美国干式连接装配式混凝土结构及案例介绍

美国现代预制业经过近一世纪的发展在安全，技术及质量上已成为一个成熟的工业。而这一切都不是偶然的。是各生产厂家，专业顾问公司及大学的相关科系在美国预制-预应力协会（PCI）的长期领导下的成果。在PCI带领下，美国预制业已成功发展出一套完整且有预制特性的设计及施工方法。不受到现浇混凝土结构设计理念的束缚，将预制产品的特性完全发挥出来。在市场上能以质量及造价上平衡的与其他建筑材料自由竞争。


因为预制业大量使用预应力及装饰外墙的快速发展，预制产品更能达到业主及建筑师的要求。在建筑市场上反而成为更灵活且耐久的材料。最近正在美国加州施工中的高科技苹果公司的总公司就以混凝土预制材料为主（如图1，图2所示）。主体结构在地震九级的加州也使用预制材料。


美国预制业有很多值得我们学习的优点，因篇幅有限，我就以干性连接及剪力墙绞接梁柱系统的使用做介绍。这二点是国内较少运用但是走出”等同现浇”限制的关键之一。






一、干性连接
我们常用搭积木来形容预制组合。其实并不合适，用外国的乐高（LEGO）来形容或许更接近一些，因为乐高是相互连接的积木。


预制混凝土结构是由许多单独生产的构件组成，由于需要在工地组装的特性，各各组件之间需要有适当的连接以支持建筑物的整体性及设计荷载。美国不论地震要求的高低，干性连接为主要的方式来组合完成最后的结构体，以在每一个预制构件中预埋不同的连接件（图3，图4所示）然后在工地现埸用螺栓，焊接等方式（图5，图6所示）按照设计要求完成组装，图7及图8 用3D透视图表示出建筑物整体结合情况。


通常干连接件比他们连接的预制组件有更多的柔性，在外力下的变形往往集中在连接件上，容易，经济性是预制构件生产和现埸安装的二大要素。现埸误差的容忍度也很重要，同时在允许变形下不会有太多强度的损失。而每个构件与其相邻的构件要以美国ACI对整体性（如图9所示）的要求为最低标准连接，不能过于僵化，以防止在温度变化及预制构件在受力时能产生合理变形而不影响连接件的强度，一个成功的干性连接结构体更能完全反应出在受力时结构工程师的假设，而有比现浇构更好的安全性。


1、连接件设计指南
1.1 连接件的分类
选择连接件的类型是预制结构设计的关键，在初期设计时就要按照他们预期的作用而定下它的类形，钢筋的屈服是钢筋混凝土结构在较严重外力（例如:地震力）下的一般反应，设计时应考虑在组件中非弹性变形的位置与设计，在变形时仍不影响在工作荷载下的承载力。而预制构件的连接处是最容易屈服的位置，美国IBC（International Building Code）中对连接件有三种分类：


强（Strong）–强连接件在设计中位于结构在反应外力时不需要屈服的位置，强连接不需要有韧性（ductile）的要求。一个例子是梁和柱的连接在梁的跨中（如图10所示），在地震力下在梁中间的弯矩小于梁端的弯矩，它远离屈服点，这种连接件比较少用，虽然可行，但因需要安排合成连接后的结构的屈服点不在连接处比较困难及不经济。












韧性（Ductile）–韧性连接具有显著的变形能力，能在非弹性变形集中地带形成抗震系统的一部份，韧性连接在反循环荷载作用下形成稳定的滞后环（Hysteresis loops），在设计中确保屈服及循环应变硬化发生在连接处，可以用焊接，但要保证焊接及预埋件的强度要大过连接预埋件之间的连接件。不论如何，要有足够的应变能力，以维持在变形之下的抵抗力。图11是剪力墙之间的干连接，在主要地震后的照片。


可变形（Deformable）–可变形连接在结构移动时变形而不产生阻力。例如图12预制梁与柱之间有橡胶垫片，能允许梁有小量的旋转，达到简支的要求。另外图13在与梁平行方向用螺栓连接来确保不会产生负弯矩及允许温度变化。同时也要在结构体有大变化时，构件本身不会因大位移而失去其他承载垂直力连接件的功能。


1.2 连接件设计原则
系统的连接件（System connections）–因为连接件的连接决定结构如何反应外力。所以连接件应该如何连接要与整个结构系统相连合。例如剪力墙结构，两种结构反么是剪力墙在基础的摇摆（rocking）还是平面的小许滑动来释放能量，所以设计者不仅要设计连接件将规范规定的力传到基础，也要决定建筑物要用何种方式反应较巨大外力。







加载传送的路径（Load path）–每一个完整的加载传送路径会将外力安全的传送到基础上。每一个传送中的连接件要有适当的设计有足够的承载力来完成外力的传送。而每个连接件有可能在同一时间传送多种外力且在不同方向，而应力集中可能造成的局部开裂要在优化设计中考虑。


加载路径的偏心（Load path eccentricity）–因连接件位置的安排及连接方式的限制。力量的传递有时会有偏心产生，在张力情况产生的偏心会造成弯矩要拉直构件或造成连接件的变形，而压力的偏心会在构件上产生额外的弯矩，在设计连接件时要避免这种偏心或做其他安排使偏心产生的弯矩用其他组件抵抗。


容量设计（Capacitydesign）–容量设计是细部设计的原则.。使设计者能控制连接件在整体设计的影响，能确定加载路线的屈服发生在指定的韧性元素中，该元素应是连接件中最薄弱的环节，适当的安全系数要加在与弱环节相关的连接件（预埋件）上,，使它们在有巨大外力时不需要有韧性的反应而有屈服的现像，使地震后的修复较容易完成。


例如图13所示, 如果不在焊接或混凝土锚固处采取任何特别措施，破坏可能是脆性，发生在焊接断裂或预埋件在混凝土产生局部破坏，如果连接预埋件的矩形连接板经过特别处理,，使其减弱，在强震下先屈服而变形，使能量释放位置在人为控制之下，后期的捡修也易于完成。





韧性（Ductility）–韧性连接设计要确保有韧性特性但预防预埋件在构件中不产生局部开裂。


施工能力（Constructability)–连接件的设计要考虑：在同一工程中的标准化，避免非标准生产，考虑吊装的公差, 现埸调整能力。


另外需要考虑的是：耐久性（防绣处理），防火性，美观，简单现埸检验，现埸快速施工达到连接件结构设计要求，减少起吊机挂钩时间等。另外因工程需要，还有许多特别要求，在此无法一一详述。


二、剪力墙-梁柱结构系统
有别于中国的剪力墙-框架系统，美国最常使用的预制结构体系是剪力墙-梁柱系统。水平力百分之百使用剪力墙承受，梁柱接头使用绞接，不承受水平力（如图14所示）.以内剪力墙系统（如图15所示）及外剪力墙系统（如图16所示）为主。一般而言，外剪力墙系统比较经济，因外墙做剪力墙的同时也能做装饰墙（如图17所示）.因工程需要，混合使用也是可行。


一般柱以多层柱为主（如图18~图20所示），梁以简支梁计算，梁通常只有在梁的上端有连接件与柱相连（如图21所示）.梁，柱，楼板以可靠的连接方式连接，保持建筑物在水平力之下的整体性。


2008年美国加州的圣地亚哥大学（San Diego University）在美国国家科学基金会及预制预应力协会支持下完成了一个三层楼的振动台实验（如图21，图22所示），整栋建筑以传统干连接，剪力墙承受百分之百水平力，梁柱以绞接为主。实验结果很成功的证明了剪力墙-梁柱体系在强震之下的可靠性。









三、个案讨论
从现阶段市埸反应来看，装配建筑的建设成本高于传统现浇建筑的建设成本。一般而言并没有太多的公开数据可供参考.，在有限的资料中每平方米的造价有从200元到800元不等。这对装配式建筑的广泛发展和大范围应用造成了不利的影晌。


现阶段等同现浇的设计施工方向，即使使用不同的流冰线，自动化及标准化来降低成本。在这几年的实践中，并不能完全解决造价过高的问题，而从结构上真正发挥预制构件优势的设计不失为一条可行之路，利用工厂施工的先拉法预应力水平构件及适当使用干连接来建立一个比现浇钢筋混凝土更经济及实用的预制结构体系，因结构体系的优化。构件生产，运输及现埸施工费用才能真正降低，在建筑市埸上有自由竞争的机会。


1、案例:
建筑 A（如图23所示）是传统使用迭合板，次梁的某一实际预謒工程，唯一不同是将楼梯及电梯间去掉以利比较；建B（如图24所示）使用同样柱距，梁及楼板改成预应力构件；建筑物C，D（如图25，26所示）增加一方向柱距，达到12米，同样使用预应力梁及楼板；建筑物E（如图27所示）使用剪力墙-梁柱系统。使用干连接及多层柱；建筑B到E的梁，楼板因使用预应力，所以并不需要临时支撑（如图17，图18，图20所示）。表1列出在不同设计方案下顶预制构件的分类及总数的比较。







2、讨论
建筑A与建筑D
以美国传统施工做比较，一般运输及现场施工占总工程预算的40%，建筑D比建筑A减少16.4%的工程费。


因空心楼板是单向板，与板同方向的梁的垂直承载力极小，因而梁柱接头延伸出的钢筋也相对减少，主要是抗水平力的钢筋，而承受楼板的梁虽受较大的载重，因预应力的使用加上无支撑施工技术的应用，梁延伸出的钢筋并不会增加，间接解决了内柱延伸钢筋过多的现埸施工问题。另外加上无需临时支撑及预应力空心楼板的经济性，建筑D至少比建筑A节省超过20%的工程费。








建筑A与建筑E
建筑E比建筑A的预制件减少超过50%，吊装速度以楼板6.5件/小时，墙1件/小时，梁2件/小时，柱.75件/小时，计算，总共吊装时间是95小时，以一天工作八小时计算，一共只需十二个工作天，因使用干连接，吊装是连续进行，干连接由专门技术人员同步完成。


主结构由305个构件减低至73个构件，柱因不承受水平力，40公分的正方型柱足够承受承直力，因构件数量的减少梁柱接头的简化，长线生产，预应力标准件的使用。一般中型预制埸有能力在六个工作天完成所有的构件，也就是说在最快十五个工作天（工厂完成50%开始吊装）能够从生产到现埸吊装完毕，如果需要现浇层，可以在吊装全部完成后再浇灌。

虽然不能很直接的做很详细的经济性比较，但从生产、运输、吊装的速度及简化上分析，建筑E会是最有竞争力的体系。如果有合理的规范做支撑，将会是一个比现浇更有经济性的梁柱结构。

三、结论
在全国积极推动产业化的同时，不要忘记设计的提升，走出”等同现浇”的限制，如同世界各地发展出灵活及高质量的预制产品，真正成为现浇混凝土的替代品，预制产品也成为安全、快速、经济、可持续发展的代名词。