中也需要精心地设置安装顺序才能避免先装构件端部伸出的钢筋对后装构件的安装造成干涉。最后，节点本是受力复杂的内力交汇区域，理应具有比构件更好的质量和性能，等同现浇模式下构件在工厂预制，其产品质量得到有效保证，而现场浇筑的节点质量离散性较大，不易保证强节点弱构件的总体要求。针对这种情况，研究者将目光聚焦到干式连接。

所谓的干式连接，是指不采用构件端部伸出的钢筋通过后浇混凝土粘结锚固来连接构件的装配式节点体系。干式连接往往采用预应力、螺栓连接或焊接等方式将构件连接起来，因此构件在制作、运输和安装过程中，端部并不伸出钢筋。这一特性给其在生产和施工的各个过程中都带来很大的便利。由于端部不伸出筋，制作过程中模具规整、简单，有利于模具的重复使用和合模、拆模，吊装、运输过程中不必担心伸出的钢筋被磕碰变形；安装过程中，构件完整、连接便捷，且不必等待后浇混凝土达到强度即可承受荷载，有效地压缩了湿作业的周期。

2003年以来，欧盟发起了一项预制混凝土抗震研究项目“基于欧标8的预制混凝土结构抗震特性”，分别从节点和结构整体抗震性能两个方面对装配式混凝土结构的性能展开研究；2004年以来，新西兰学者Au、Byrne、Bull等人针对干式连接的装配式框架结构，组合不同形式的耗能部件进行了参数及试验对比分析，验证了带耗能部件干式连接的框架结构具有良好的耗能特性。

近几十年来，专家们将装配式结构与预应力技术相结合，开发出了一系列抗震性能优良且自复位性能较好的预应力装配式结构。1977年，Park等人对足尺预制装配式框架的后张有粘结预应力装配边节点进行了低周反复试验，证明了装配式预制预应力框架具备良好的延性和抗疲劳性能；自20世纪80年代以来，美国与日本联合开展了PRESSS（预制装配式抗震结构体系）项目，研究可应用于地震区的多层预制结构体系，建立了反映结构体系受力特性的计算模型，为装配式混凝土结构在不同抗震设防区的应用提供全面合理的设计建议。

伴随着基于性能的抗震设计理论研究的深入，人们越来越注意对结构损伤的控制，延性耗能元件的研究与应用受到了越来越多专家和学者的青睐。Nakaki和Englekirk等人提出了一种预制混凝土延性框架系统，该系统中将延性连接器（图2.1）预埋在柱中，通过螺栓和转换块与梁中钢筋相连，并使得地震时的塑性变形均集中在延性连接器上，从而保护了结构的其他部位不发生破坏，该系统适用于所有地震区域。1995年，Englekirk详细介绍了延性连接器（Dywidag Ductile Connector，DDC）的设计思想，并对含有这种连接器的装配式混凝土框架节点进行了往复荷载试验，在层间变形达到3.5%时，节点核心区仍没有出现明显破坏，承载能力也保持稳定，验证了其具有良好的抗震性能。1996年，他介绍了一种用于强地震区域预制预应力混凝土建筑的新结构体系，该结构体系中的关键部位是由高性能延性连杆组成的梁柱连接，并将该设计理念运用于洛杉矶的一个4层装配式混凝土框架结构的停车场威尔腾中心停车场（Wiltern Center Parking）（图2.2）中，此后，这一体系在更多的工程中得到应用，如举办奥斯卡颁奖典礼的多层框架——好莱坞高地中心（图2.3）。2006年，Ertas等人研究了四种类型的延性预制混凝土框架连接，将其与整体连接的框架进行抗震性能的对比，试验证明试件表现良好，能承受较大的侧向变形而没有出现明显的承载能力损失。根据其承载能力和能量耗散能力，该预制延性连接被证明适合用于强地震带，其等效阻尼比与整体试件相比，表现出相似甚至更好的性能。2008年，Kenyon等人对带有DDC组件的装配式混凝土结构进行了有限元模拟，分别采用了两种方法建模：集中塑性模型和纤维模型。两种建模方式均可较为准确地预测含有DDC组件的预制混凝土结构的抗震性能。2013年，Chang等人对含有DDC组件的框架节点进行了多组试验，试验中试件均表现出稳定的滞回性能，在层间位移角超过4%时没有出现强度退化的现象，且在梁柱节点达到预期设计的塑性转动时，没有出现受压混凝土剥落，仅沿梁出现了轻微的损坏。

                       图2.1 DDC延性连接器的构成

                                  图 2.3 好莱坞高地中心

图片来源：https：//www.dywidagsystems.com/projects/2002info10/ddcprovidesseismicsafetyforacademyawardsceremonies/

如上所述，在过去的几十年里，研究者依据干式连接的原理，研究了形形色色的连接装置，其中，具有典型意义的就是美国Dywidag公司开发的延性连接器。本章主要介绍这种连接装置及其结构体系的性能和设计方法。

※ 延性连接装置

金属屈服耗能装置是利用金属在大震作用下发生塑性变形来耗散地震能量的设施，一般采用钢材制作而成，具备滞回曲线饱满、耗能性能稳定的特点。梁柱连接是装配式框架受力的关键，在水平力作用下，梁柱连接处会产生较大的弯矩，容易在反复作用下损伤。针对这一问题，国内外学者提出，在装配式混凝土框架结构的梁柱连接节点处采用合适的延性耗能元件连接构件，可以诱导结构的损伤机制，从而达到延性连接的目的，大大提高结构的消能减震性能。基于这类观点，Nakiki等人提出了一种含有延性连接器的预制混凝土延性框架系统，Oh等人提出了可更换的带缝钢阻尼器，我国的李向民等人提出了一种设置在节点内的低屈服高延性杆件。

DDC连接组件由延性耗能杆、转换块、高强度螺栓和相应的组件组成。其中，延性耗能杆是连接最主要的部分，如图21所示。延性耗能杆的屈服承载力被设置为整个体系中最弱的部分，从而当梁发生塑性转动的时候，受压或受拉的塑性变形集中在延性耗能杆中，发生滞回耗能效应。延性耗能杆的内端是一个扩大的锚固板，它提供了耗能杆在柱内的锚固作用；其外端是一个扩大头，内有带有螺纹的杯口，用于与梁纵向钢筋实现连接。

延性耗能杆被置于柱内，其外端杯口不超出柱子侧面，因此预制柱的外表面是平整的，便于支设柱模具。梁的纵向钢筋在端部使用螺纹连接在一个钢制的转换块中，转换块与延性耗能杆相对应的位置开设了直洞口，从而螺栓可以从此处穿过。安装时，首先将预制柱安装就位并调整垂直度，然后吊装梁。为了使吊车快速脱钩，可以在柱侧留设一个支承角钢。支承角钢的作用就是一个临时的牛腿，在施工阶段支承梁的自重。将高强度螺栓穿过转换块中的直洞口，拧入延性耗能杆端部的杯口螺纹中，就完成了框架节点的连接工作。其中，为了尽可能消除杯口端部与转换块之间的间隙，在两者之间采用若干层垫片，使其能够可靠地传递纵向钢筋的压力。该延性连接构造简单，制作安装方便，耗能效果良好，造价相对低廉。

                         图2.4 带有延性连接器的梁柱节点

图2.4显示了Englekirk开发的延性连接器（DDC）用于延性预制混凝土框架（DPCF），该连接器允许将梁和柱独立浇筑，并通过螺栓在柱表面实现梁柱连接。DDC的作用有：

（1）重新布置屈服构件；

（2）允许梁端区域的应变得到控制；

（3）在混凝土梁和柱中预埋钢块，通过梁柱接触面钢块与钢块之间的摩擦来传递剪力。

DDC中的延性耗能杆作为屈服构件，屈服后可以限制框架梁内剪力和弯矩的增加，有利于保证混凝土梁保持不屈服。为了保证延性耗能杆为该延性连接器中最先屈服的部分，其荷载传递路径上的其他部件（螺纹连接、高强度螺栓、转换块和螺纹钢筋）的设计承载力均高于延性耗能杆的屈服承载力，并考虑了1.25的安全系数。