試論預制裝配式結構在建筑中的應用及發展前景
預制裝配式建筑,根據其裝配化的程度可分為全裝配式和半裝配式兩種。全裝配式是全部構件的生產與機械制造廠一樣,在工廠內成批生產,然后再到現場裝配。半裝配式是把主要承重構件的一部分交工廠預制,另一部分在現場澆筑。
預制裝配式結構的抗震問題是人們十分關注的地方。在歷史的地震災害中,預制裝配式結構都曾遭受過不同程度的破壞。1988年前蘇聯阿美尼亞地震中裝配式混凝土結構遭受了極為嚴重的破壞。在土耳其1999年8月17日的Adapazari地震(里氏7.4級)和同年11月12日的Duzce地震(里氏7.2級)中,預制裝配式建筑都遭到不同程度的失效或損壞,包括結構的整體性倒塌和構件的局部損壞(有柱中部及節點的失效等)。據統計,1999年的Kocaeli地震后,在調查的481棟預制混凝土結構中,有14棟受部分破壞,17棟遭嚴重破壞。調查還發現,在單層預制裝配式結構中,節點采用銷栓連接的大部分房屋都已損壞。對1994年Nothridge等地震的震害調查表明:預制混凝土墻結構在震后破壞較輕,而一些大空間的預制混凝土框架結構破壞較嚴重,主要表現為因各構件間的連接破壞而導致結構整體離散、倒塌。
在2003年歐盟發起的“Seismic Behavior of Precast Concrete Structures with Respect to Eurocode 8”預制混凝土抗震研究項目中,同濟大學課題組進行了現澆混凝土節點、后澆混凝土節點、鋼纖維混凝土后澆節點和橡膠片螺栓連接節點的抗震性能對比試驗。試驗表明:后澆整體節點與現澆節點具有相同的抗震能力;鋼纖維混凝土對減少節點區箍筋用量有益,但對節點強度、延性和耗能的提高作用不明顯;橡膠片螺栓連接節點力學性能與現澆節點和后澆節點存在明顯的差異,呈非線性彈性特點,彈性變形范圍大、耗能少。該課題組還通過采用端部帶轉動彈簧的梁單元模型,研究了柔性節點預制混凝土框架結構的動力特性和地震作用下的動力反應規律。1995年,新西蘭的Restrepo進行了6個后澆整體式預制混凝土框架節點的反復加載試驗研究,發現這些節點的抗震性能達到或超過相應的現澆節點。1995年,澳大利亞的Loo進行了18個梁柱節點反復加載試驗研究,試驗表明:后澆整體節點的強度、延性和耗能均好于現澆節點,而無牛腿節點的延性和耗能又好于帶牛腿的節點。2004年,西悉尼大學的Mary Hardie等人采用了新型組合連接方式將空心預制板與鋼的連接應用于一大型運動場館,并取得了很好的效果。2005年,土耳其的Hasan Husnu Korkmaza針對1999年Marmara地震震害情況,試驗研究了預制混凝土框架結構在循環荷載作用下采用焊接板連接的梁梁節點的抗震性能。
近些年來,國內學者對預制混凝土框架結構節點的抗震性能也進行了不少研究。2005年,李忠獻等通過對2組、每組2個足尺寸節點試件進行了低周反復循環荷載作用下裝配整體式鋼骨混凝土框架節點抗震性能試驗研究。2005年,柳炳康通過兩榀預壓裝配式預應力混凝土框架梁柱組合體在低周反復荷載下的試驗,探討了全預應力配筋截面的滯回性能、耗能能力和變形恢復能力。2006年,程文穰等通過現澆框架和預制混凝土框架的擬靜力對比試驗研究,發現兩者的受力性能是基本相似的,同時也說明了齒槽連接方式有很好的抗震性能。2006年,李振寶等通過6個混合連接裝配式混凝土框架內節點試件在低周反復荷載下的加載試驗,對其破壞形態、滯回特性、變形恢復能力、位移延性、能量耗散等進行了研究。結果表明,混合連接裝配式混凝土框架節點的耗能能力與整體現澆混凝土節點相當,而其延性和變形恢復能力則優于整體現澆混凝土節點,其綜合抗震性能優于整體現澆混凝土節點。
國內外不僅對預制混凝土框架結構的節點抗震性能進行了研究,而且對整體抗震性能也進行了不少的研究。1996年,伊利諾斯大學進行了預制混凝土框架結構的振動臺試驗,研究了2個縮尺6層預制混凝土框架模型在大小震幅下的抗震性能。1997年,美國華盛頓大學的John Stanton等進行了混合配筋預制混凝土框架的整體性能試驗,結果顯示該結構的整體抗震性能比現澆混凝土結構的還要好。1999年,加州大學圣地亞哥分校的Charles Lee Powell結構試驗室,進行了一個5層預制混凝土結構體系在強震作用下的抗震性能試驗,試件包括5個不同的延性框架體系,其中有4榀縱向框架和1片橫向剪力墻。試驗發現預制混凝土框架結構具有良好的抗震性能,同時表明在高烈度地震區采用預制混凝土框架、剪力墻結構體系是可行的。在國內,2004年同濟大學的預制混凝土框架結構試驗研究組進行了3個預制混 凝土框架結構的擬動力試驗研究,包括2個單榀框架和1個鋪板的三榀框架,梁柱采用了橡膠墊螺栓連接節點,試驗表明: 此類預制混凝土框架結構具有較好的抗震性能;橡膠墊螺栓連接節點抗震性能良好;而采用焊接的板梁連接節點在試驗中破壞嚴重,是結構的薄弱環節。
為了更好地保護結構自身的完好性,我們還可以在預制裝配式混凝土結構的一些合適位置安裝消能元件來達到消耗一部分地震能量的目的。據記載,1988年前蘇聯阿美尼亞地震中裝配式混凝土結構遭受了極為嚴重的破壞,而由Rockwin Corporation設計建造的公司大樓(裝配式框架),在Whittier地震期間經受了大約6―10倍于按規范計算的地震作用,卻無明顯的結構破壞發生。對于這方面的探索,少部分國內外學者進行過有益的研究。20世紀90年代,加拿大在預制裝配式結構中采用摩擦耗能的技術就比較領先,并成功應用于Concordia大學的圖書館大樓中。加拿大的A.S.Pall把有限滑移螺栓連接街頭應用于裝配式混凝土大型墻板結構的豎向連接縫中,并與無豎向接縫的單獨墻體(滑移荷載值為零)、強彈性接頭墻體(滑移荷載值較大,滑移值很低甚至可忽略)二者作了對比研究。1998年,林宗凡通過在節點區設置摩擦滑移裝置來減小結構地震響應,提高了結構的整體抗震性能。2005年,Morgen針對無黏結預應力框架節點耗能較差的特點,提出了在框架節點安裝摩擦阻尼器的改進方案。研究表明:這種節點由于附加了摩擦阻尼器,具有很好的耗能能力,同時由于預應力作用又具有很好的復原能力,節點殘余變形很小。2007年,翁大根在層間采用粘滯阻尼器對多層裝配式框架結構進行了加固,通過試驗研究表明該加固可以取得很好的抗震效果。僅有的這些研究畢竟是不夠的,我們應該積極投身到預制裝配式混凝土結構消能減震的研究隊伍中來,不斷研究和開發預制混凝土裝配式建筑新的消能減震技術,為我國的防震減災事業推波助瀾。
編輯:姜立東
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