裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展局限，快來了解一下吧

※現(xiàn)行裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展局限

從裝配式建筑應(yīng)用現(xiàn)狀來看，目前使用最廣泛的裝配式建筑形式可以概括為預(yù)制構(gòu)件—節(jié)點連接—核心區(qū)后澆。這種形式由于現(xiàn)場仍存在濕作業(yè)，因此又被稱為“濕式”連接裝配式結(jié)構(gòu)體系。與之對應(yīng)的，另一類直接利用預(yù)應(yīng)力技術(shù)、螺栓、焊接等方式直接拼裝預(yù)制構(gòu)件，不存在后澆段的裝配式建筑，可以稱之為“干式”連接裝配式結(jié)構(gòu)體系。

“濕式”連接體系在我國目前的相關(guān)規(guī)范及規(guī)程中，均要求其設(shè)計和施工性能以“等同現(xiàn)澆”為目標，即裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計與建造達到現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的性能，因此也可稱為“等同現(xiàn)澆”型裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系?，F(xiàn)行國內(nèi)發(fā)展的最多的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系主要是“等同現(xiàn)澆”型裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系，其具體的形式仍沿用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，如框架、框架剪力墻、剪力墻等，主要的區(qū)別僅僅在于連接區(qū)域采用一系列構(gòu)造或者措施以確保其滿足“等同現(xiàn)澆”的要求。經(jīng)過數(shù)十年來的研究，國內(nèi)外已經(jīng)形成了成熟的“等同現(xiàn)澆”結(jié)構(gòu)設(shè)計理論。同時，國內(nèi)外也已經(jīng)有了較多“等同現(xiàn)澆”型裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系的實際工程案例，驗證了其構(gòu)造連接、結(jié)構(gòu)體系的可行性，充分發(fā)揮預(yù)制結(jié)構(gòu)體系快速連接、延性大等優(yōu)點的同時也滿足抗震設(shè)防要求。然而，“等同現(xiàn)澆”型裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系仍存在較多濕作業(yè)現(xiàn)場施工等，也不能完全發(fā)揮裝配式結(jié)構(gòu)相對于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，大大限制了裝配式建筑的發(fā)展與應(yīng)用。

與之相比，采用“干式”連接的形式，不需要澆筑混凝土，而是通過在構(gòu)件內(nèi)預(yù)埋連接部件，通過螺栓、焊接或者預(yù)應(yīng)力將各部分連接在一起，現(xiàn)場不存在濕作業(yè)，施工效率可以大大提高，更加符合裝配式結(jié)構(gòu)的特點。此外，“干式”連接裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系通過角鋼和阻尼器等附加耗能件，可以實現(xiàn)節(jié)點的自復(fù)位，節(jié)點殘余變形較小，并且可以通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力筋位置、種類、粘結(jié)長度，以及設(shè)計選用優(yōu)良的耗能件或阻尼器，使其耗能能力達到設(shè)計要求。在震后可以直接更換梁柱之間損傷的局部構(gòu)件，相比較“等同現(xiàn)澆”型裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系更容易實現(xiàn)可修復(fù)和可更換，使得結(jié)構(gòu)具有較好的可恢復(fù)性能。因此，這一類結(jié)構(gòu)體系也可稱之為“非等同現(xiàn)澆”型裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系，其更契合“裝配式”技術(shù)的本質(zhì)，也更符合工程發(fā)展的趨勢。然而，此類“非等同現(xiàn)澆”連接型的結(jié)構(gòu)由于多種連接構(gòu)造形式與局部構(gòu)件的存在，導(dǎo)致其受力機理不清晰，計算方法不明確。與“等同現(xiàn)澆”結(jié)構(gòu)相比，其構(gòu)造特征、受力機制、計算方法都具有明顯的差異性和特殊性。盡管國內(nèi)外的學(xué)者在這方面進行了諸多深入的研究，目前仍然缺乏成熟的“非等同現(xiàn)澆”型裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系及相關(guān)理論。因此，有必要深入研究“非等同現(xiàn)澆”型裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系，建立合理的構(gòu)造形式、計算理論、設(shè)計方法等。

※等同現(xiàn)澆連接和干式延性連接

裝配式結(jié)構(gòu)的抗震性能很大程度上取決于節(jié)點的構(gòu)造，目前預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的節(jié)點可以分為等同現(xiàn)澆和干式連接。

等同現(xiàn)澆是指通過節(jié)點現(xiàn)澆來連接預(yù)制構(gòu)件的施工工藝。為了使現(xiàn)場澆筑的混凝土能夠連接框架的各種構(gòu)件，預(yù)制構(gòu)件需要在其端部伸出鋼筋，到現(xiàn)場將這些構(gòu)件依次組裝后，再澆筑混凝土，利用混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)作用將不同構(gòu)件連接為一個整體。等同現(xiàn)澆可以達到與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)接近或相同的性能。由于其受力性能與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)總體上一致，其設(shè)計方法也與大部分工程師所熟知的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)總體上相同，因此，在推進建筑工業(yè)化的初期，這種施工方法得到了大面積的推廣。

隨著建筑工業(yè)化的不斷深入，工程師們也開始認識到等同現(xiàn)澆的一些不足之處。首先，預(yù)制構(gòu)件端部伸出的錨固鋼筋給構(gòu)件的生產(chǎn)、運輸帶來較高的要求。其次，在構(gòu)件安裝的過程中，由于節(jié)點區(qū)域狹小、鋼筋來源眾多，不同方向的鋼筋在節(jié)點區(qū)域內(nèi)十分容易發(fā)生位置沖突，安裝過程中也需要精心地設(shè)置安裝順序才能避免先裝構(gòu)件端部伸出的鋼筋對后裝構(gòu)件的安裝造成干涉。最后，節(jié)點本是受力復(fù)雜的內(nèi)力交匯區(qū)域，理應(yīng)具有比構(gòu)件更好的質(zhì)量和性能，等同現(xiàn)澆模式下構(gòu)件在工廠預(yù)制，其產(chǎn)品質(zhì)量得到有效保證，而現(xiàn)場澆筑的節(jié)點質(zhì)量離散性較大，不易保證強節(jié)點弱構(gòu)件的總體要求。針對這種情況，研究者將目光聚焦到干式連接。

所謂的干式連接，是指不采用構(gòu)件端部伸出的鋼筋通過后澆混凝土粘結(jié)錨固來連接構(gòu)件的裝配式節(jié)點體系。干式連接往往采用預(yù)應(yīng)力、螺栓連接或焊接等方式將構(gòu)件連接起來，因此構(gòu)件在制作、運輸和安裝過程中，端部并不伸出鋼筋。這一特性給其在生產(chǎn)和施工的各個過程中都帶來很大的便利。由于端部不伸出筋，制作過程中模具規(guī)整、簡單，有利于模具的重復(fù)使用和合模、拆模，吊裝、運輸過程中不必擔心伸出的鋼筋被磕碰變形;安裝過程中，構(gòu)件完整、連接便捷，且不必等待后澆混凝土達到強度即可承受荷載，有效地壓縮了濕作業(yè)的周期。

2003年以來，歐盟發(fā)起了一項預(yù)制混凝土抗震研究項目“基于歐標8的預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)抗震特性”，分別從節(jié)點和結(jié)構(gòu)整體抗震性能兩個方面對裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的性能展開研究;2004年以來，新西蘭學(xué)者Au、Byrne、Bull等人針對干式連接的裝配式框架結(jié)構(gòu)，組合不同形式的耗能部件進行了參數(shù)及試驗對比分析，驗證了帶耗能部件干式連接的框架結(jié)構(gòu)具有良好的耗能特性。

近幾十年來，老師們將裝配式結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)力技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)出了一系列抗震性能優(yōu)良且自復(fù)位性能較好的預(yù)應(yīng)力裝配式結(jié)構(gòu)。1977年，Park等人對足尺預(yù)制裝配式框架的后張有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力裝配邊節(jié)點進行了低周反復(fù)試驗，證明了裝配式預(yù)制預(yù)應(yīng)力框架具備良好的延性和抗疲勞性能;自20世紀80年代以來，美國與日本聯(lián)合開展了PRESSS(預(yù)制裝配式抗震結(jié)構(gòu)體系)項目，研究可應(yīng)用于地震區(qū)的多層預(yù)制結(jié)構(gòu)體系，建立了反映結(jié)構(gòu)體系受力特性的計算模型，為裝配式混凝土結(jié)構(gòu)在不同抗震設(shè)防區(qū)的應(yīng)用提供全面合理的設(shè)計建議。

伴隨著基于性能的抗震設(shè)計理論研究的深入，人們越來越注意對結(jié)構(gòu)損傷的控制，延性耗能元件的研究與應(yīng)用受到了越來越多老師和學(xué)者的青睞。Nakaki和Englekirk等人提出了一種預(yù)制混凝土延性框架系統(tǒng)，該系統(tǒng)中將延性連接器(圖2.1)預(yù)埋在柱中，通過螺栓和轉(zhuǎn)換塊與梁中鋼筋相連，并使得地震時的塑性變形均集中在延性連接器上，從而保護了結(jié)構(gòu)的其他部位不發(fā)生破壞，該系統(tǒng)適用于所有地震區(qū)域。1995年，Englekirk詳細介紹了延性連接器(Dywidag Ductile Connector，DDC)的設(shè)計思想，并對含有這種連接器的裝配式混凝土框架節(jié)點進行了往復(fù)荷載試驗，在層間變形達到3.5%時，節(jié)點核心區(qū)仍沒有出現(xiàn)明顯破壞，承載能力也保持穩(wěn)定，驗證了其具有良好的抗震性能。1996年，他介紹了一種用于強地震區(qū)域預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土建筑的新結(jié)構(gòu)體系，該結(jié)構(gòu)體系中的關(guān)鍵部位是由高性能延性連桿組成的梁柱連接，并將該設(shè)計理念運用于洛杉磯的一個4層裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的停車場威爾騰中心停車場(Wiltern Center Parking)(圖2.2)中，此后，這一體系在更多的工程中得到應(yīng)用，如舉辦奧斯卡頒獎典禮的多層框架——好萊塢高地中心(圖2.3)。2006年，Ertas等人研究了四種類型的延性預(yù)制混凝土框架連接，將其與整體連接的框架進行抗震性能的對比，試驗證明試件表現(xiàn)良好，能承受較大的側(cè)向變形而沒有出現(xiàn)明顯的承載能力損失。根據(jù)其承載能力和能量耗散能力，該預(yù)制延性連接被證明適合用于強地震帶，其等效阻尼比與整體試件相比，表現(xiàn)出相似甚至更好的性能。2008年，Kenyon等人對帶有DDC組件的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)進行了有限元模擬，分別采用了兩種方法建模：集中塑性模型和纖維模型。兩種建模方式均可較為準確地預(yù)測含有DDC組件的預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能。2013年，Chang等人對含有DDC組件的框架節(jié)點進行了多組試驗，試驗中試件均表現(xiàn)出穩(wěn)定的滯回性能，在層間位移角超過4%時沒有出現(xiàn)強度退化的現(xiàn)象，且在梁柱節(jié)點達到預(yù)期設(shè)計的塑性轉(zhuǎn)動時，沒有出現(xiàn)受壓混凝土剝落，僅沿梁出現(xiàn)了輕微的損壞。

如上所述，在過去的幾十年里，研究者依據(jù)干式連接的原理，研究了形形色色的連接裝置，其中，具有典型意義的就是美國Dywidag公司開發(fā)的延性連接器。本章主要介紹這種連接裝置及其結(jié)構(gòu)體系的性能和設(shè)計方法。

※延性連接裝置

金屬屈服耗能裝置是利用金屬在大震作用下發(fā)生塑性變形來耗散地震能量的設(shè)施，一般采用鋼材制作而成，具備滯回曲線飽滿、耗能性能穩(wěn)定的特點。梁柱連接是裝配式框架受力的關(guān)鍵，在水平力作用下，梁柱連接處會產(chǎn)生較大的彎矩，容易在反復(fù)作用下?lián)p傷。針對這一問題，國內(nèi)外學(xué)者提出，在裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的梁柱連接節(jié)點處采用合適的延性耗能元件連接構(gòu)件，可以誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)的損傷機制，從而達到延性連接的目的，大大提高結(jié)構(gòu)的消能減震性能?；谶@類觀點，Nakiki等人提出了一種含有延性連接器的預(yù)制混凝土延性框架系統(tǒng)，Oh等人提出了可更換的帶縫鋼阻尼器，我國的李向民等人提出了一種設(shè)置在節(jié)點內(nèi)的低屈服高延性桿件。

DDC連接組件由延性耗能桿、轉(zhuǎn)換塊、高強度螺栓和相應(yīng)的組件組成。其中，延性耗能桿是連接最主要的部分，如圖21所示。延性耗能桿的屈服承載力被設(shè)置為整個體系中最弱的部分，從而當梁發(fā)生塑性轉(zhuǎn)動的時候，受壓或受拉的塑性變形集中在延性耗能桿中，發(fā)生滯回耗能效應(yīng)。延性耗能桿的內(nèi)端是一個擴大的錨固板，它提供了耗能桿在柱內(nèi)的錨固作用;其外端是一個擴大頭，內(nèi)有帶有螺紋的杯口，用于與梁縱向鋼筋實現(xiàn)連接。

延性耗能桿被置于柱內(nèi)，其外端杯口不超出柱子側(cè)面，因此預(yù)制柱的外表面是平整的，便于支設(shè)柱模具。梁的縱向鋼筋在端部使用螺紋連接在一個鋼制的轉(zhuǎn)換塊中，轉(zhuǎn)換塊與延性耗能桿相對應(yīng)的位置開設(shè)了直洞口，從而螺栓可以從此處穿過。安裝時，首先將預(yù)制柱安裝就位并調(diào)整垂直度，然后吊裝梁。為了使吊車快速脫鉤，可以在柱側(cè)留設(shè)一個支承角鋼。支承角鋼的作用就是一個臨時的牛腿，在施工階段支承梁的自重。將高強度螺栓穿過轉(zhuǎn)換塊中的直洞口，擰入延性耗能桿端部的杯口螺紋中，就完成了框架節(jié)點的連接工作。其中，為了盡可能消除杯口端部與轉(zhuǎn)換塊之間的間隙，在兩者之間采用若干層墊片，使其能夠可靠地傳遞縱向鋼筋的壓力。該延性連接構(gòu)造簡單，制作安裝方便，耗能效果良好，造價相對低廉。

Englekirk開發(fā)的延性連接器(DDC)用于延性預(yù)制混凝土框架(DPCF)，該連接器允許將梁和柱獨立澆筑，并通過螺栓在柱表面實現(xiàn)梁柱連接。DDC的作用有：

(1)重新布置屈服構(gòu)件;

(2)允許梁端區(qū)域的應(yīng)變得到控制;

(3)在混凝土梁和柱中預(yù)埋鋼塊，通過梁柱接觸面鋼塊與鋼塊之間的摩擦來傳遞剪力。

DDC中的延性耗能桿作為屈服構(gòu)件，屈服后可以限制框架梁內(nèi)剪力和彎矩的增加，有利于保證混凝土梁保持不屈服。為了保證延性耗能桿為該延性連接器中最先屈服的部分，其荷載傳遞路徑上的其他部件(螺紋連接、高強度螺栓、轉(zhuǎn)換塊和螺紋鋼筋)的設(shè)計承載力均高于延性耗能桿的屈服承載力，并考慮了1.25的安全系數(shù)。

推廣裝配式建筑是促進綠色發(fā)展的重要舉措，是促進建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必然要求，是中國建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級的有效途徑，也是實現(xiàn)建筑工業(yè)化的重要手段。以上內(nèi)容就是“裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展局限，快來了解一下吧”，更多裝配式新發(fā)展新資訊，歡迎繼續(xù)關(guān)注環(huán)球網(wǎng)校裝配式建筑行業(yè)頻道!點擊下方免費下載，獲取裝配式精華考點/課程講義。