裝配式建筑抗震性能影響因素研究

邱禮苗

（廈門智欣建工科技有限公司，福建 廈門 361023）

0 引言

現階段裝配式建筑采用標準化設計、工業化生產、裝配化施工等便捷有效的方式，可以準確地控制生產精度，減少實地施工的各項操作和現場濕式作業帶來的各種材料浪費，并有效地解決了環境污染等問題。其相比于傳統的建筑建造方法而言，更加節能環保，更符合現在國家所倡導的綠色協調可持續發展的建筑產業化［1］。雖然預制裝配式建筑的整體承載能力不如現澆結構強，剛度和耗能性也相對較低，但是其變形能力卻是現澆結構無法比擬的；預制裝配式建筑所存在的缺陷可以采用重新配置鋼筋分布，改變節點處連接形式，添加外掛結構或改變澆筑填充材料等方法來進行彌補，這就使其整體結構既有良好的承載能力、剛度、耗能性的同時也具有好的變形能力、可修護能力以及經濟性。

由于中國地域廣闊，有些地帶地震多發，且地震強度大。以汶川地震為例,該地震受災面積多達44萬km2，在四川、甘肅和陜西3省的237個市縣地震強度較大，尤其是在汶川及周邊地區，此次地震波及大半個中國及亞洲多個國家［2］，導致大量人員傷亡，造成了巨大的經濟損失。因此必須對建筑的抗震性能提出較高的要求，然而僅從剛度、強度等方面著手是不夠的，同時還應兼顧建筑的結構、節點等。了解裝配式建筑在總體結構、節點連接等方面對抗震性能的影響然后選擇最優的設計施工方案，充分發揮裝配式建筑的優勢，研究并建立抗震性能評估模型，以更好地優化裝配式建筑的剪力墻結構。由于我國在裝配式建筑剪力墻結構方面的研究起步較晚，傳統評估模型在評估時缺少綜合性的分析，這使得當下已有的評估模型的評估誤差較大。我國裝配式建筑的發展還處于初級階段，在標準化設計、產業化生產、現場施工、驗收等階段存在大量待解決的問題，在產業管理和專業技術上也缺乏經驗，結合現階段國內外裝配式建筑的發展現狀和特點，積極探索先進的設計和生產技術，彌補不足，是產業發展的關鍵。

1 裝配式建筑節點連接對抗震性能的影響

裝配式建筑抗震性能不同，是由于不同結構、結構中抗震節點、軸壓比、接縫連接等整體框架設計對抗震性能的影響。通過調查以往地震災害可知連接節點處的破壞是建筑物在地震災害中損壞的主要原因。因此要保證裝配式建筑抗震性能關鍵在于節點處的連接，規范中提到的“強節點、弱構件”設計原則［3］是一種良好的連接構造形式，能保證節點和構件具有相近的壽命周期，這對抗震節點的研究具有指導意義，通過合理地設計能夠有效降低經濟損失，保障人民生命財產安全等。

1.1 節點連接結構對抗震性能的影響

通過對多個現澆節點和預制構件的拼接節點進行抗震試驗，結果顯示當節點存在有黏結的情況下結構整體耗能要比無黏結的預應力節點更低。在抗彎承載力和延性方面，與馮波［4］通過低周反復試驗得出的采用無黏結后張預緊力連接的預制式節點都高于現澆節點的結論相符。在裝配式框架節點處運用張拉無黏結的鋼筋進行連接，對其進行低周反復試驗，結果顯示這樣連接的節點具有相對較好的抗震性能，即使在地震多發且地震強度大的地區也有足夠的安全可靠性。考慮到鍵槽長度不同可能影響預制式結構中預應力節的點抗震性能，故選擇不同鍵槽長度的節點來進行多次加載測試，測試結果表明節點的鍵槽長度與結構的抗震性能指標呈現正相關的關系。在世構體系中［5］，采用不同的方法制作U形鋼筋及選用不同的施工方式都對節點的抗震性能有不同程度的影響。一種新型的U型鋼絞線的半預制結構與普通鋼筋都能保證抗震性能的情況下，此種板預制結構能極大提高結構強度并在變形上更加靈活。

采用無主筋U型RC梁外殼和柱預制外殼［6］時，在外殼內添加鋼筋結構，不但可以使核心區鋼筋結構保障裝配的連續性，而且還很好地和預制梁的筋錨固起來，固定并澆筑核心混凝土，養護成型，以形成裝配式T型節點。這種節點連接方法可以得到整體性、耗能性和抗震性都良好的結構，能很好地達到建筑所需的安全要求。但由于錨固過程中的筋較多，導致需澆筑的地方操作空間不足，給施工增添了較大的困難，且容易出現開裂等問題。為了避免這些問題，有研究者采用工程水泥基復合材料來增強節點區域的抗震性能。除此之外，在錨固筋為外殼提供足夠的施工強度的情況下，盡可能地選用較短的錨固筋對預制梁進行連接，這種短型連接可以減少鋼筋在連接段占據的空間，進而為后澆材料的添加提供便利，有效避免澆筑難的問題，提高節點的質量，以保證其節點抗震性能。對內含鋼筋結構的預制外殼澆筑成型的新型節點，在高軸壓比的裝配式預應力條件下對其進行低周反復試驗，發現試驗滯回曲線飽滿、耗能能力強、抗震性能良好。

1.2 節點不同連接形式對抗震性能的影響

裝配式框架節點是通過安裝雙鉛芯形式的扇形鉛黏彈性阻尼器［7］的一種新設計的現澆節點試件，這種扇形鉛黏彈性阻尼器可以讓試件接點處力的狀態發生改變，并起到保護作用，明顯提高了節點抗震性能。胡珊珊等［8］研究了一種三層單跨裝配式預應力混凝土框架節點的抗震性能，這種三層單跨裝配式預應力混凝土框架的破壞出現在梁端，雙向應力狀態并未使節點核心區發生破壞，框架整體結構延性優良，能有效抗裂、抗變形。對多個足尺試件進行試驗和數值分析，保證縱向分布的鋼筋完全屈服的尺寸限制，同時得到一種具有良好力學性能和抗震特性的新型節點。將全裝配式預應力混凝土梁與高強鋼筋混凝土柱端板螺栓連接節點進行抗震和受力機理分別進行研究分析，顯示其抗震性能良好。為了研究預應力自復位混凝土框架結構的抗震性能，對預應力自復位預制框架中節點和現澆框架中節點進行對比試驗，可以發現在交變應力水平較低的低周往復試驗中，預應力自復位預制框架中節點能利用角鋼耗能，較好地控制了殘余變形，得到更好的震后可修復性整體結構，并且可以重復使用，能大大降低成本。

2 裝配式建筑節點連接方式對抗震性能的影響

裝配式建筑的連接方式可分為干式連接和濕式連接。干式連接是在施工現場無須澆筑混凝土，全部預制構件、預埋件、連接件都在工廠預制，通過螺栓或焊接等方式實現連接；濕式連接是將兩個承重構件之間鋼筋互相連接后通過澆筑節點實現結構的整體連接，以達到節點等同現澆。

2.1 干式連接對抗震性能的影響

國內外學者研究了多種干式連接的裝配式建筑節點以及裝配式建筑結構的抗震性能，研究結果表明，只要滿足一定設計條件和構造要求，裝配式建筑結構節點的干式連接就能達到較好的抗震性能。比如SRC柱［9］里運用鋼筋配，只在其節點區域采用型鋼，打破了傳統連接方式的限制，減少了一系列復雜工序并降低成本。干式連接中的螺栓連接具有很好耗能性和延性，該種節點連接方式的優點是性能穩定，但存在接頭位置施工精度要求高、承載力較小、易變形等多種缺點。焊接式連接即使受到破壞，其承載力也不會明顯降低，延性也能滿足抗震要求，是干式連接方式中承載能力最強的方式。因此將兩種連接方式有效地結合就能將二者的優勢都體現出來，既能提高整體結構的耗能性，也增加其能承載能力。這種連接節點與現澆試件節點相比，其承載能力和變形性能更加優異，并且有效改善了節點的滯回性能，使得剛度穩定性更強。干式連接中存在一種全裝配式框架節點，通過螺栓連接和焊接的方式將預制構件拼接起來，在經過合理設計后可以比濕式連接的結構更經濟便捷。除此之外，干式連接還有灌漿套筒、鋼筋錨固等連接方式，但灌漿套筒需要對套筒連接進行質量檢測，比較耗時；鋼筋錨固其節點處鋼筋過于密集，可能導致混凝土澆筑質量差。將前面兩種干濕連接與灌漿套筒、鋼筋錨固等干式連接對比，可以凸顯出前文所述的兩種干式連接使整體結構的綜合性能更優。

2.2 濕式連接對抗震性能的影響

為了能找出增強濕式連接節點抗震性能的方法，統計并分析了鋼筋連接、鋼絞線連接、后澆混凝土等濕式連接方式的各方面性能研究。在模擬的地震載荷條件下，通過分析結構滯回性能、耗能能力、截面轉動能力和延性來評估結構的抗震性能，用變形恢復能力來考量結構的穩定性。研究發現，鋼筋在受到高溫作用過后，其各性能指標都發生了變化，所以在分析整體結構性能時，溫度的影響也應在考慮范圍內，尤其是在高溫環境中的混凝土結構在設計時應充分考慮溫度對其影響。用鋼纖維高強混凝土澆筑預制混凝土結構后，能有效提高澆節點處的延性和耗能性，改善箍筋用量過多的現象，增強抗震性能。對現澆試件和新型預制裝配試件進行較高交變載荷的低周反復試驗和有限元理論分析，模擬結構在受到地震載荷作用下的損壞程度，分析其抗震性能和恢復能力。結果顯示新型預制裝配試件與現澆試件相比，其承載能力、耗能能力和抗震性能都有一定程度的提升。在多個預制裝配式梁柱節點試件的比較下，可得出先在核心區內安置型鋼、后澆筑ECC材料［10］的方法可以讓連接的節點變形能力增強，并且震后的抗震恢復能力也進一步得到優化。

3 裝配式建筑整體框架設計對抗震性能的影響

3.1 調整整體結構以改良抗震性能

針對裝配式建筑結構中的豎縫連接，王嘯霆［11］進行了擬靜力試驗研究，試驗得到了結構的滯回曲線，通過分析剛度退化、變形、耗能等方面的結果，得出這種裝配整體式型鋼剪力墻組合結構具有良好的抗震性能和整體工作性能。對整體框架結構進行靜力彈塑性分析也是評估結構抗震性能的一種方法，該方法通過逐步增加結構模型受到地震水平力的方式進行模擬，并對高性能裝配式框架結構與普通混凝土框架結構的抗震性能進行對比研究，發現高性能裝配式框架結構通過合理的設計能夠達到與普通混凝土框架結構相當的抗震性能。對部分預制裝配式型鋼混凝土的實心柱和空心柱，通過擬靜力試驗對多個預制柱試件的抗震性能進行研究，探究不同參數變量對其耗能及變形能力的影響。

不同板厚的疊合板對預制板結構抗震性能的影響與現澆結構相比，疊合板節點開裂變形、承載能力和屈服位移等都和現澆結構的性能接近，甚至有更高的承載能力。錢正昊等［12］研究了冷彎薄壁型鋼填充墻板—裝配式混凝土框架結構，發現在該框架中，結構的破壞多為柱體受壓側出現碎裂，進而導致該處鋼筋屈服。同時，這種冷彎薄壁型鋼填充墻板破壞與軸壓比也密切相關，軸壓比值越大，該結構的剛度就越小。為了避免該剛度過小使結構過早破壞，采用聚合物填料提高剛度，增強結構的抗剪強度，并且加大墻板的厚度也可以讓框架結構抗側力和抗剪力能力都相應地增強。

3.2 外附結構對整體框架抗震性能的影響

孫雨欣［13］通過非線性時程分析方法研究了外掛預制混凝土墻板裝配式鋼框架結構抗震性，最終得出在一定范圍內提高軸壓比，能增強整體結構的約束，從而提高結構的承載能力。采用外掛墻板在地震作用下也能有良好的耗能能力，使整體框架的抗震性能得以提升。外掛墻的上掛下托對鋼架彈性和剛度影響并不大，但在塑性變形后期會因外掛墻板的約束力，使整體結構承載力提高。外附裝置包括消能器、環形彈簧阻尼器、在節點區加入的延性桿，也可添加消能減震復合板等減震消能結構。通過添加外附結構或裝置可以使整體框架具有良好的耗能能力，故可有效減少建筑物因地震而使其能量增加及震動，降低建筑損傷導致的人員傷亡及經濟損失。黃小坤等［14］深入研究了鋼框架內嵌復合墻板結構的抗震性能，并分析整體剛度逐漸降低的兩大主要原因，一是框架中的柱結構出現裂紋，二是在梁端出現鋼筋屈服的現象。整體結構中柱體開裂的部位多位于鍵槽處，其他位置很少出現破壞的現象，并且框架結構中的梁鉸耗能機制可以顯著增加結構的耗能能力。將貫通粗鋼筋的直徑以及預留鋼板寬度進行適當調整分析發現，通粗鋼筋的直徑比預留鋼板寬度略微大，可以提高縫隙處的抗震性能，并且在過程中預留孔和縫對整體結構穩定性影響都在安全范圍以內。

4 結語

裝配式建筑抗震性能的關鍵在于節點連接，國內裝配式建筑的連接方式多選擇濕式連接，相比于螺栓連接或者焊接等干式連接，現澆節點的連接方法有更好的力學性能，更能符合強節點弱構件的抗震設計要求，以保證節點和構件具有相近的壽命周期。在地震作用下，整體框架結構的設計，如輔加帶有外掛預制混凝土墻板的框架結構、增加柱頂軸壓比、添加阻尼器等方法能讓整體結構具有良好的受力性能及耗能能力，有效提高整體框架承載能力力，增加抗震能力，降低地震災害可能帶來的損失。要在保證裝配式建筑抗震性能的前提下盡可能經濟有效地實現產業化發展外，還需在節點和結構的抗震機理上做進一步研究，深入了解連接處的力學特性，提高在安全抗震后建筑整體結構的可恢復性。