預制混凝土結構在現(xiàn)代建筑中的應用

預制混凝土結構在現(xiàn)代建筑中的應用

預制混凝土技術是一種工業(yè)化的建筑能耗。1891年,巴黎Ed.Coigent公司首次在Biarritz的俱樂部建筑中使用預制混凝土梁。二戰(zhàn)結束后,預制混凝土結構首先在西歐發(fā)展起來,然后推廣到美國、加拿大、日本等國。20世紀末期,預制混凝土結構已經廣泛用于工業(yè)與民用建筑、橋梁道路、水工建筑、大型容器等工程結構領域,發(fā)揮著不可替代的作用。20世紀50年代末,我國開始制造整體式和塊拼式屋面梁、吊車梁、大型屋面板等。70年代,預制混凝土空心樓板得到了普遍應用。70年代末,我國引進了南斯拉夫預制預應力混凝土板柱結構體系,即IMS體系。但總體說來,我國的預制混凝土技術比較落后,一方面由于唐山地震中大量預制混凝土結構遭到破壞使人們對預制結構的應用更加保守,另一方面,國內的預制混凝土構件存在著跨度小、承載力低、延性差、品種單一等諸多問題,也嚴重阻礙了預制混凝土結構在我國的發(fā)展。近些年,隨著我國住宅產業(yè)化的發(fā)展,住宅建筑的工業(yè)化改革勢在必行。住宅建筑工業(yè)化首先要提高工業(yè)化的生產和施工技術,從而提高勞動生產率、降低成本、保證工程質量。當前,我國西部大開發(fā)為建筑產業(yè)的工業(yè)化發(fā)展提供了舞臺,發(fā)展預制混凝土結構前景廣闊。框架結構是建筑工程中應用最廣的一種結構形式,本文重點對預制混凝土框架結構體系研究與應用的最新進展進行綜述分析,并對今后的發(fā)展趨勢作展望。1混凝土建造施工可行性預制混凝土結構建造方法,簡單說來,就是用起重機及其它運載施工機械將工廠化生產的預制混凝土構件進行組合安裝的一種施工技術。其施工分為兩個階段:第一階段在工廠中預制構件,第二階段在工地上安裝。預制混凝土結構的建造工序為:設計、制造、運輸、安裝、裝飾等。預制混凝土結構具有如下的特點:(1)工業(yè)化生產,工業(yè)化勞動生產效率高、生產環(huán)境穩(wěn)定,構件的定型和標準化有利于機械化生產,而且按標準嚴格檢驗出廠產品,因而質量保證率高。(2)施工方便,模板和現(xiàn)澆混凝土作業(yè)很少,預制樓板無需支撐,疊合樓板模板很少。采用預制及半預制形式,現(xiàn)場濕作業(yè)大大減少,有利于環(huán)境保護和減少施工擾民。(3)建造速度快,對周圍生活工作影響小。尤其是在鬧市區(qū)施工,如百貨公司、鬧市區(qū)停車場、過街天橋等,這種工程工期緊,施工文明要求高,采用預制混凝土結構往往能得到令人滿意的結果。如在洪都拉斯SanPedroSula市Bufalo工業(yè)園區(qū)建造的預制預應力混凝土懸索行人橋,由兩根柱架起位于橋中央的橋塔,兩根預制預應力混凝士梁支承主跨的預制橋面板,整座橋的組合安裝僅用時一個星期,而且施工過程中始終保證有兩個逆向的車道通行。(4)預制構件表面平整、外觀好、尺寸準確、并且能將保溫、隔熱、水電管線布置等多方面功能要求結合起來,有良好的技術經濟效益。這種特點可適用于制作外墻墻板,也適用于制作便于安裝的結構構件。如美國北卡洛林娜州Charlotte市IJL金融中心,這幢30層大廈采用了預制混凝土結構。(5)預制結構工期短,投資回收快。由于減少了現(xiàn)澆結構的支模、拆模和混凝土養(yǎng)護等時間,施工速度大大加快。從而縮短了貸款建設的還貸時間,縮短了投資回收周期,減少了整體成本投入,具有明顯的經濟效益。2強連接的布置連接方式是預制混凝土框架結構體系的核心技術,有必要作詳細介紹。1997年美國統(tǒng)一建筑規(guī)范(UBC97),將框架連接簡化為兩類:整體連接(monolithicconnection)和強連接(strongconnection)。所謂整體連接是將預制構件與預制構件、或預制構件與現(xiàn)澆構件的連接節(jié)點用現(xiàn)澆混凝土灌注。采用整體連接的預制混凝土框架結構符合現(xiàn)澆整體式混凝士結構的抗震要求。而對采用強連接的預制混凝土框架結構體系,塑性鉸產生的位置在整個預制構件上沒有很大的限制,但塑性鉸區(qū)的中點位置必需距強節(jié)點至少h2長度(h為塑性鉸區(qū)的長度)。強連接節(jié)點的強度與塑性鉸和節(jié)點間的距離、塑性鉸的強弱以及非線性變形的機理有關。因為強連接處不允許發(fā)生屈服或滑脫,它的抗彎、抗剪強度要大于塑性鉸的要求值。強連接的做法分為柱面連接(column-faceconnection)、柱-柱連接、錨接和拼接等。1994年,美國國家地震減災委員會推薦采用柔性連接(ductileconnection),它既可以用于預制混凝士框架體系,又可以用于預制混凝土板柱結構。柔性連接具有優(yōu)良的非線性反應特性,而且它的布置無需避免塑性鉸區(qū)與節(jié)點的重合。在新西蘭,最常見的框架連接形式有以下4種:(1)現(xiàn)澆混凝土柱與預制混凝土梁預制樓板放置在預制梁上,而在梁和樓板的表面、梁柱節(jié)點的核心以及下面一層的柱子位置上布筋,最后澆搗混凝土。這種做法大大減少了現(xiàn)場模板的工作,但是梁底外伸的縱向鋼筋在節(jié)點部分的錨接施工比較困難,所以柱子的尺寸要略大于梁。還有一個問題是塑性鉸可能出現(xiàn)在梁柱連接的柱面上,即在現(xiàn)澆混凝土節(jié)點核心和預制梁之間。另外,為了保證垂直剪力的傳遞,預制梁的兩端也要進行處理。(2)預制連續(xù)梁穿過現(xiàn)澆或預制柱這種做法使用的預制構件數(shù)量較多,并避免了在梁柱節(jié)點不大的空間里布置鋼筋、澆搗混凝土?；炷林梢袁F(xiàn)澆也可以預制,梁從跨中延伸到柱端,預制樓板放置在預制梁上,在梁、板表面布筋,然后澆搗混凝土。也可以采用全預制梁,預制樓板搭接在梁的一側,預制柱安裝在梁上,用灌漿的配筋套筒連接。該體系的優(yōu)點在于塑性鉸在預制構件的整體部位形成,遠離構件的連接面。(3)預制T型和雙十字型構件這種體系的好處是大量運用預制構件,減少施工現(xiàn)場布筋、澆注混凝土等工作,其缺點是構件太重、不便于運輸與安裝。(4)預制預應力混凝土構件對預制U型薄壁梁施加先張預應力,以張拉后的薄壁梁為永久性的底模再現(xiàn)澆混凝土。U型薄壁梁與其內核混凝土的連接不是靠鋼筋,而是靠U型底梁內壁的粗糙表面與現(xiàn)澆混凝土粘和作用,以形成共同作用的疊合梁。針對這種疊合梁是否適用于延性框架,新西蘭學者進行了試驗,試驗證明,在強地震作用下由于粘結的破壞,塑性鉸區(qū)域有沿著現(xiàn)澆混凝土內核擴散的趨勢,塑性鉸轉動可以發(fā)生在梁端圍繞柱面的區(qū)域之外,塑性鉸的轉動不會很大。因此,預制U型薄壁梁為底模現(xiàn)澆混凝士內核的疊合梁適合在延性彎矩抵抗框架中使用。3結構體系評價預制混凝土結構的應用在相當長的時間里比較保守,一個重要原因是對預制混凝土結構體系的抗震性能研究較少。近幾年,預制混凝土結構在地震中有著較好的表現(xiàn),一些試驗研究也表明,通過優(yōu)化節(jié)點連接構造和整體結構形式,預制混凝土結構的抗震性能令人滿意。1997年美國統(tǒng)一建筑規(guī)范(UBC97)允許在高烈度地震區(qū)使用預制混凝士結構,其前提是通過試驗和分析證明,該結構在強度、剛度方面具有甚至超過相應的現(xiàn)澆混凝土結構。事實上,對于預制混凝土結構抗震設計有兩種觀點,一種是要求以達到甚至超過現(xiàn)澆結構為目標,對結構體系的評價和抗震機理的分析都與現(xiàn)澆混凝土結構一致。另一種則認為,預制混凝土結構是一種獨立的體系,其性能要求和標準不應該仿照現(xiàn)澆混凝土結構體系。有關第二種觀點的研究和試驗還在進行,目前主流的意見還是仿照現(xiàn)澆混凝土結構。3.1結構體系抗震性能關于預制混凝土框架結構體系的整體抗震性能,有學者進行過專門研究。Low和Tadros等對現(xiàn)在美國常用的6層預制混凝士框架結構(該體系的內部框架承受豎向荷載,內部剪力墻承擔水平荷載,外圍窗間框架兼有承重和圍護的雙重功能)進行了動力時程分析。他們還進行了梁和柱的連接在循環(huán)荷載作用下的性能試驗,結果表明,在地震作用下預制混凝土框架結構體系的抗震性能和現(xiàn)澆混凝土結構相似,某些方面的性能指標甚至超過現(xiàn)澆混凝土結構。加州大學圣地亞哥分校的CharlesLeePowell結構試驗室,在1999年進行了一個5層預制混凝土結構體系在強震作用下的抗震性能試驗,試件采用3∶2的比例制作,平面尺寸為9.14m×9.14m,高度為12.2m。模型設計按基于位移的抗震設計理論進行。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。試驗結果表明:剪力墻可以有2.7%的側向位移,這一數(shù)值遠遠大于規(guī)范所規(guī)定的數(shù)值;最后的殘余位移僅為0.3in(7.6mm),并且體系基本上沒有損壞;框架最大的層間側移達到4.5%,僅在層間位移大于3%后,結構才出現(xiàn)輕微破壞?？偟恼f來,隨著基底剪力的逐漸增大,即使在大位移情況下,預制混凝土框架結構也表現(xiàn)出良好的抗震性能,預制預應力混凝土框架結構的表現(xiàn)最為顯著,所有梁柱的連接部位破壞都很輕。這說明在高烈度地震區(qū)可以采用預制混凝土框架、剪力墻結構體系。美國華盛頓大學的JohnStanton等進行了混合配筋預制混凝土框架的整體性能試驗。框架梁、柱均采用預制混凝土構件,柱貫穿幾層以減少拼接工序,梁的兩端是矩形,截面的中間穿無粘結后張預應力筋,中間段的上下表面開槽,梁的上下端孔道里穿普通鋼筋。梁柱之間的縫隙用纖維增強砂漿灌實。試驗研究表明,混合配筋預制框架體系與普通的現(xiàn)澆混凝土框架相比,同等構件尺寸情況下具有同樣的彎曲強度;混合體系的抗剪性能優(yōu)于普通框架,試驗過程中沒有發(fā)現(xiàn)抗剪強度衰減,抗剪鋼筋的應力值不超過0.15fy;構件破壞很小,震后裂縫閉合,從而縮短了維修時間。1995年,在紐約長島采用這種混合配筋體系建造了一幢能容納1700多輛汽車的停車場,僅用6個月完工,體現(xiàn)出該種建筑具有高質量、短工期、低造價的優(yōu)點。3.2試驗結果及分析節(jié)點連接方法包括梁-柱節(jié)點、柱-柱節(jié)點和梁跨中連接等,節(jié)點連接的做法很多,比如僅梁-柱連接做法,PCI手冊上定義了40余種以滿足不同的功能要求。Y.C.Loo和B.Z.Yao曾經對其中的兩種節(jié)點進行了試驗研究,試驗設計制作了18個12比例的試件,研究它們在靜力荷載和單向重復荷載作用下的強度和延性。與現(xiàn)澆節(jié)點相比較,這兩種預制構件的連接節(jié)點的抗彎強度都高于現(xiàn)澆節(jié)點,而且其延性和能量吸收能力一般都比現(xiàn)澆節(jié)點好。另外,為了評價多層預制框架結構在地震作用下半剛性節(jié)點的效應,HalukSucuoglu對預制混凝土結構和相應的現(xiàn)澆混凝土結構的非彈性地震反應做了計算。在分析過程中,把預制混凝土結構梁柱節(jié)點的固定系數(shù)(fixityfactor)作為變量。分析發(fā)現(xiàn),當預制混凝土結構半剛性梁柱節(jié)點的固定系數(shù)大于0.8時,預制結構與現(xiàn)澆結構的地震反應差異是很小的;并且通過試驗再次肯定,強柱弱梁的設計思路有利于減少這種差異。3.3混凝土框架梁的“ddc”美國加州的RobertE.Englekirk對預制預應力混凝土結構的抗震性能進行了研究。他研制的預制混凝土構件間的延性連接器(DDC,DywidagDuctileConnector)獲得了專利并在實際工程中應用?！癉DC”的工作原理是將梁的抗剪傳遞機構和塑性鉸區(qū)分開來,從而使混凝土框架梁的屈服后性能得到明顯的改善。預制梁通過螺栓與預制柱相連,這既簡化了施工工序,又有利于結構抗震。整個連接器按承載力設計,即當延性桿達到非彈性階段,連接器的其它部位仍然處于彈性階段,這樣所有的塑性特征只出現(xiàn)在延性螺桿部分,從而使梁和柱免遭破壞。1993年,在加州大學的SanDiego分校進行了“DDC”的測試,試驗表明,它可以經受25次大位移循環(huán)仍沒有破壞。“DDC”曾用于洛杉磯的一幢4層停車場。4預制混凝土結構的應用4.1預制混凝土結構應用日益廣泛、穩(wěn)定、完善預制混凝土結構在西歐、北美的應用相當廣泛,在亞洲日本處于領先地位。發(fā)達國家預制混凝士結構在土木工程中的應用比重為:美國35%,俄羅斯50%,歐洲為35%~40%;其中,預制預應力混凝土結構在美國和加拿大等國預應力混凝土用量中占80%以上。在美國,預制混凝土結構發(fā)揮著其它體系無法替代的作用。在1991年PCI年會上,BenC.Gerwick把預制混凝土結構的發(fā)展視為美國乃至全球建筑業(yè)發(fā)展的新契機。近10年來,預制混凝土結構得到了長足的發(fā)展,一方面預制混凝土結構的應用越來越廣泛、研究更加深入,另一方面人們發(fā)現(xiàn)其潛力還待進一步挖掘,尤其材料工業(yè)的發(fā)展、加工機具的進步為其提供了很好的條件。比如,高性能配筋大大改進了預制構件的性能,纖維復合筋和環(huán)氧涂層鋼筋等可以有效地提高結構的抗裂性和極限承載力,改善結構的耐久性[14~17]。高性能混凝土在提高混凝土預制構件的耐久性方面也大有作為。西歐是預制混凝土結構的發(fā)源地,預制混凝土結構的應用非常普遍。五六層以下的居住建筑中大量采用預制混凝土結構,很好地滿足了不同體型和立面形式的建筑要求。新西蘭在20世紀80年代中期建造了大量的民用住宅,預制混凝士框架結構的應用也很廣泛。當時新西蘭的貸款利率很高,采用預制混凝土結構可以減少勞力、加快工期。此外,新西蘭地處活動地震帶,預制混凝土構件的抗震設計方法、構造措施、連接方式等方面的研究較為深入。目前,新西蘭幾乎所有的樓板、絕大部分的框架結構和1至3層房屋的承重墻都是采用預制預應力混凝土構件。在日本,預制混凝土結構應用也很多,更重要的是在幾次大地震中這些預制混凝土結構體現(xiàn)出很好的抗震性能。在1995年的神戶地震中,一些2~5層的預制混凝土住宅保持了很好的工作狀態(tài)。就整個地震區(qū)域預制混凝土結構性能的調查,只要預制構件的連接部位能夠保持結構的整體性,則預制混凝士結構有較好的抗震性能,特別是按照新的抗震規(guī)范設計的房屋有著良好的抗震性能。4.2框架結構體系在我國應用較多的預制混凝士框架結構體系是預制疊合梁框架結構體系。疊合結構是采用預制底梁作為永久性模板,在上部現(xiàn)澆混凝土而形成的結構,它體現(xiàn)了預制構件和現(xiàn)澆結構的互相滲透和互相結合,同時兼有兩者的優(yōu)點和長處。5預制混凝土結構設計的發(fā)展方向預制混凝土框架結構已被廣泛應用,但對于它的研究還不很充分,以下幾方面內容有待進一步深入的研究:(1)新材料的應用。以高工作性能為本質特征的高性能混凝土使混凝土本身的力學性能、工作性能等得到了很大的改善。應用纖維塑料筋和環(huán)氧涂層鋼筋等可以有