高层钢筋混凝土结构中预制拼装柱的抗震性能研究

殷骏

身份证号码：321102199002181517 江苏 南京 210000

前言

目前我国的住宅建筑仍以混凝土结构为主，主要采用传统的现场施工方式，工业化程度低、设计建造粗放、建筑材料损耗及建筑垃圾量大、建筑质量不稳定，与国家的节能、环保政策不匹配。住宅产业化成为将来民用建筑产业的一个大趋势，其优点是显而易见的，如较高的生产效率、较好的产品质量、较低的工人劳动强度、较高的综合经济效益以及利于环境保护等。现阶段国内应用的钢筋混凝土预制结构多用多层或小高层预制框架建筑，在高层、超高层建筑中应用仍较少。因此，有必要开展钢筋混凝土预制装配式高层建筑的抗震性能研究。钢筋混凝土高层建筑中底层框架柱构件的截面尺寸较大、轴压比较大，混凝土强度较高，结合这些特点，本文选取套筒灌浆的节点连接方式，设计预制柱抗震性能试验研究、数值模拟，对比分析数值模拟与试验研究结果，并进行预制柱的抗震性能影响参数扩展分析，为预制装配式结构广泛应用于高层建筑结构提供研究基础。

1 抗震性能影响参数扩展分析结果

对扩展分析中各预制柱模型有限元计算结果进行分析，从破坏过程与破坏模式、骨架曲线、延性系数等方面分析其抗震性能，从而得出预制柱随轴压比变小、混凝土强度降低时抗震性能的变化规律。破坏形态是评价预制拼装柱抗震性能很重要的一点，破坏发生的过程与最终的破坏模式直接决定试件是脆性还是延性破坏。主要有三种破坏模式：弯曲破坏、弯剪破坏和剪切破坏。其中，试件发生剪切破坏是最危险的情况。观察混凝土模型损伤发展过程，损伤首先出现在模型柱底受压侧。随着荷载的增大，损伤从柱底逐渐向柱身中部发展。在水平往复荷载的不断作用下，柱端和柱身损伤值达到最大，试件承载力也下降至极限承载力的百分之85。试件发生弯剪破坏[1]。

2 抗震性能

采用整体现浇的钢筋混凝土柱在地震作用下，墩身将出现等间距的贯通裂缝，局部混凝土被压碎，外侧纵向钢筋断裂。当墩身采用合适的配筋率时，混凝土压溃和纵向钢筋拉断几乎发生在同一时刻，钢筋的承载力在被拉断前无明显下降。

2.1 节段接头

节段拼装混凝土柱的接头主要指节段与承台间的接头以及节段间的接头。节段与承台间有3种连接方式，即现浇式、承插式和节段式。节段拼装混凝土柱采用现浇式或承插式连接时，其破坏形式主要为弯曲破坏，其中承插式柱的塑性铰有上移的趋势。节段拼装混凝土柱采用节段式连接时，其破坏集中在接缝处，承台处接缝表现最为明显。实际工程中，地震区高墩主要采用现浇式连接方式，中短墩主要采用承插式、节段式连接方式；非地震区主要采用节段式连接方式。

节段间的连接方式有匹配筑造、环氧接头、剪力榫结构等3种。实际工程中，非地震区或低烈度地区主要采用匹配筑造或环氧接头连接方式，地震区主要采用剪力榫结构连接方式。

2.2 耗能装置

节段拼装混凝土柱的耗能装置分为两大类，即内部耗能装置和外部耗能装置。增设消能钢筋能增加柱的消能能力，但是柱配筋率的提高增加了结构的残余变形[2]。

3 结束语

本文针对高层建筑预制框架结构中的柱构件，结合预制拼装柱竖向连接的抗震性能试验研究与ABAQUS数值模拟，对套筒灌浆制作方法的预制拼装柱的抗震性能进行系统研究，取得的成果如下：①分析预制拼装柱竖向连接的拟静力试验结果可知，预制柱在破坏形态方面与现浇柱基本一致，在承载力、延性、耗能等方面均不弱于现浇柱。另外，随着轴压比、浆料强度的升高，预制柱的极限承载力逐渐增大，延性系数逐渐减小，耗能能力略有降低。通过预制柱抗震性能试验研究，为其应用于高层预制建筑提供了理论依据。②通过材料属性、边界条件方面按照试验实际情况合理考虑，建立了套筒灌浆节点连接方式的预制拼装柱的数值模型，并进行了试验研究与模拟分析结果的对比分析，分析说明模拟与试验在破坏模式、极限承载力、延性等方面的变化规律是基本一致，论证了数值模型的正确性与可靠性。③进行了预制柱抗震性能影响参数的扩展分析，由分析结果知，随着预制柱的轴压比、混凝土强度从低到高变化，其极限承载力升高、延性系数减小，破坏模式由弯剪破坏变为剪切破坏。基于分析结果，给出套筒灌浆节点连接预制柱的轴压比和混凝土强度适用范围。通过上述研究，对套筒灌浆节点连接方式的预制拼装柱的抗震性能有了初步认识，但如下内容仍有待进一步研究与探索：①本文研究了预制框架结构中柱构件的抗震性能，预制框架一现浇核心筒体系的整体抗震性能值得近一步系统分析研究。②本文仅针对轴压比、混凝土强度等影响参数进行了抗震性能扩展分析，对配筋率、截面尺寸等其他参数对预制柱抗震性能的影响仍有待近一步探讨。