预制装配式混凝土结构的抗震性能研究

尹 冉 北京育才交通工程咨询监理有限公司试验员，助理工程师

随着我国城市化进程的不断加快，传统高污染、低效率的现浇混凝土已不符合绿色建筑的要求。预制装配式混凝土结构解决了传统现浇混凝土结构资源浪费的问题，减少了建筑垃圾和环境污染，为绿色建筑、文明施工提供了保障。同时，采用预制装配式混凝土结构不仅可以大大缩短施工周期，还能提高生产效率。但是，在发生地震时，装配式结构节点的连接可靠性差，反复荷载对建筑结构破坏较大，节点处往往难以达到结构受力要求。因此，加强对于预制装配式结构节点抗震能力的研究显得尤为重要。

1 抗震性能试验方法

为了研究结构的抗震性能以及在地震作用下机理的复杂性，不仅要采用理论分析研究结构在地震作用下的破坏机理，还需要通过结构抗震试验进行结构分析。研究结构抗震性能的试验方法主要有拟静力试验方法、拟动力试验方法以及地震模拟振动台试验方法。

拟静力试验方法是采用一定荷载控制或者位移控制对试件进行反复循环加载的方法，能够使结构构件获得非弹性荷载—变形特性。拟静力试验方法的特点是加载缓慢，在试验过程中试件不产生惯性力，同时可以不考虑加载速率的影响；由于加载程序在试验前完全确定，试验的可控性好。常用的拟静力方法是低周反复加载试验，此方法也是目前研究结构构件受力与变形性能应用最广泛的方法。拟动力试验方法是一种联机试验方法。此方法是通过计算机来控制并模拟整个地震的加载过程，按照动力响应的要求不断地施加荷载与位移。与拟静力试验相比，拟动力试验的最大优点是可以真实反映试件在加载全过程的恢复特性。地震模拟振动台试验方法能再现各种形式的地震波，为试验的多波输入分析提供了可能，可以模拟若干次地震的初震、主震以及余震的全过程，从而为研究试验结构的动力特性以及结构的抗震性能提供了便利。受振动台尺寸和承载力限制的影响，试件尺寸越小，效应越显著，越难模拟结构内部的真实构造。

2 预制装配式结构类型研究

现行装配式结构技术规范中，预制装配式结构可以分为剪力墙结构和框架结构。

2.1 预制装配式剪力墙结构

在预制装配式剪力墙结构中，水平接缝传递竖向荷载，受到水平剪力的影响，增加竖向钢筋可以提高其抗剪性能。竖向接缝影响地震荷载作用下的结构变形能力。

预制混凝土剪力墙竖向预留金属波纹管连接，梁板叠合现浇的新型预制装配式剪力墙结构是目前普遍采用的一种形式。朱张峰通过对预制装配式剪力墙中间层边节点的抗震性能实验研究和ANSYS 有限元分析，发现这种连接方式较现浇节点有相当的抗震能力和位移延性，并且认为连接钢筋宜为HRB400 级热轧钢筋，伸入墙750 mm，伸入梁内1 250 mm，可以保证节点的承载力[1]。

姜洪斌研究了插入式预留孔灌浆钢筋搭接连接的锚固能力[2]。研究表明，破坏形态为外部钢筋达到屈服强度，无不正常的锚固破坏；内部的螺旋加强筋、套箍提高了混凝土对锚固区的约束作用，能够增强锚固能力。宋国华对装配式钢筋混凝土结构竖向齿槽接缝的抗剪机理和抗剪承载力进行了计算，提出竖向接缝的抗剪能力主要由接缝混凝土与齿槽之间形成的斜压杆和横向钢筋的受力摩擦承担。由此可以得知，在满足目前要求的前提下，提高横向钢筋与周围混凝土之间的黏结能力，是提高预制装配式剪力墙结构抗震性能的良策[3]。

2.2 预制装配式框架结构

预制装配式框架结构主要包括现浇整体框架结构体系、后浇整体预制框架结构体系和预制预应力框架结构体系。与预制装配式剪力墙结构相比，它具有更灵活的节点方式，适用于我国实现建筑工业化。

赵斌通过对1根后浇整体梁柱组合件、1 根现浇整体梁柱组合件和2 根高强预制混凝土梁柱组合件进行低周反复加载，在柱节点位置处设置预埋螺栓，实现端板通过节点支座、垫板和螺栓与柱进行半刚性连接[4]。实验结果表明，现浇和后浇整体式框架结构具有相近的抗震能力，但是半刚性节点连接的抗震性能较差。其原因在于半刚性节点虽然能够承担弯矩和一定程度的转动，但是在地震作用下的耗能指标不如现浇的梁柱组合件。在以后的工程中，如何在半刚性节点中安装抗震阻尼器是需要解决的问题。

闫维明通过研究发现，在低周反复荷载作用下开裂破坏过程与现浇节点类似[5]。此节点的连接方式为套筒灌浆连接，现浇节点比装配节点的刚度大，但是退化过程快，说明装配节点有较好的抗震性能，而现浇节点有较好的整体性能。梁柱叠合板边节点整体性差是因为在连接处的拼缝，影响了混凝土抗剪键和或者钢抗剪键的性能，建议加长梁底钢筋在后浇处的锚固长度，以此提高结构的整体性。

3 预制装配式结构连接节点研究

目前，在不同国家的不同地区，预制装配式结构连接节点有不一样的分类方式。我国并没有统一的标准，按位置有梁柱叠合板之间的相互连接方式，按施工方法分为干法连接和湿法连接。以下主要对干法连接和湿法连接节点的抗震性能进行探讨。

3.1 干式连接

干式连接有明牛腿连接、暗牛腿连接和型钢暗牛腿连接，北美洲则广泛采用钢吊架式连接。除此之外还有焊接连接和螺栓连接，但是由于在反复地震荷载作用下，连接方法中无明显的塑性铰设置，容易发生脆性破坏。

预应力连接也是干式连接的1 种。柳炳康通过对预压装配式框架节点连接的一榀二层二跨预应力混凝土装配式框架结构进行拟动力实验研究，发现梁端在负弯矩的作用下首先出现塑性铰，梁柱拼接处出现裂缝，预应力钢筋屈服，结构基本实现“强柱弱梁”的破坏模式，满足“强节点”的设计要求，并且具有良好的抗侧移能力和变形能力[6]。

同时，黄慎江对二榀二层二跨预压装配式预应力混凝土框架进行了拟动力和拟静力的实验研究，分析了结构的各种抗震性能[7]。在拟动力实验中，层间位移角满足《建筑抗震设计规范》的要求，有很好的变形协调能力。在拟静力试验中，节点处由于存在预压应力，是双向受压状态，提高了极限承载力，也满足“大震不倒”的要求。

黄祥海通过对钢筋混凝土暗牛腿、型钢暗牛腿和梁端悬挑牛腿进行了构造和承载力分析，得出在牛腿连接构造中，塑性铰位置应取在预制梁离连接位置的一定距离处[8]。

石彩华对钢板螺栓连接装配式混凝土节点进行有限元软件分析和实验研究，考查钢板长度和厚度对节点在低周反复荷载下受力性能影响，研究发现法兰板变形是影响混凝土裂缝的重要因素[9]。

3.2 湿式连接

湿式连接是指预制梁、柱或构件在连接处通过现浇混凝土，成为一个完整框架结构的连接方，一般包括预制梁在梁柱节点连接、在跨中接连和预制T 型构件连接。

湿式连接节点连接主要包括灌浆连接及整体现浇连接。灌浆连接是将梁、柱受力的钢筋节点置于同一套筒，通过灌注浆料填充在套筒内部。因为柱预制构件在施工中需要考虑力最大化传递的问题，所以在装配式施工中更有利于垂直构件的连接。相对于焊接等需要投入更多资源的连接方式，灌浆连接既方便又能确保承载力进行传递。整体现浇连接是指预制构件受力钢筋在预制场通过先张法或者后张法进行施工，再将其运至施工现场，通过对整体进行浇筑的方式进行连接。整体现浇连接在一定程度上既能提高梁柱节点的刚度及强度，又能节约施工成本。然而，相对于传统工艺建筑结构整体性良好的优点来说，整体现浇具有一定的局限性。例如，整体现浇连接对于预制构件的预制钢筋强度、现浇混凝土的强度以及新旧混凝土之间的接缝处等有较高的要求，需要经过前期大量的试验以及不断的总结得出较为精准的结论。

关于这种连接方式的抗震性能，国内的相关研究较少。国外有人针对这3 种构造连接方式进行了低周反复荷载试验。试验结果表明，这种湿式连接的结构总体上与现浇混凝土抗震性能一致，这种连接方式在我国被广泛应用，是目前装配式建筑施工中选择较多的施工方式。由于其连接处需要浇筑混凝土、模板和支撑架，因此会拖慢施工进度，增加了施工成本，在今后的发展中还需要进一步改善。

4 结语

预制装配式混凝土结构相比于现浇混凝土结构有很多优点，如较短的施工周期、模块化建设、环保等符合我国绿色发展的理念。我国还没有建立一套完善的预制装配式结构规范，且施工环境复杂，不利于装配式建筑发展。目前，湿式连接仍存在一定的问题，并非真正意义上的装配式建筑。预应力干式连接是一种可靠且稳定的连接方式，因此干式连接节点和结构的抗震性能才是今后需要重点研究的方向。