預制混凝土結構體系在高層建筑中的應用

預制混凝土結構體系在高層建筑中的應用

1預制混凝土結構體系的應用背景預制混凝土結構具有許多優(yōu)點：施工速度快、施工質量高、項目成本低、可持續(xù)發(fā)展、舒適安全等。該結構體系的應用及其技術的發(fā)展與特定的歷史環(huán)境密不可分,“二戰(zhàn)”之后為解決居住問題而使得工業(yè)化建筑得以迅猛發(fā)展。在1989年的國際建筑研究與文獻委員會(CIB)第11屆大會上,建筑工業(yè)化發(fā)展被列為當前世界建筑技術的八大發(fā)展趨勢之一,并被認為是各國建筑業(yè)發(fā)展的一個共同方向。近些年由于能源問題及資源粗放利用弊端的顯現(xiàn),創(chuàng)建節(jié)能型社會和發(fā)展節(jié)能型建筑成為社會關注的焦點。工業(yè)化住宅體系以其現(xiàn)場施工作業(yè)量小、污染少、質量易于控制等優(yōu)點而受到諸如美國、日本、蘇聯(lián)等國家的政府部門和房地產開發(fā)商的關注。然而,作為工業(yè)化住宅體系之一的預制混凝土結構在實際工程中尤其是在高烈度地震區(qū)的應用仍然受到顯著的限制,遠不能適應時代的發(fā)展和社會的需要,在我國情況更是不容樂觀。預制混凝土結構最初主要應用于非地震區(qū)設計,并且是重力承載設計和抗風設計,因其顯著的優(yōu)勢已被廣泛應用于地震活躍區(qū)的低層建筑中,如今又開始應用于高層建筑結構中。同時隨著許多地區(qū)地震烈度區(qū)域的重新劃分,原本的非地震區(qū)也被逐漸劃入地震區(qū)行列,于是研究預制混凝土結構體系的抗震性能逐漸成為研究學者關注的焦點。本文在閱讀大量文獻的基礎上介紹了預制混凝土剪力墻結構抗震性能的研究進展,結合預制混凝土結構的特點,指出了今后研究工作的重點和努力方向。2混凝土墻板結構預制混凝土結構在地震中的性能表現(xiàn)如下所述。1977年發(fā)生的7.2級羅馬尼亞地震,是第一次檢驗預制混凝土結構抗震性能的大地震。預制框架和預制剪力墻結構都在地震中表現(xiàn)良好,幾乎沒有或很少有結構破壞;1985年發(fā)生的墨西哥地震及其余震分別為8.1級及7.5級,在265座或倒塌或破壞的混凝土結構中,大多數(shù)帶有預制混凝土構件的建筑和停車車庫建筑都在地震中表現(xiàn)很好,幾乎沒有損壞發(fā)生。距震中30km處的預制大板工業(yè)建筑也表現(xiàn)良好;1988年亞美尼亞6.9級大地震中,該地區(qū)78棟預制混凝土大板建筑沒有一個發(fā)生倒塌或破壞,而超過1/3的預制混凝土框架結構和砌體結構卻由于過大的損壞而倒塌或被拆除;1994年發(fā)生的6.8級北嶺地震中,大多數(shù)帶有預制混凝土構件的建筑都表現(xiàn)良好。而停車庫不論采用何種結構體系都表現(xiàn)很差,盡管這些結構的豎向抗側力體系承載力足夠,但其樓屋蓋,尤其具有大面積樓屋蓋的結構卻表現(xiàn)相當糟糕,破壞很嚴重;預制混凝土墻板結構在1995年6.9級Kobe地震中也表現(xiàn)良好。這些建筑通常都是2~5層的建筑,預制構件沒有出現(xiàn)任何損壞,只有接縫處的現(xiàn)澆混凝土發(fā)生了細小的剝落或裂縫的出現(xiàn)。3預應力疊合剪力墻結構形式研究最早的預制混凝土剪力墻結構形式為預制混凝土大板結構(預制鋼筋混凝土墻板結構),隨后發(fā)展為無粘結后張拉預應力預制混凝土剪力墻結構,但由于預應力技術的使用,使得其在我國實際工程中的成本昂貴,應用范圍有限。于是結合預制混凝土結構和現(xiàn)澆混凝土結構的特點,提出了預制疊合剪力墻的結構形式,并著手研究其抗震性能。本節(jié)將分別針對每一部分進行詳細說明和總結。3.1結構體系的地震響應特性地震作用下處于復雜彈塑性狀態(tài)的結構,其抗震性能取決于吸收地震輸入能量的能力。結構越具有連續(xù)性和整體性,就會形成越多的塑性鉸來吸收能量。預制混凝土大板結構是由一系列的墻板通過裝配接縫連接而成。與整體現(xiàn)澆結構相比,大板結構整體性較差,且在接縫處易產生應力集中,變形也不連續(xù),故其抗震性能取決于墻板之間的接縫連接及其整體性能。接縫主要有水平接縫和豎向接縫。3.1.1墻體剪切性能HarryG對廣泛使用于北美地區(qū)的平臺式水平接縫(platformjoints)進行了中心受壓荷載下的試驗研究。采用18個足尺比例試件記錄了接縫隨軸壓荷載增大直至破壞時的力-位移曲線及破壞模式,也研究了防止墻體端部劈裂破壞而設置的加強鋼筋、接縫長度對承載力及剛度特性的影響。HarryRFoerster進行了5種不同類型的接縫在單調剪切荷載下直至破壞的試驗研究。SarniHRizkalla研究了電梯井預制剪力墻板中常用的7種水平連接,考慮了剪力鍵外形及垂直于接縫豎向壓力大小的影響,指出平面接縫的抗剪能力主要取決于墻板接觸面之間的剪切摩阻力以及剪力鍵的特性并不能完全用簡單的剪切摩阻理論來反映。KhaledASoudki進行了預制墻板水平接縫在周期反復荷載作用下的試驗研究,考慮了豎向重力荷載的作用。試驗采用實際工程中的接縫類型,研究了普通低碳鋼筋、后張拉預應力鋼筋及剪切鍵對接縫性能的貢獻。RobinLHutchinson進行了9個含有空心樓板的預制承重剪力墻板后張拉水平接縫在單調剪切荷載作用下的性能試驗研究。結果表明,含有空心樓板的水平接縫其破壞機理可能由接縫的剪摩承載力或者空心樓板的抗剪承載力決定,其最大抗剪承載力取決于兩者中的較小值;在很大的豎向應力作用下,帶有空心樓板的接縫剛度及延性要顯著低于無空心樓板的接縫。一旦空心樓板發(fā)生剪切破壞,接縫抗剪強度將迅速下降。國內關于水平接縫抗震性能的研究相對較少。萬墨林等進行的大板結構接縫強度和剛度方面的試驗研究,包括混凝土的純剪強度和接縫材料的粘結抗剪強度、剪跨比對截面抗剪強度的影響等內容,對改進我國地震區(qū)大板結構的設計及規(guī)程的修編有重要參考價值?？梢钥闯?關于水平接縫性能的研究主要是基于若干個試件在單調單向剪切荷載或周期反復荷載作用下進行的,而這些接縫常常是為了確保結構的連續(xù)性、整體性而采用“仿現(xiàn)澆”的濕連接方式,被設計為強連接或當作無限剛性來處理,以防止發(fā)生剪切滑移。3.1.2結構參數(shù)對大板結構連接性能的影響豎向接縫就像耦合剪力墻中的連梁一樣,確保墻板之間的相互作用。豎向接縫的抗剪承載力取決于諸多因素,如接縫形狀、剪切鍵面積、接縫寬度、混凝土強度等,它直接影響著結構的強度、剛度、變形和耗能能力等性能指標,因此成為研究的重點。S.C.Chakrabarti考慮了上述部分因素,基于29個試件給出豎向接縫的抗剪切承載力及剪切剛度的計算公式。不過,該研究是基于靜力試驗的基礎且僅適用于接縫沒有發(fā)生分離的情形。AndrzejCholewicki也提出了2個計算接縫剪切承載力公式(分別對應于接縫發(fā)生非對角裂縫破壞和對角裂縫破壞的情形),并在試驗的基礎上分析了剪力鍵的面積、形狀及配筋率等結構參數(shù)所產生的影響。O.A.Pekau分析了沿著豎向接縫布置摩擦型機械連接件來改善大板結構抗震性能的效果,對比了該類連接件和縫隙摩擦力對水平接縫的影響程度。M.S.Hashim研究了鋼纖維混凝土對豎向接縫抗剪承載力的影響,確定了在純剪狀態(tài)下的破壞荷載。結果表明鋼纖維的添加顯著提高了接縫的極限承載力。F.J.Crisafulli研究了低多層預制剪力墻結構中焊接豎向接縫的性能,接縫由矩形鋼板和一個圓形孔組成,通過這種方式將一種具有延性連接的弱縫引入結構中,并給出了該接縫的剪切剛度、屈服強度及極限強度的簡化表達式。在國內,柳炳康、宋國華等設計試驗了18榀試件,分析了裝配式大板結構豎縫在反復荷載作用下的抗剪機理,探討了接縫寬度和接合筋數(shù)量對接合部抗震性能的影響,結果表明,隨著接縫寬度和接合筋直徑的增大,延性增強;隨接合筋直徑和強度的增大,接縫承載力增大。宋國華等提出了考慮接縫寬度影響的設計公式,并對國內外建筑規(guī)范及專家學者提出的豎向齒槽接縫的抗剪機理及抗剪承載力計算公式進行了對比分析;還進一步研究了接縫寬度及接合筋直徑的不同對豎向接縫強度及剛度退化的影響,指出:接縫強度的退化率隨接縫寬度增大而減小,與接合筋的關系呈非線性;接縫剛度退化率隨接縫寬度增大而減小,與接合筋關系不大。3.1.3結構反應機理關于大板結構整體性能的研究,國內外學者進行了大量的模擬地震振動臺試驗研究及數(shù)值分析研究,一致認為大板結構的性能滿足抗震要求,可用于中高烈度地震區(qū)而不發(fā)生倒塌;大板間的水平接縫和豎向接縫對結構內力的分布及剛度有顯著的影響;結構的破壞機理為裝配板縫逐漸松動,底部水平板縫裂開,墻體發(fā)生有限的剪切滑移而主要反應是搖擺(rocking),即在該處出現(xiàn)板縫抬起、閉合的動力響應;隨后結構在底部裂通的水平縫以上形成的一個整體質量塊沿水平通縫做搖擺振動,導致了水平面通縫的抬起和閉合,這種現(xiàn)象構成了裝配大板結構體系新的耗能機制,它削弱了結構的整體地震反應,使上部構不再繼續(xù)被破壞。應力集中發(fā)生于墻體端部并導致混凝土被壓碎,使得結構具有足夠的耗能能力,即使墻體發(fā)生了破壞,結構的穩(wěn)定性和整體性也依然存在。大板結構整體性能的研究表明,結構反應的破壞機理為墻板之間水平接縫的剪切滑移和墻體的搖擺,而豎向接縫主要起著顯著的耗能作用。只要水平接縫的剪切滑移可以得到有效控制從而確保結構的連續(xù)性和整體性,同時,盡可能增大豎向接縫的耗能能力(通過耗能元件如阻尼器、連梁或開發(fā)新的接縫施工構造措施來實現(xiàn)),則該結構體系便具有很好的抗震性能。3.2機械連接方式的應用之前因對地震區(qū)預制混凝土結構抗震性能的不了解而采用現(xiàn)澆混凝土“濕連接”的做法將結構設計為“仿現(xiàn)澆”(cast-in-placeemulation)混凝土結構,這一方面會大大削弱預制混凝土結構體系的顯著優(yōu)勢;另一方面,也常要求連接接縫或節(jié)點處的強度足夠大以防止發(fā)生非彈性變形,從而導致塑性變形發(fā)生于遠離接縫的位置處。數(shù)十年以來,研究學者開始關注“干連接”(dryjoints)或“延性連接”,即通過螺栓連接、焊接或其他機械連接方式來進行預制混凝土結構的設計及性能研究,其中影響較為深遠的是美日聯(lián)合項目PRESSS(PrecastSeismicStructuralSystems)。此項目促成了一種新型預制混凝土抗震墻結構——無粘結后張拉預應力預制剪力墻結構。該結構體系因施工簡單及令人滿意的抗震特性(諸如自恢復中心能力、側向變形很大等)而受到各國研究學者的青睞和重視。3.2.1混凝土墻體自恢復中心能力無粘結后張拉預應力預制混凝土剪力墻結構是通過后張拉穿過預制墻板及其水平接縫的鋼筋或鋼絞線而構成的剪力墻結構,后張拉鋼筋與混凝土之間不粘結。該結構的顯著特點之一為地震作用下發(fā)生很大的非線性位移而損傷破壞沒有或很少,但該結構的最大缺陷在于耗能能力的不足。YahyaCKurama采用不同類型的阻尼器來降低結構的側向位移。Richard設計了不同類型的低碳鋼耗能剪力鍵并將其用于預制墻體中,通過數(shù)值分析和試驗方法表明了橢圓形剪力鍵性能最為突出,非常適于高烈度區(qū)的新型墻體體系。Tonyholden通過2個尺寸完全相同的預制混凝土墻體(傳統(tǒng)預制墻體和無粘結后張拉碳纖維預應力筋、鋼纖維混凝土墻體)的對比試驗研究表明,傳統(tǒng)預制混凝土墻體相對于后張拉預制墻體雖然具有更大的耗能能力,但其塑性鉸區(qū)域發(fā)生了嚴重的永久性破壞和殘余變形,而后者卻沒有。D.J.Marriott等進行了4個后張拉且?guī)в懈吆哪茉?包括低碳鋼筋阻尼器、粘滯阻尼器以及兩者的組合)的預制墻片振動臺試驗研究。蔡小寧等對無粘結預應力混合裝配式聯(lián)肢墻中普通鋼筋和預應力鋼筋的布置及其面積比對抗震性能的影響進行研究,給出了合理的設計建議。該結構體系的另一個顯著特點是具有自恢復中心能力(self-centeringability)。該能力使得結構大震時產生很大的側向位移而殘余變形或損傷很小。普遍認為自恢復中心能力是因為重力荷載及后張拉預應力的存在。但試驗研究表明,在反復荷載作用下,后張拉力可能會減小甚至是消失,但結構的自恢復中心能力依然存在。而且合理布置后張拉預應力筋的端部錨固措施,也有助于確保結構自恢復中心能力的存在。BulentErkmen采用擬靜力試驗法研究了預應力筋的分布、端部錨固措施以及外部荷載等對結構自恢復中心能力的影響,得出如下結論:①預應力筋端部錨固措施對結構的自我恢復中心能力有顯著影響;②預應力筋的分布位置(居中、墻邊緣及均勻分布)對墻體的自恢復中心能力沒有顯著影響;③豎向荷載大小并不影響墻體的自恢復中心能力,只要能確保一個豎向荷載的最小值(無論是后張拉力還是重力或是兩者的組合)。呂西林探討了該類結構的自恢復中心能力的影響因素,認為無粘結后張拉預制墻體的自恢復中心能力不僅與預應力及豎向自重荷載有關,還與結構墻體端部的構造措施以及普通低碳鋼筋的含量比例有關。3.2.2帶縫剪力墻結構體系的研究與試驗研究中震和大震對結構造成的經濟損失使得非常有必要發(fā)展抗震設計理念和施工方法以確認出結構和非結構的性能極限狀態(tài)。YahyaKurama通過對比具有相同強度、初始剛度的傳統(tǒng)整體現(xiàn)澆剪力墻和無粘結后張拉預制剪力墻墻的抗震性能以及兩者相結合墻體的性能,提出了旨在限制墻體側向位移的基于性能抗震設計方法,在該方法中要求墻體可以承受住設計地震水準不發(fā)生破壞,而在大震作用下發(fā)生破壞但不倒塌。隨后通過兩片實體墻的靜力非線性和動力非線性分析評估了該設計方法。JoséIRestrepo給出了在基礎底部發(fā)生rocking的帶縫預制剪力墻片的抗震設計相關內容,然后進行了根據(jù)不同性能目標而設計的3個1/2比例的預制混凝土帶縫剪力墻在準靜力低周反復荷載作用下的試驗研究,預期的性能目標在試驗中都得到了很好的實現(xiàn),墻片超過3%的側向位移角時仍然具有側向承載力及自恢復能力。盡管該結構體系具有顯著優(yōu)越的抗震性能,然而傳統(tǒng)的截面分析法(sectionanalysis)并不適于該結構體系,因為在截面處預應力鋼筋與混凝土不再符合應變相容原則。SriramAaleti給出了該結構體系的簡化分析方法。結果表明,該方法不僅抓住了墻體主要側向反應的特點,同時也可以精確量化墻體的中和軸位置、后張拉鋼筋的伸長量以及連接鍵的變形特性。Choung-YeolSeo研究了具有常延性系數(shù)R的自恢復中心能力單自由度體系的地震反應。計算了該體系的常延性R譜值并與傳統(tǒng)單自由度體系的延性譜進行比較,根據(jù)實際的結構參數(shù)(如強度折減因子、后屈服剛度以及滯回耗能等)設計了具有自恢復中心能力且可以代表混合結構及其他后張拉抗震預制混凝土結構的單自由度體系。3.3復合結構的制備預制疊合剪力墻結構吸收了現(xiàn)澆混凝土結構與預制混凝土結構的優(yōu)點,同時又是由現(xiàn)澆混凝土結構過渡到完全裝配式結構的必備階段,因而受到越來越多的科研單位及學者的重視。同濟大學與上海萬科房地產有限公司聯(lián)合進行了預制疊合剪力墻板的低周反復荷載試驗研究,結論表明預制疊合剪力墻受力變形過程、破壞形態(tài)和普通鋼筋混凝土剪力墻相似,可以正常工作;其實測極限承載力不小于采用我國規(guī)范關于普通鋼筋混凝土剪力墻承載力計算公式計算得到的極限承載力。合肥工業(yè)大學的葉獻國、連星等進行了疊合板式剪力墻在低周反復荷載下的試驗研究和非線性分析,研究了該結構的承載力、鋼筋應變、混凝土應變、滯回性能及其破壞模式等,主要結論如下:預制疊合板式混凝土剪力墻的疊合面具有足夠的抗剪強度,能夠保證疊合板的整體工作性能,其替代現(xiàn)澆鋼筋混凝土剪力墻是可行的;不同邊緣約束構造措施的疊合板式剪力墻其抗震性能無明顯的差異。這為編制地方行業(yè)標準《疊合板式混凝土剪力墻結構技術規(guī)程》提供了可靠的科學依據(jù)?？梢钥闯?在進行疊合剪力墻結構的相關研究中,仍然采用的是仿現(xiàn)澆混凝土結構設計理念,且都是基于單個單層墻片試件的低周反復荷載試驗及數(shù)值分析,而對聯(lián)肢疊合剪力墻以及帶有水平接縫和豎向接縫的多層疊合剪力墻片以及其整體結構的抗震性能研究,目前還沒有相關的文獻報道。而且由于采用不同的施工工藝,造成疊合剪力墻的定義就存在差別,從而將造成不同地區(qū)具有各自的地方標準。國外該方面的研究文獻比較欠缺,主要原因可能在于與我國國情不同,國外主要提倡廣泛采用預應力技術而不是疊合技術。因此,今后深入開展預制疊合剪力墻結構的抗震性能研究顯得尤為迫切和重要。3.4墻體力學性能分析錢稼茹、張微敬等進行了預制圓孔板剪力墻試件的軸心抗壓試驗研究,并進行了定軸壓力和單調遞增水平力作用下單片、雙片預制圓孔板剪力墻試件的非線性有限元分析。結果表明,無論是按彎曲破壞還是按剪切破壞設計的試件,都是墻底截面開裂,邊緣構件沿高度出現(xiàn)水平裂縫,圓孔板剪力墻以斜裂縫為主,斜裂縫數(shù)量多,布滿整個墻面,沒有出現(xiàn)集中的塑性鉸,有利于抗震耗能,雙片墻試件的開裂荷載和最大荷載顯著高于單片墻試件。其結論可為預制圓孔板剪力墻這種新型裝配整體式住宅建筑體系的推廣應用提供理論依據(jù)。4預制混凝土結構體系在抗震作用下的應用問題盡管預制混凝土結構體系具有諸多的優(yōu)點,但其抗震性能的不確定性使得其在地震區(qū)的應用并不像現(xiàn)澆混凝土結構體系那樣廣泛,尤其在我國情況更不容樂觀。歸結起來原因主要如下:(1)預制混凝土結構體系的抗震性能是影響其使用和推廣的關鍵因素。根據(jù)Priestley和Tao的研究,預制混凝土之所以沒有被廣泛使用和推廣在于其抗震性能的不確定性。實際上,盡管預制混凝土結構在1995年Kobe地震中表現(xiàn)良好,但在1992,1995,1999年土耳其地震中卻表現(xiàn)相當糟糕,因過大變形和連接強度的不足而發(fā)生嚴重破壞,而在1985年墨西哥地震中卻沒有此類現(xiàn)象的發(fā)生。預制混凝土結構的這種不可預測的、反復無常的抗震性能再次說明一種結構體系在地震作用下的性能表現(xiàn)取決于多種因素,如結構類型、震中矩、場地土類型以及地震的卓越周期及其與結構之間的相互作用。這一方面說明了當前該結構體系抗震性能的研究工作還不夠充分、不夠徹底;另一方面也說明了應當將預制混凝土結構當作一種獨特的結構體系來區(qū)別對待。(2)預制混凝土結構體系專家的缺乏是阻礙該類體系廣泛使用和推廣的