裝配式混凝土結構體系研究進展

吳 剛， 馮德成， 徐 照， 繆昌文

(東南大學 a.混凝土及預應力混凝土教育部重點實驗室；b.國家預應力工程技術研究中心；c.江蘇省土木工程材料重點實驗室，江蘇 南京 210096)

隨著我國近年來社會經濟的快速發展與改變，傳統建筑業面臨以下嚴峻挑戰：勞力短缺、成本提升、業主對工期和質量提出更高要求，以及綠色環保安全等方面的嚴格規定。相對于傳統現澆型建筑，裝配式建筑作為以上各個問題的更優解，得到了快速發展和廣泛認可。工程界采用裝配式技術取得良好效益，政府明確了建筑業未來方向在于“綠色、工業化、信息化”。進一步地，以上背景并不局限于國界，大體上逐步成為世界主流。

裝配式建筑工法的完善使結構的預制率不斷提升，目前已達到較高的水平，尤其是在歐洲出現了不少出色的全預制案例；在美國、日本和我國，在高烈度地震區采用較高預制率的結構，也有一系列成功經驗。此外，裝配式混凝土結構在高層、大型、復雜的建設中得到不斷推廣。在這樣的行業背景下，預制構件所帶來的影響并不能通過對節點性能、連接性能的深入研究就得到全面的解答，學者與工程師們對裝配式混凝土結構有區別于現澆結構的體系性能、行為、機理日益關注，并針對以下方面進行了研究：

(1)高預制率、多個部件采用全預制的結構，傳統假設的適用性及其偏差程度，例如樓板面內剛性、次梁不引起主梁扭轉、非結構墻體對剛度的貢獻和對破壞模式的影響等等；

(2)等效現澆的裝配式節點，因其預制的精細以及高性能新材料等技術，能否形成高延性和構件承載力的合理梯度，從而保證體系在大震下實現合理的出鉸機制；

(3)非等效現澆的新型裝配式節點性能如何影響到體系行為，例如采用預應力和節段化降低殘余位移，再進一步結合體外耗能件和二次剛度技術實現全過程損傷可控與快速修復。

以上方面的研究是裝配式混凝土結構節點性能研究的必要延伸，節點性能的已有成果為其提供了堅實基礎，然而以下方面的研究則拓展了裝配式混凝土結構體系的前景：

(1)利用預制的便利在體系的局部形成復雜而性能卓越的子結構，或增加一道防線，如節段式耗能搖擺墻、框架結構中的軟鋼耗能跨等；

(2)總體而言，形成了鉆石型斜網格結構體系、網格盒式結構體系等難以通過現澆工法實現的結構系統，方便形成節段面和柔性層，拓寬減隔震裝置優化布設的可行域。

這些新型體系的結構性能，帶來了設計計算的挑戰，現行規范和現有計算手段不可能全面涵蓋以上體系，一種觀點是通過判斷、簡化、歸并等效等前期處理將其合理納入現有計算設計流程，另一種觀點則認為應根據其本身特點設定不同的計算設計方法。

裝配式混凝土結構體系具有生產效率高、建設周期短、產品質量好、環境影響小和可持續發展能力強等優點，符合我國產業升級和綠色發展的要求，已經成為目前建筑業結構調整和轉型升級的必然途徑，但其現階段的發展應用也存在諸多問題，面臨很多挑戰。針對現階段裝配式混凝土結構體系復雜繁多，發展應用緩慢等突出問題，本文選取裝配式混凝土框架結構、裝配式混凝土剪力墻結構、空間盒式結構與模塊建筑結構四類最具代表性的裝配式建筑結構體系，主要介紹論述其體系形式、優缺點、試驗研究等內容，呈現裝配式結構體系方面最新研究進展的主流脈絡和理論思路，期望為我國今后裝配式混凝土結構體系的理論發展和工程應用提供一定的參考。

1 裝配式框架結構體系

1.1 體系簡介及特點

裝配式框架受力較為清晰，力傳遞路徑明確，按照承重構件的連接方法，可以將預制混凝土框架劃分為濕連接框架和干連接框架兩種類型。濕連接框架即將混凝土澆筑(水泥漿灌注)在框架結構的預制構件之間，從而形成的整體框架結構。干連接框架即框架的預制構件之間采用干式連接，整體框架通過螺栓連接或焊接植入鋼板或其他鋼部件的連接件從而形成。

1.2 研究現狀

裝配式混凝土框架結構體系的研究主要集中在梁柱節點連接的性能，因為該部位既是結構受力核心部位，又是區別于現澆結構的主要部分。預制混凝土框架一般有等效連接和整體裝配式兩種連接方式，前者包括預應力拼接及后澆整體式連接等節點形式，后者包括焊接連接，螺栓連接等節點形式。一般通過數值模擬方法及其試驗研究對裝配式梁柱節點進行研究。

1.2.1 試驗研究

試驗研究一般采用低周反復加載的方式，探尋裝配式梁柱節點的滯回行為、耗能能力、破壞模式以及局部連接可靠性等。

(1)裝配整體式梁柱節點性能研究

蔡建國等[1]試驗研究了從法國引進的世構體系的基本性能，低周反復試驗表明，混凝土的開裂以及壓碎主要集中于鍵槽部位，梁柱節點的滯回曲線飽滿，耗能能力較為理想。

Im等[2]研究了一種特別的裝配整體式結構的梁柱節點——梁端帶U形鍵槽的梁柱節點，試驗研究發現，與傳統現澆梁柱節點相比，梁端帶U形鍵槽的裝配整體式梁柱節點的性能沒有明顯差別，同時試驗研究還發現，梁端帶U形鍵槽的裝配整體式梁柱節點性能可通過一些構造措施來提高，如在裝配整體式結構的預制梁端包裹角鋼及提高預制梁端附加鋼筋的配筋率等措施。

Eom等[3]對Im等所研究的梁端帶U型鍵槽的裝配整體式梁柱節點進行了進一步研究，主要考慮了此類梁柱節點的構造特點，與現澆混凝土框架結構梁柱節點區域塑性鉸外移的設計思路相結合，提出了三種新型裝配整體式梁柱節點，通過塑性鉸外移，裝配整體式梁柱節點的延性及耗能能力等性能明顯提高。

部分學者提出了梁端不帶鍵槽的裝配整體式梁柱節點并進行了研究：

Yuksel等[4]對工業建筑使用的節點和住宅使用的節點進行對比研究，將U型鋼筋用于兩種節點的上端和底部受力筋，通過對低周反復試驗獲得的節點的強度、剛度及延性等數據進行分析發現：工業和民用預制節點在層間位移角為2%時有飽滿的荷載位移曲線及良好的耗能能力。

(2)裝配式干連接梁柱節點性能研究

裝配式干連接梁柱節點主要分為焊接連接、螺栓連接、預應力連接、預應力耗能連接等幾種類型。

1)焊接連接，施工方便，無需濕作業，但是焊接處的韌性較差，在循環荷載作用下容易出現脆性破壞。

Ersoy等[5]針對框架梁跨中焊接連接節點的抗震性能進行研究，試驗研究表明，此類節點的強度、剛度、耗能都近似于現澆節點。

黃祥海[6]提出了一種新的節點形式——鋼板焊接暗牛腿節點，通過試驗以及有限元分析發現，這種新的節點形式變形能力良好，承載能力也更貼近于現澆節點。

2)螺栓連接，在構件生產時，依據設計要求預留相關安裝孔洞，運輸到施工現場后，通過螺栓將梁柱構件進行錨固連接。對構件精度要求較高，螺栓孔洞處容易產生應力集中造成構件破壞，耗能能力較差。

呂西林等[7]提出了一種新型梁柱節點形式——采用橡膠墊螺栓連接的節點形式，試驗研究表明，此類節點在試驗過程中表現出良好的工作性能，同時為防止梁柱間產生滑移，應注意保證螺栓具有足夠的預緊力。

Vidjeapriya等[8]考慮鋼結構連接方式，提出一種新型預制混凝土梁柱節點——牛腿與加肋角鋼結合的節點，試驗研究表明，現澆構件與預制構件相比，節點的極限承載力更高，約為25%，但構件表現出的的延性和耗能能力卻較差。

3)預應力連接，預制梁柱構件在工廠生產時，預留預應力筋孔道，運輸至現場后，將鋼絞線穿過梁柱構件，并進行張拉從而使梁柱構件拼裝在一起。由于預應力的作用，節點一般殘余位移較小，有較好的自我恢復能力，但耗能能力較差。

Priestley等[9]提出了在預制梁-柱節點使用無粘結預應力筋進行裝配的概念，即在節點區及梁端一定范圍內的預應力筋無粘結。試驗研究表明，該節點的自恢復能力很強，在強震作用后梁柱之間的預壓狀態保持良好。

Priestley等[10]分別對一個后張無粘結預應力裝配式混凝土梁柱中節點和邊節點進行了低周往復荷載試驗，結果表明該類節點具有較強的自恢復能力，在大震作用下，無粘結預應力筋不會因為出現局部屈服而引發結構倒塌。

董挺峰等[11]通過試驗研究了裝配式無粘結預應力混凝土框架節點，試驗研究表明，該節點的自恢復能力很強，與現澆節點相比，耗能能力約為現澆節點的60%～70%，整體上看試件比一般的鋼筋混凝土試件的破壞程度要小得多。

4)預應力耗能連接，在預應力連接基礎上，附加耗能裝置，在保證延性高、自復位良好等基礎上，提高了節點的耗能能力。

Cheok等[12]針對包含耗能鋼筋的預應力裝配式梁柱節點的抗震性能進行研究，試驗研究表明，地震作用下此類節點的位移角與破壞模式可以滿足現澆節點的要求，甚至表現比現澆節點更加優秀。

Morgen[13]討論了采用摩擦阻尼器進行耗能的裝配式節點形式的概念，試驗研究表明，此類節點的耗能能力以及自恢復能力都很優越，并且該節點使用的摩擦阻尼器便于更換以及修復，有利于節點的維護。

(3)裝配式混凝土框架性能研究

Priestley等[10]基于預制混凝土框架結構的位移討論了一種新的設計方法。該結構設計方法的基本規律為：首先確定結構的屈服層間位移和位移延性系數；進而得出與位移延性系數有關的阻尼比；然后通過對彈性位移反應譜進行分析，得到結構的自振周期；再依次算出結構的割線剛度和需求抗力；最后根據所算出的結構需求抗力進行設計。

Cheok等[14]進行地震模擬試驗，模擬在地震作用下采用混合型梁柱節點形式的預制框架，對其性能進行研究，具體步驟為：在計算程序IDARC中建立一系列采用混合型梁柱節點形式的、具有典型層高的二維框架模型；對模型進行靜力彈塑性分析(Pushover分析)，分析結果發現，與現澆框架相比，采用混合型梁柱節點形式的預制框架在破壞形式和基底抵抗剪力方面有著相近的性能。

加利福尼亞大學1995年[15]進行擬動力試驗，研究五層預制混凝土結構在地震作用下的性能。試驗研究發現，普通后澆節點與預應力節點相比，耗能、強度損失、殘余變形和損壞程度均有所增加，同時，基于位移的設計方法的可靠性也得到了試驗的有效驗證。

在國內，薛偉辰等[16]進行了預制預應力混凝土空間結構的擬靜力試驗研究，研究對象為采用預應力拼接的體育館看臺空間框架結構，試驗表明此類結構有較大的安全儲備和變形能力，結構整體位移延性系數可達到2.04。

柳炳康等[17]進行低周反復荷載試驗，先后研究了1榀一層2跨、1榀二層2 跨預壓裝配式混凝土框架的性能。試驗結果發現，預壓裝配式混凝土框架節點核心區的受力狀態為雙向受壓，該節點的抗裂性和抗震性能優越。

1.2.2 數值模擬方法

現階段絕大部分裝配式混凝土結構進行抗震性能數值模擬所采用的分析方法與現澆混凝土結構相同，裝配式混凝土結構的抗震性能數值模擬按照其所建模型單元的不同，分為基于梁柱桿系單元和基于三維實體單元的分析方法。

(1)基于梁柱桿系單元的分析方法

Weldon等[18]利用DRAIN-2DX軟件對裝配式混凝土連梁進行研究，分析其在側向荷載作用下的非線性反應，分別采用纖維梁單元、附加的彎曲及剪切彈簧模擬連梁、連梁與剪力墻拼接部分的局部變形，最后獲得了所研究連梁的彎矩-轉角的全過程曲線。

陳適才等[19]利用OpenSees建立了一種新型裝配式混凝土節點數值模型，通過在梁端附加一種特殊的截面——零長度截面(ZeroLength Section)，結構的應力-應變關系也采用傳統的鋼筋應力-滑移關系來替代，研究表明了結構的裝配部位出現粘結滑移現象對結構承載力、延性等性能的影響。

(2)基于三維實體單元的分析方法

Kulkarni等[20]通過DIANA對裝配式混凝土鋼板的連接節點進行研究，針對此類節點的滯回性能進行分析，分別采用平面應力單元、桁架單元模擬混凝土和連接鋼板、鋼筋。

薛偉辰等[21]利用ANSYS對裝配式混凝土框架結構進行研究，分析結構的非線性全過程，將鋼筋和混凝土單元單獨建模，研究與Kaya試驗相同，僅對結構進行了單調加載。

Zoubek等[22]采用ABAQUS對一種特殊的裝配式混凝土節點形式——暗銷連接節點進行有限元分析，試驗采用Park-Kent模型代替混凝土和灌漿的本構關系，梁、柱、暗銷和灌漿的建模單元采用C3D8R實體單元，利用桁架單元模擬鋼筋。

Kremmyda[23]采用ABAQUS對一種插筋式的裝配式梁柱節點進行研究，模擬該節點的滯回行為，拼接縫的剪切行為通過設置接觸界面性質來體現。

1.3 發展方向

隨著裝配式混凝土框架結構的推廣應用和研究的深入，其縮短工期、減少人工、降低費用、綠色環保且質量可靠的優勢將得以展現，隨著建筑產業的升級，裝配式框架結構將在我國大范圍推廣應用。但現階段裝配式混凝土結構存在結構整體性差、設計規范欠缺、僅僅局限于抗震設防烈度較低的區域等問題，在一定程度上限制了其發展。針對以上問題，未來可以著重從以下幾個方面作為研究的出發點：

(1)針對裝配整體式混凝土框架結構，提出新的預制梁柱構件連接方式使裝配式梁柱節點達到或超過現澆的梁柱節點性能，將進一步促進裝配式混土框架結構在中高烈度地震區域的推廣應用；

(2)預壓裝配式或干式連接等連接節點，其設計方法和性能評估不適用現有的設計規范，根據不同的預制構件連接特點建立相應的設計分析方法也是將來一個重要的發展方向；

(3)新材料新技術的應用，由于裝配式混凝土結構的設計施工不同于現澆結構，其具有較強的設計性和創新性，因此，ECC材料、形狀記憶合金和新型耗能裝置等新材料和新技術的應用，將極大地凸顯裝配式混凝土結構的優越性。

2 裝配式剪力墻結構體系

2.1 體系簡介及特點

剪力墻結構是除了框架外另一種主要的結構形式，其抗側剛度遠遠大于框架，在高層建筑結構中應用極為廣泛。隨著建筑工業化的浪潮席卷而來，剪力墻結構的預制裝配化有著十分重要的意義，其大規模的使用有利于促進我國的建筑工業化和住宅產業化的發展。

與裝配式框架結構需要重點研究梁柱節點不同，裝配式剪力墻結構的研究重點是解決剪力墻的水平和豎向接縫問題。多年來，國內外學者研究了各種預制裝配剪力墻結構體系，并為解決剪力墻的水平和豎向接縫問題進行了廣泛而細致的研究。

2.2 研究現狀

國外常用的幾種裝配式剪力墻結構形式主要包括：無粘結后張拉預制剪力墻、大板結構體系、夾芯板剪力墻。在國內，目前研究熱點主要是濕法連接預制裝配剪力墻體系，包括采用搭接連接、套筒漿錨連接、套箍連接等不同連接方法的預制剪力墻，此外，國內對于疊合剪力墻也進行了大量的研究，工程應用也較多。而對于后張無粘結預制裝配剪力墻以及干法連接預制裝配剪力墻的研究均處于起步階段，研究進度落后于國外。

2.2.1 疊合板式預制裝配剪力墻

疊合板式剪力墻結構，如圖1，結構體系中同時包括預制疊合構件與全現澆構件，實質上是一種半裝配式剪力墻結構。國外已是一項十分成熟的技術，在中國研究方興未艾。

圖1 疊合板式剪力墻構造

現有研究結果表明[24～26]，與現澆剪力墻的性能相比，疊合板式剪力墻在開裂、破壞形態等性能方面較為相近，但在承載力、延性和變形能力等方面較為不足，其具體表現為：疊合面抗剪強度滿足設計要求、無任何滑移現象發生，疊合板有良好的整體工作性能。

2.2.2 濕法連接預制裝配剪力墻

(1)約束漿錨鋼筋搭接連接

將內表面粗糙的孔洞預留在預制混凝土構件預埋鋼筋底端旁，在預制混凝土構件吊裝安裝后，將被連接鋼筋插入預留的孔洞內并留有一定的長度以便于兩根鋼筋的搭接，再將灌漿料灌入預留孔洞內，凝結硬化后預埋鋼筋與被連接鋼筋即可連為一體，如圖2。

這項連接技術合理可靠，節點力學性能較為優異，但對施工精度要求較高，吊裝難度大，構件在生產、養護、運輸過程中難免會導致預留鋼筋位置偏移而使墻板吊裝困難[27～29]。

(2)金屬波紋管預留孔漿錨連接

主要墻體的豎向鋼筋連接方式采用漿錨連接，通過在金屬波紋管上預留孔洞實現，如圖3。將后澆節點預留在縱向預制剪力墻與橫向預制剪力墻的連接處，在后澆節點處使附加鋼筋相互交錯，并將附加鋼筋提前埋設在縱、橫向預制剪力墻內，通過設計確定附加鋼筋的數量、間距、直徑等數據，以達到與原截面預制剪力墻配筋相同的效果，最后在連接部位進行澆筑，即形成剛性連接節點；水平構件與豎向構件節點采用預留鋼筋疊合現澆連接，形成整體的新型預制裝配剪力墻結構體系(New Precast Concrete，NPC)[30～32]。

圖3 金屬波紋管預留孔漿錨連接

(3)套筒漿錨連接

套筒灌漿連接即在對接套筒插入鋼筋，如圖4，然后將預先配備好的無收縮高強度灌漿材料注入灌漿機，等待一段時間，灌漿材料硬化，從而使對接套筒與筒內鋼筋緊密連接。豎向鋼筋間的應力通過套筒內表面與鋼筋表面之間的粘結力得以有效地傳遞，同時，由一定比例的水泥、膨脹劑、細骨料以及高性能外加劑組成的高強度灌漿材料所具有的高強性與無收縮性也發揮了重要的作用。

圖4 套筒漿錨連接

由于在預制剪力墻中通過套筒漿錨連接可以使豎向鋼筋間的應力得到有效傳遞，與剪力墻的現澆構件相比，預制構件的破壞形態、剛度和耗能能力都很相近，因此，預制剪力墻的受壓承載力符合設計要求，可按照現行規范對其進行計算[33,34]。

2.2.3 無粘結后張預應力預制剪力墻

無粘結后張預應力預制混凝剪力墻體系(圖5)是由后張預應力預制墻板通過水平節點和豎向節點連接建造而成。處于樓層處水平節點與豎向節點分別處于樓層與相鄰墻板間，分別使用不與混凝土粘結的后張拉鋼筋、不連續的延性連接器進行豎向剪力的傳遞以及地震能量的消耗。

圖5 無粘結后張預應力預制剪力墻

特別地，一些特殊的無粘結后張預應力預制混凝土剪力墻在地震作用下表現出層間搖擺的特性，也可歸類為搖擺墻結構。國外已有相關研究，如Kurama等設計的增設粘滯阻尼器的搖擺墻框架結構，Sofia Gavridou等進行振動臺試驗的四層預制框架剪力墻結構等。

研究結果表明，無粘結后張預應力剪力墻具有足夠的強度和延性，自復位能力尤其優秀。此外，有學者進一步采用低碳鋼和無粘結預應力筋混合以增大剪力墻的耗能能力。該體系在國外進行了大量研究，并編寫了相關規范[35～37]。國內只有同濟大學、東南大學等少數單位進行了探索性研究[38,39]。

2.2.4 干法連接預制裝配剪力墻

預制剪力墻結構水平接縫的干式連接方案，即采用高強度螺栓或者預埋鋼板焊接作為剪力墻水平和豎向的連接方式，如圖6。該種連接方式完全擺脫濕作業，發揮裝配式的優勢。同時，連接部位受力機理明確。

圖6 干法連接預制裝配剪力墻構造

現有研究表明，干法連接預制裝配剪力墻試件發生彎曲破壞，耗能能力優于裝配整體式和現澆剪力墻，抗震性能很好。國內主要有同濟大學薛偉辰、東南大學邱洪興團隊(圖7)進行了相關研究[40,41]。

圖7 干法連接預制裝配剪力墻低周往復試驗

2.3 發展方向

綜合文獻的研究現狀來看，預制裝配剪力墻結構體系具有抗震性能良好、抗側剛度大等優勢，但也存在連接部位薄弱等需要解決的問題。隨著預制裝配剪力墻結構體系性能的研究深入及大量工程實踐，其抗側剛度大、抗震性能好的優勢將得以展現，以后將在高層和超高層結構中大規模推廣應用。同時針對其現階段存在的問題，后續研究可以圍繞以下兩個方面進行：

(1)研究新的預制裝配剪力墻水平和豎向連接技術，重點解決預制拼裝剪力墻結構在水平和豎向接縫處較為薄弱的問題，以及提高預制墻抗側剛度使其達到等同現澆剪力墻。

(2)研發新的預制裝配剪力墻結構體系，其結構性能并不追求等同現澆，而是滿足在地震作用下低損傷、自復位、可修復的新型高性能預制裝配剪力墻體系。

3 裝配式空間網格結構體系

3.1 體系簡介及特點

裝配式空間網格結構體系是一種我國完全擁有自主知識產權的新型結構體系，它擁有跨越能力強、構件尺寸小、節約材料、節省層高等優點，相較于傳統結構體系而言有非常明顯的優勢，非常切合我國節約土地、促進環境友好建設的發展方針，是一種極有發展前景的新型結構體系。

裝配式空間網格結構體系主要包含裝配式空間網架結構、裝配式空腹夾層板結構、裝配式盒式結構，下面就這三種結構形式，對現有研究進行歸納總結。

3.1.1 裝配式空間網架結構

馬克儉等[42]考慮到當時平板網架結構及組合網架結構的不足，提出了一種新型空間網架結構及其對應的裝配整體式施工方法。鋼筋混凝土空腹網架結構，由鋼筋混凝土空腹桁架(圖8)交叉組成，桁架一般采用雙向正交的交叉形式。鋼筋混凝土空腹桁架的上、下弦桿一般選用矩形截面，豎桿一般選用方形截面。將新型空間網架結構運用于兩個實際工程中，發現新結構可以節約混凝土用量25%～30%，自重減輕40%，同時撓度等技術指標均滿足相關規范要求，且簡化計算方法及施工方案切實可行，證明新型空間網架結構具有極高的實用性及經濟效益。

圖8 空腹桁架構造

3.1.2 裝配式空腹夾層板結構

研究人員對裝配式空腹網架結構進行更深入的研究之后，提出了一種新型結構——裝配式空腹夾層板結構(圖9)。與裝配式空腹網架結構相比，空腹夾層板結構在網格劃分上的基本要求基本相同，即每個柱網內的網格數量不應少于5×5，網格尺寸a=1500～2000 mm，保證其力學特性符合空間“網格板”的要求。圖10為空腹夾層板的剖面構造，預制板與上肋通過預留鋼筋連接共同工作。空腹夾層板厚度h在(1/30～1/35)L(L為跨度)之間，一般與實心平板的厚度相等，其上、下肋截面b1×h1中要求b1>h1，豎桿截面一般仍為b1×b1且h2/b1≤1，力學特性改變為“塊體單元”。通過對空腹夾層板進行受力性能和經濟性能的分析，在同等結構響應下，空腹夾層板結構可比傳統梁板結構節省20%左右的材料用量，且可降低0.3 m左右的層高，經濟效益顯著。

圖10 空腹夾層板剖面構造

3.1.3 裝配式盒式結構

空間網格盒式結構是在空腹夾層板的基礎上，將傳統的大尺寸框架柱改為小柱距(2～4 m)的密柱，同時在層間添加層間梁(圖11，12)。由于結構的抗側剛度與柱子的線剛度、計算長度緊密關聯，盒式結構通過密梁密柱的布置，增大了梁柱的線剛度，減小了各自的計算長度，使得結構的抗側剛度有了明顯提高，構件尺寸得以大幅度縮減，同時由于使用了空腹夾層板，結構自重大幅度下降，且可以節省層高，具有很好的實用價值及經濟效益。

圖11 鋼空間網格盒式結構

圖12 鋼空間網格盒式結構構圖/mm

3.2 研究現狀

韋明輝等[43]對空腹網架結構進行了縮尺模型試驗，重點研究其可靠性及理論計算方法的準確性。通過模型試驗證明，新型空腹網架結構的性能可靠度高、空間剛度大、內力重分布性能好，且理論計算方法可靠。

馬克儉等[44]對空腹夾層板的穩定性及平面內剛度進行了理論推導，表明其具有很大的平面剛度及整體穩定性能，可以沿用剛性樓板假定進行設計和分析。

張華剛等[45]對空腹夾層板的力學性能進行了理論推導。通過連續化分析，引入了擬夾層板的分析方法，使用了三個廣義位移解出了空腹夾層板的高階偏微分基本方程，對空腹夾層板的受力性能和特點有了進一步的認識。

段渝忠等[46]對空腹夾層板進行試驗研究，研究其節點的破壞形態。試驗記錄了從結構開始加載到結構發生破壞的全過程的數據，獲得了結構的荷載-變形曲線。試驗研究表明，結構破壞形態為彎曲破壞，具有良好的延性以及較大的安全冗余度。

孫濤[47]較為完整地研究了空間鋼網格盒式結構的構造、力學特性、受力特征、計算及設計方法。

彭登等[48]針對空間網格盒式筒中筒結構進行試驗，研究此類結構在特定建筑——超高層建筑中的應用。通過對盒式筒中筒結構進行彈性時程分析，發現新結構體系抗側剛度大，地震下效應均勻且較小，同時結構自重輕，在超高層結構中的應用較為理想。

張震等[49]針對多層大跨度結構中的空間網格盒式結構和傳統框架結構進行了對比試驗，研究他們的受力性能。基于有限元軟件分析對比了兩棟分別采用盒式結構和框架結構的3層大跨度(21.6 m)結構的各項性能，發現盒式結構在抗側剛度、地震響應、材料用量、受力分布等方面均優于傳統框架結構。

3.3 發展方向

隨著空間網格結構體系性能的研究深入及大量工程實踐，其剛度大、抗震性能好、跨越能力強、節省材料的優勢將得以展現，以后多層大跨度結構及高層結構將成為一種很有優勢的結構形式，但盒式結構由于節點及構件數量較多，現場澆筑工序較多，降低了其實用性和經濟性。基于以上問題空間網格結構體系的發展方向可從以下幾個方面著手：

(1)將其與建筑工業化技術相結合，解決空間網格盒式結構體系由于節點、構件多帶來的模板需求量大及現澆工序繁瑣的問題。同時開發適用于盒式結構的特有裝配式施工方法，進一步彌補盒式結構現澆復雜的弱點，提高其實用性和經濟性，使其具有更好的工程實際應用價值。

(2)將新結構體系運用到高層結構中去，利用其剛度大、抗震能力強、跨越能力好的優勢，改善現有結構性能，達到結構大空間靈活劃分居室的目的，并大幅度提高結構的經濟性能。

4 裝配式模塊化結構體系

4.1 體系簡介及特點

模塊建筑是一種高度集成的預制裝配體系[50,51]，其特點是在三維的預制模塊單元(類似于集裝箱)中，集成建筑外墻、裝修、管線設備等。生產完畢后，運往現場進行吊裝拼接，如圖13所示。其預制裝配體現在結構與使用功能兩方面：不僅結構部分施工便捷，還免去了后期的裝修等工作，這是它相對于其他裝配技術的最大不同。

圖13 模塊建筑體系

模塊的生產從單純模仿集裝箱結構逐步趨向于多元化，包括大開間但較柔的角柱模塊，以及較封閉但較剛的鋼板剪力墻模塊等，如圖14所示。

圖14 模塊內部結構的部分類型示例

堆放式的模塊本身應足以承受累積性的豎向荷載。然而，更重要的是承受水平荷載的結構方案：當設計側向力較小時，模塊自身結構足以抗側；在高層結構中，或者高烈度地震區，需要外加抗側力體系或減隔震措施。現分述如下：

(1)純模塊體系：通過模塊自身結構進行抗側，因不需附加其他抗側結構，具有較快的建造速度。多用于非抗震區且層數在八層及八層以下的建筑。

(2)模塊-外加抗側力結構體系：在高層建筑中或高烈度地區，需要外加抗側力結構抵抗風荷載和地震作用。包括：外加混凝土核心筒[52]、外加框架[53,54]、外加框架-支撐體系等[54]。

(3)減隔震模塊結構體系：在對抗震有更高要求的地區，采用減震隔震的措施進一步消耗地震能量。包括：底部隔震模塊結構、懸掛式模塊結構(次結構模塊化的懸掛結構)[55]等。

以上第二種體系較為常見，其中層內傳遞水平力的方案是結構抗側的重點。傳統結構可以假設樓板在平面內剛度無限大，然而在模塊建筑中，上述假設不一定成立。現有的層內傳力組織方案可分為以下三類：(1)通過疊合樓板的等效連接以及整體裝配式連接等方式，利用整塊樓板進行層內傳力；(2)通過人為設定傳力路徑，如通過特殊的走廊模塊將力傳遞給抗側力體系；(3)各模塊均與抗側力體系直接相連。

模塊建筑還具有“簇梁簇柱”的特征，即各模塊拼接后，相鄰模塊的框架梁柱形成更大的但是松散的梁柱組合體，具有與傳統框架不同的結構特性。

4.2 研究現狀

各國高校與研究機構提出多種適用于不同場合的模塊結構體系，并進行了相應的試驗研究。

加拿大西安大略大學的Annan等[56]提出了一種帶支撐的純模塊結構體系，結構的某些外周模塊的一側帶有對心鋼支撐，平面內若干關鍵點采用在模塊框架梁上加焊連接角鋼，通過角鋼上的螺栓進行連接的方式使層內模塊形成整體，如圖15所示。其層間連接采用模塊柱端板焊接的方式。這樣的體系能夠應用于抗震區的低層建筑。

圖15 帶支撐純模塊結構體系

為研究模塊柱端板焊接對上述體系性能的影響，Annan等[56]對“雙頂梁”帶支撐框架進行了低周往復試驗，如圖16所示。其破壞形式是焊接處柱端發生受彎破壞。與普通鋼框架相比，剛度退化明顯，但滯回曲線更加飽滿，承受20個循環并達到3.5%的層間位移角。此結構形式的抗震性能得到了初步證明。

圖16 帶支撐純模塊結構低周往復試驗

Honga等[57]提出了帶有高細長比夾心鋼板的模塊，旨在為多層純模塊結構增加首道防線，如圖17所示。雙層鋼板與內芯波紋板采用焊接連接，模塊層間連接分別在夾心板端部和模塊柱端部的位置。試驗包括夾心板本身、純模塊與兩層帶夾心鋼板模塊的滯回性能。結果顯示：(1)面板與內芯脫開后發生局部屈曲，此時，夾心板失效；(2)模塊柱端產生塑性鉸，純模塊的失效；(3)夾心鋼板端部出鉸早于模塊柱端出鉸，實現了首道防線的作用，滯回曲線飽滿，耗能與延性良好。

圖17 帶有高細長比夾心鋼板模塊低周往復試驗

天津大學陳志華提出新型的模塊連接方式[58]，由中部的銷軸體保證層內傳力，由模塊梁端的螺栓保證層間傳力，在墻體角部預留操作空間，方便現場拼接，如圖18所示。針對此連接的十字節點，進行單調及低周往復試驗：(1)滯回曲線飽滿，耗能能力良好；(2)破壞模式是綜合性的，包括銷軸體裂縫、梁裂縫、腋撐端部的撕裂或斷裂，以及柱端的局部屈曲等；(3)連接的冗余度較高，體系始終有良好的整體性。此項技術適用于多層純模塊結構體系。

圖18 帶有銷軸體的模塊結構示意

此外，Park等[59]針對模塊建筑的“簇柱”特點，提出了將底層簇柱焊接于同一塊底板上，放置于帶有波紋管內壁的基礎杯口中進行后澆的基礎形式，并對底層柱頂端加載進行低周往復試驗證明其良好性能。

4.3 發展方向

隨著模塊結構體系性能研究的深入、設計方法通用化，以及模塊生產效率提高，其高速高集成的優勢將得以更好發揮，廣泛地應用于多高層住宅、酒店和辦公樓。但現階段模塊結構也存在施工困難、模塊質量難以保證及標準化進展緩慢等問題。為了解決模塊結構的現存問題，其未來發展方向一般認為有以下幾個方面：

(1)與減隔震技術結合：利用每個模塊自成結構的特點，經過優化得出減隔震裝置的新型布設方式，提升模塊結構的性能。

(2)超高品質模塊：利用工廠環境進行精細化生產，使模塊本身具有超高品質，同時以實際建筑要求制定其標準化預制構件生產流程。例如：高集成度智能設備、高耐火性能、自帶減振措施降低人致振動與設備振動以保證舒適度等。

(3)專門化的施工系統：針對模塊的吊裝與就位，開發出專門化的施工系統，實現類似于軌道化的自動提升與就位功能，將進一步發揮其高速的優勢。

4 結 論

本文從體系形式、優缺點、試驗研究、分析與設計方法、工程案例等方面論述了裝配式混凝土框架結構、裝配式混凝土剪力墻結構、空間盒式結構與模塊建筑結構等幾類適用于多高層工業與民用建筑的裝配式建筑結構體系。以上體系能充分發揮預制裝配的核心優勢，而且具有較強的適用性，以及預制結構特有的一些體系性能特點。較廣泛的工程應用與學術界的持續關注證明了以上體系的綜合效益；此外，得益于其較廣的涵蓋面，以上體系仍具有充分的創新空間。

綜合現有成果，預制裝配結構的體系性能研究大致有以下三個焦點：(1)對適合裝配化的結構形式形成成套技術體系，以框架結構為例，除了框架梁柱節點，還關注梁與板的連接、柱與基礎的連接、預制板的面內面外性能、樓梯性能、預制非結構構件及其對主體結構的性能影響等；(2)針對常見結構體系中的關鍵結構，采用預制的手段達到等同或不同于現澆結構的體系性能，甚至向超過現澆結構體系性能的方向發展，例如采用高性能材料、各類消能減振裝置、預應力、節段化等技術，達到更好的塑性鉸分布、梯度耗能、自復位、低殘余位移等效果；(3)利用預制技術克服一些現實考慮的固有限制，拓寬結構方案的可行域，對常見結構體系進一步優化，形成新型結構體系。

隨著上述研究焦點帶來體系層面的性能提高和創新，相應的分析與設計方法將面臨不斷革新。盡管國內外學者們從構件、連接到體系等不同層面作出了大量的假設—驗證—簡化、歸并等方面的貢獻，針對具體的預制體系提供了一系列的設計方法并頒布了若干標準，但是體系創新與裝配式結構設計方法的標準化仍然持續存在矛盾與挑戰。