模塊化混凝土結構抗震性能研究進展*

楊浩文,薛偉辰,江佳斐

(同濟大學土木工程學院,上海 200092)

0 引言

混凝土結構按施工工藝可分為現澆和預制2類。其中,現澆混凝土結構整體性好,而預制混凝土結構具有現場濕作業少、施工周期短、節約人工等特點[1]。隨著我國經濟社會的發展,人力成本逐步提高,對綠色環保日益重視,預制混凝土結構在我國得到大力推廣。作為該結構中預制率最高的類型,模塊化混凝土結構以工廠預制的三維模塊為基本單元、經現場組裝連接而成[2],適用于公寓、酒店、學生宿舍等以小面積重復單元為特征的建筑類型。國內外已有實踐表明,采用模塊化混凝土結構可加快項目進度、提高質量、減少現場污染,是我國推進建筑工業化和智能建造的重要發展方向之一。

1967年,加拿大蒙特利爾住宅67(Habitat 67)項目是模塊化混凝土建筑(三維住宅單元)的首次應用[3]。目前,為降低成本、縮短建設工期,模塊化建筑在英國、新加坡、澳大利亞、美國等發達國家的應用日益普遍[4]。我國也面臨建筑行業勞動力成本上升和用工緊張等問題,為實現建筑行業轉型發展,模塊化建筑得到積極應用。近年,我國有多個建成或在建工程采用模塊化混凝土結構,如已建成的廣德市科創實驗學校和深圳龍華樟坑徑人才公寓。

但相對而言,目前國內外有關模塊化混凝土結構的抗震理論和相關技術尚不成熟,且已建成的模塊化混凝土結構特別是高層模塊化混凝土結構主要集中在非抗震設防地區。我國地震區分布廣泛,為促進模塊化混凝土結構在我國地震區的推廣應用,有必要系統開展模塊化混凝土結構抗震性能與設計方法研究,重點研發新型節點連接方式,并開展減隔震技術在模塊化混凝土結構中的應用研究。

本文將介紹模塊化混凝土結構體系及典型的連接方式,綜述該結構抗震性能及與其相關的減隔震技術的國內外研究現狀,并總結相關技術標準與工程應用最新進展。最后,展望模塊化混凝土結構研究方向。

1 模塊化混凝土結構概述

模塊化混凝土結構以三維模塊為基本單元,將大量現場作業轉移至工廠,能大幅度減少現場作業。與普通預制混凝土結構相比,模塊化混凝土結構預制率更高,模塊體積更大,在吊裝、運輸和施工等方面具有自身特點。

1.1 模塊化混凝土結構分類

根據混凝土模塊參與結構受力程度,可將模塊化混凝土結構劃分為模塊完全參與受力、部分參與受力和不參與受力3類。

1.1.1模塊完全參與受力結構

該類結構為全部由模塊堆疊構成,依靠模塊自身能力抵抗水平和豎向荷載的混凝土結構,適用于多層建筑。其中,盒式結構是模塊化建筑中應用最普遍的結構體系,可分為整澆式和拼裝式2種類型,后者是指將墻板和頂板分別制作后拼裝而成的盒式結構。研究表明,拼裝式盒式結構在造型上具有靈活性但其質量較整澆式盒式結構差[5]。

1.1.2模塊部分參與受力結構

對于高層建筑僅通過模塊自身難以抵抗水平荷載,這時可使模塊與現澆框架、剪力墻或核心筒組合共同參與受力。這樣可使建筑結構選型更靈活,空間布置更合理,從而提高建筑物的結構和使用性能。

按混凝土模塊與其他受力構件的連接方式不同分為以下2類結構:一類是模塊側面作為主體結構構件(框架或剪力墻)的模板[6-7],模塊頂板作為上層疊合樓板的預制底板(見圖1)[8],在這類結構中模塊承受部分水平和豎向荷載。另一類是模塊結構堆疊后與主體框架或核心筒連接。與核心筒連接時將豎向交通設施做成核心筒,所有模塊都圍繞一個或多個核心筒排列,如圖2所示[9]?？箓攘w系主要由框架或核心筒承受,而模塊結構主要承受重力荷載和承擔部分傳力功能。因此,側隔板和模塊與核心筒間的連接應足夠堅固,以將側向荷載傳給核心筒。該結構形式存在的不足之處是核心筒與模塊化結構間的連接復雜、不易施工、現場濕作業多。

圖1 混凝土模塊及組裝

圖2 含混凝土核心筒的模塊化結構

1.1.3模塊不參與受力結構

該類結構一般采用傳統框架結構或核心筒作為主體結構,在其內部安裝非承重混凝土模塊。由于主框架或核心筒結構采用常規方法現場施工,保證了模塊化建筑的整體穩定性。

1.2 節點連接方式

節點連接對確保結構的整體性和整個模塊化結構的抗震性能起到至關重要的作用。模塊化混凝土結構的模塊間及模塊與其他受力構件通過水平連接和豎向連接形成整體。按連接方式不同,可分為干連接和濕連接。干連接是指相鄰模塊間通過螺栓、預應力、焊接等方式連接,濕連接是指相鄰模塊間通過后澆混凝土、灌漿套筒、漿錨搭接等方式完成連接。

1.2.1水平連接

水平連接是指同層模塊間的連接,有水平縫和豎向縫2種連接區,一般采用后澆混凝土方式,可通過模塊側墻充當現澆剪力墻模板(見圖3)[7],也可采用預留施工后澆帶方式[10],通常是用箍筋插銷法保證連接性能。當采用前一種方式時,結構為模塊部分參與受力的結構;后一種留置施工后澆帶的方式常見于模塊完全參與受力結構中,盒式結構模塊間采用后澆帶方式完成水平連接如圖4所示[10]。

圖3 模塊間水平連接

圖4 水平連接后澆帶

針對模塊間節點連接采用插筋方式造成的施工復雜且質量難保證問題,周圣勇等[11]提出一種基于后張預應力連接的全裝配預應力混凝土模塊結構體系,該種體系中模塊完全參與受力。對模塊接縫節點的受剪和受拉性能進行試驗研究,結果表明接縫處膠的存在提升了試件整體性,提高了試件加載初期剛度[12]。

1.2.2豎向連接

目前,豎向連接采用的連接方式有后澆[6]、灌漿套筒連接[2,7,10]、波紋管漿錨連接[13]、螺栓連接[14]、預應力連接[11]等。

后澆連接方式如圖5所示[6],為模塊與后澆剪力墻連接。模塊凹槽搭接在剪力墻牛腿上,縫隙用無收縮砂漿填充,搭接處用可壓縮泡沫和墊片做軟接觸。

圖5 上、下層模塊連接節點

上、下相鄰模塊的墻體通過套筒灌漿連接,如圖6所示[2],該種連接方式在上部構件吊裝固定后,采用高強灌漿料灌漿完成連接。與此類似的連接方式為波紋管漿錨連接,但與套筒灌漿連接不同,該種連接是搭接連接,鋼筋間需較長連接。

圖6 灌漿套筒豎向連接

螺栓連接可通過預埋與豎向受力鋼筋連接的螺栓套管,待下層模塊安裝好后,將鋼連接件放置在模塊上并與套管通過螺栓實現可靠連接,類似方法完成上層模塊與鋼連接件連接[14]。

另一類方式為焊接連接,國內早期有采用這類連接方式[5]。采用該連接方式時,需在連接部位預埋鋼板,待吊裝定位后將上下和同層盒式結構焊接成整體。

綜上所述,盡管模塊化混凝土結構已具備較多連接方式,但部分方法仍存在連接復雜、不易施工、現場濕作業多等問題。因此,還需進一步研發模塊化混凝土結構模塊間和模塊與抗側力體系間的高效連接方式,以協調各部分力和變形,維持結構整體穩定性。

2 模塊化混凝土結構抗震性能研究

針對上述結構體系(主要是完全參與和部分參與受力的結構體系)和連接方式,國內外開展了有關構件、節點和整體結構的抗震性能研究。

2.1 預制構件與節點抗震性能

預制構件與節點抗震性能研究主要包括采用結構單元現澆、波紋管漿錨連接和預應力3種連接方式的模塊或節點的抗震性能研究。

當結構單元現澆、輕質混凝土內墻作為預制模塊時,模塊化單元不僅作為永久模板,還和現澆混凝土協同工作。Chen等[15]的試驗結果表明,輕質混凝土內墻顯著影響試件抗震性能。無輕質混凝土內墻的試件在1/40位移角下失效,有輕質混凝土內墻的試件在1/60或更小位移角下失效。

張智勇[16]開展了包含1片現澆剪力墻與8片MiC(modular integrated construction,模塊化集成建筑)剪力墻在內的9片足尺剪力墻試件的低周往復試驗研究,如圖7所示。其中,MiC剪力墻試件由作為模板的預制模塊和現澆部分構成,分為單面墻模剪力墻和雙面墻模剪力墻。研究表明,試件主要發生彎剪破壞,最終墻底受壓區混凝土發生壓潰,邊緣構件縱筋斷裂,且現澆面的破壞程度與裂縫數量均超過預制面。MiC剪力墻承載力與現澆剪力墻差異≤5%,且耗能能力相當。所有試件的最大側移角范圍在1/73～1/63,均超過規范中規定彈塑性層間位移角限值1/100,這表明MiC剪力墻具有良好的變形性能和抗側移能力,滿足抗震設防地區的工程應用要求。吳志祥[17]開展了包含4片混凝土MiC短肢剪力墻和1片混凝土MiC長肢剪力墻在內的低周往復試驗,研究變量包括有無隔墻、有無隔離板及單雙面墻模。研究結果表明,墻模與剪力墻現澆主體能協同工作,墻模面的裂縫數量少于現澆面,這得益于墻模的高強混凝土和配筋對裂縫開展的有效抑制。隔墻的引入提升了剪力墻試件的承載力和整體剛度,混凝土MiC短肢剪力墻具有良好的整體性。同時,隔離板可使隔墻不參與試件受拉,對剪力墻試件的承載力、延性和剛度退化等力學性能影響較小。此外,相較于相同墻身長度但帶隔墻的MiC短肢剪力墻,MiC長肢剪力墻的各項抗震性能指標均展現出優越性。

圖7 MiC剪力墻

任慶英等[18]提出針對盒式結構的新型帶肋空心雙板剪力墻設計,并通過低周反復荷載試驗研究了5片具有不同墻肋寬度、厚度及是否布置橫向肋的剪力墻。研究表明,各種墻肋構造措施均可能有效提升試件承載力和延性,并減輕墻體損傷。其中,增加橫向肋對墻體抗震性能的提升效果最顯著。

閆清峰等[19]研究了PPVC(prefabricated prefinished volumetric construction,預制預裝修模塊化建筑)建筑連接節點的抗震性能。對2組模塊邊部拼接形成的雙拼墻連接節點和1組中部拼接形成的四拼墻連接節點進行了低周往復荷載試驗研究(見圖8),與現澆剪力墻對比研究了破壞形態、滯回性能、延性和耗能等。研究表明:當軸壓比為0.4時,雙拼墻試件的承載力提高24.27%,但延性系數僅為現澆剪力墻的58.53%;軸壓比為0.1時,雙拼墻試件的抗震性能與現澆相差不大;四拼墻試件由于存在豎向和水平2條灌漿縫,開裂速度快,整體性較差,承載力為現澆試件的80.5%。

圖8 PPVC剪力墻拼接節點

針對全裝配預應力混凝土模塊結構體系,學者進行了有限元分析和試驗研究[20]。研究表明:接縫節點可承受工程中常見的荷載作用。預應力混凝土剪力墻模塊的承載力及剛度退化、延性指標等力學性能指標滿足抗震要求。但模塊的耗能能力較差,需考慮引入耗能裝置。

由上可見,盡管預制構件和節點的抗震性能已得到一定程度的研究,但仍需對試件設計參數進行進一步豐富和拓展,如考慮增加剪力墻含邊緣約束構件的抗震性能。同時,研究剪跨比、軸壓比、配筋率等對剪力墻抗震性能的影響,并進一步研究剪力墻的平面外性能。

2.2 結構抗震性能

對于低多層模塊化混凝土結構,模塊一般完全參與受力。Xu等[10]對6層剪力墻盒式結構模型進行擬動力試驗研究,盒式結構的水平連接采用箍筋插銷連接、豎向連接采用灌漿套筒連接。研究表明,該結構能滿足設防烈度8度的設防目標要求,具有較好變形能力、延性及耗能能力。

Zhao等[14]對5層水平和豎向采用螺栓的連接模塊化剪力墻結構進行了振動臺試驗,如圖9所示。研究表明,模塊化剪力墻結構的基頻由于節點的半剛性特性較現澆模型低10.2%,動力響應與現澆結構相當。試驗中模塊化剪力墻結構的破壞模式為豎向連接的螺釘斷裂和螺母滑移。模塊化試件比現澆試件具有更好的耗能性能,相鄰混凝土模塊協同工作性能良好,水平節點在試驗過程中始終保持彈性。

圖9 模塊化混凝土結構振動臺試驗

對于高層模塊化混凝土結構,模塊一般部分參與受力,目前通過數值分析手段研究了整體結構的抗震性能。

Wang等[7]以中國香港一幢40層高的公屋大樓為個案研究對象(見圖10),建立了模擬預制混凝土剪力墻結構性能的有限元模型,進行了非線性靜力和動力分析,研究成果驗證了預制墻體和現澆墻體間通過拉筋連接的高層模塊化混凝土結構在風荷載和地震荷載作用下的可行性。

圖10 算例中結構

李紅芳等[21]以深圳龍華樟坑徑項目為對象,研究了混凝土模塊化高層結構的抗震性能。分析結果表明,考慮模殼剛度貢獻時的結構剛度較僅考慮現澆部分的結構剛度增加約10%。在大震作用下,結構的最大彈塑性層間位移角均<1/120,塔樓結構中的剪力墻基本未損傷,而大部分連梁達到重度損傷但仍能滿足性能目標要求。此外,研究還發現,標準層樓板在核心筒周邊及與其他各肢相連區域的拉應力較其他區域大,因此需對這些區域的配筋適當增強。對于弱連接樓蓋,通過合理的構造設計和配筋加強,其結構承載力能滿足要求。

莫真銘[22]對基于鋼筋混凝土巨型框架結構的模塊化結構模型進行了大震下的非線性時程分析,通過評估層間位移角、基底剪力、側向位移和材料損傷等關鍵指標,全面評價了結構的抗震性能。研究表明,該模塊化結構在各項宏觀指標上均滿足規范要求。然而,在材料損傷方面,子結構底層模塊間的連接處及巨型框架底部和與梁相交處均出現嚴重損傷,這些區域需重點關注并采取相應加強措施。

綜上所述,當前針對高層模塊化混凝土結構的研究較少,且已有研究停留在數值分析層面。因此,有必要采用振動臺試驗和混合試驗技術等試驗手段深入研究結構在真實地震作用下的響應,從而為高層模塊化混凝土結構的抗震設計和性能評估提供更可靠支撐。

3 減隔震技術在模塊化混凝土結構中的應用

傳統抗震結構利用構件的屈服消耗地震能量,易造成震后殘余變形大、修復成本高等問題。通過在模塊間布置耗能件或隔震墊,將會有效提高結構抗震性能[23]。模塊化混凝土結構模塊間或模塊與抗側力體系間通過連接維持整體性,這導致其應用于地震區時連接復雜,將減隔震技術應用于模塊化混凝土結構可減小結構地震響應,降低對連接性能的需求。

3.1 隔震技術在模塊化混凝土結構中的應用

隔震結構指在房屋基礎、底部或下部結構與上部結構間設置由疊層橡膠隔震支座等裝置組成的隔震層,以延長結構體系的自振周期,減少輸入到上部結構的地震作用,進而提升結構抗震性能。工程中主要采用的隔震裝置為疊層橡膠支座和摩擦擺。20世紀70年代,新西蘭學者研究出鉛芯橡膠支座,由此建成的隔震建筑經受住了地震考驗。自此之后,隔震技術開始得到廣泛應用。自1993年由周福霖院士在汕頭主持設計的首棟橡膠墊隔震住宅樓取得顯著效果以來,隔震結構在我國得到積極推廣。

早期研究主要是多層盒式結構的隔震,即在整澆式盒式結構中采用了一種特殊的層間滑動隔震節點[5]。在該結構體系的基礎部位和上部各層均采用了摩擦滑動隔震構造。試驗研究表明,這種隔震節點對于多層盒式結構安全可靠,能承受6層樓的設計荷載和8度地震作用,便于施工中現場安裝。張文芳等[24-25]建立了這類體系的地震反應分析理論和模型(見圖11)。研究表明,盒式結構建筑采用層間滑動隔震構造時,地震作用下結構加速度反應沿高度大致均勻分布。雖每層設置滑動隔震裝置有利于減小地震剪力,但導致每層的滑移位移及殘余位移較大。

近期,學者們通過數值模擬研究了采用疊層橡膠支座[26]和摩擦擺隔震支座[3]的模塊化混凝土結構的抗震性能。與上文所述滑動隔震裝置相比,疊層橡膠支座和摩擦擺隔震支座具有復位能力,有助于減小殘余位移。研究表明[20],隔震模塊化結構的隔震效果隨隔震層位置的上移而減小,在結構1/2高度以上樓層范圍內應盡量避免布置隔震層。轉換層處作為結構中易損傷的薄弱部位,將隔震層設置于此可更好地提高結構性能,隔震效果較基礎隔震和其他相鄰層隔震更佳。為使模塊化結構具備抗罕遇地震甚至抗極罕遇地震性能,曹寧[3]將其與一種新型組合式大位移摩擦擺隔震支座結合。數值研究表明,這類隔震結構在罕遇和極罕遇地震下表現良好;增加隔震支座后,連接構件受力顯著降低且更加平均;連接構件在極罕遇地震作用下依然保持彈性狀態。

3.2 消能減震技術在模塊化混凝土結構中的應用

減震結構是指在房屋結構中設置消能器,通過消能器的塑性變形和相對速度提供附加阻尼,以消耗輸入結構的地震能量,包括位移型(如防屈曲支撐)、速度型(如黏滯阻尼器)及調諧質量阻尼器(又稱吸振器)等。

對于模塊堆疊后與核心筒連接而成的高層模塊化結構,由于核心筒高細長特點及模塊對整體抗側剛度和阻尼的貢獻小,結構易受到風致加速度影響。Hickey等[27]比較了2種減輕高層模塊化建筑風致振動的方法,即增加核心筒尺寸和增加阻尼,并量化了利用現有振動控制技術可提高模塊化塔樓最大高度的程度。研究表明:安裝調諧液體阻尼器比增加鋼筋混凝土核心筒尺寸更有效,調諧液體阻尼器的輔助阻尼足以控制大多數原型結構的加速度。雖然該項研究主要針對風振,但對地震下結構響應的控制也有一定的借鑒作用。

莫真銘[22]研究了基于巨型框架的模塊化結構中子結構和主結構的損傷控制策略,結果表明,通過提升節點連接處的承載力,可使損傷節點數量減少 45%;引入金屬阻尼器作為耗能元件,可使模塊連接節點破壞個數降低43%;增加巨型耗能支撐能使結構的頂點位移減小13.8%,并對材料損傷情況有一定改善作用。

楊璽[28]針對模塊化高層鋼筋混凝土框架剪力墻結構體系的抗震性能進行了研究,結果表明,通過集成裝配式耗能減震部件模塊,降低了混凝土框架模塊及剪力墻的損傷。這不僅增強了結構的整體抗震性能,還提升了其快速恢復能力,確保了結構的正常使用功能。

由此可見,在混凝土模塊間布置隔震部件和消能減震可有效降低結構地震響應,減少對模塊化結構節點連接性能的需求,有助于其在地震區的應用。需指出的是,減隔震技術在模塊化混凝土結構中的應用研究尚屬起步階段,需進一步的理論和試驗研究,并在此基礎上制定相關技術標準。

4 國內外技術標準

目前,國內外已制定了有關模塊化混凝土結構的技術標準,如表1所示。繼我國香港2017年發布模塊化建筑標準后,我國近幾年也制定了多部地方標準和協會標準,總結如下。

表1 模塊化混凝土結構相關國內外技術標準

1)各國技術標準中均考慮了材料、建筑設計、結構設計、生產運輸、安裝、模塊間連接、防火、施工等內容。

2)國外技術標準對拆卸、再利用和回收等可持續性發展問題進行了說明。同時,標準中涵蓋了數字化控制和精益制造等相關內容。另外,由于確定和驗證制造誤差來源對模塊化結構至關重要,國外標準還針對設計、建造和材料的可追溯性問題給出了相關規定。

3)在模塊化抗震設計方法方面,目前僅澳大利亞和我國標準給出了相關條文。其中,國內標準對混凝土模塊化集成建筑結構體系的適用地區、最大適用高度等做了明確說明。同時,國內標準給出了模塊化裝配整體式建筑隔震和減震設計、施工檢驗、維護和驗收等方面的規定,這為減隔震技術在模塊化結構中的應用提供了技術支撐。

總體而言,目前國內模塊化混凝土結構有關標準還處于起步階段,在設計計算方法、連接方式、構造措施等方面的規定遠未完善,亟待加強。

5 工程應用

目前,國內外已建成一批模塊化混凝土結構的典型案例(見表2)。1972年,日本建成中銀艙體大樓,該建筑由位于中心的混凝土核心筒和其上安裝的140個艙體組成。澳大利亞、新加坡等國都已建成高層模塊化混凝土結構,其中新加坡的Clement Canopy塔樓是目前世界上最高的以三維盒式模塊為基本單元的模塊化混凝土建筑,如圖12所示[4]。其包含2棟40層塔樓,高140m,由近3 000個模塊垂直堆疊構成。該項目是新加坡首個采用全混凝土預制結構的PPVC體系建筑,由現澆核心筒和模塊墻共同抵抗側向荷載。由于新加坡為非抗震區,當將混凝土PPVC體系建筑用于我國時需解決其抗震性能問題,并提出匹配的抗震設計方法[8]。

表2 模塊化混凝土結構的典型應用案例

圖12 Clement Canopy塔樓和建造情形

我國自20世紀80年代開始研究盒式結構體系,形成了成套技術,并已完成多項工程項目[5]。近年,MiC建造體系得到粵港澳地區的積極推動,MiC建造已被寫入香港施政綱領。2023年深圳建成全國首個混凝土模塊化高層建筑——龍華樟坑徑,該項目由5棟99.7m的人才保障房組成,是國內首批采用混凝土模塊化集成建造體系的高層住宅類項目之一。

總體而言,模塊化建筑由于涉及大量預制模塊的工廠預制、遠距離運輸、現場吊裝和組裝等多個環節,加之國內勞動力成本較低等因素影響,導致其建造成本遠高于傳統現澆結構,這限制了模塊化建筑的應用。但隨著未來我國人口結構的變化,勞動力短缺問題會愈發突出,模塊化結構將獲得更大的應用空間。

6 結語

模塊化混凝土結構是一種以工廠預制、現場組裝的三維模塊為基本單元的混凝土結構。按模塊參與受力程度可劃分為模塊完全、部分、不參與受力3類。低多層模塊化混凝土結構多為模塊完全參與受力,而高層結構中模塊一般部分參與或不參與受力。在抗震性能研究方面,對低多層模塊化混凝土結構的研究已取得一定進展,而對高層模塊化混凝土結構抗震性能的研究則尚顯不足。目前,模塊化混凝土結構在我國的應用尚處于起步階段,缺乏相關技術標準。隨著相關研究工作的深入,模塊化混凝土結構的應用將會更廣泛。

需要指出的是,模塊化混凝土結構抗震性能與設計方面的研究尚需進一步開展,主要包括:研發模塊化混凝土結構模塊間和模塊與抗側力體系間的高效連接方式,并通過擬動力、振動臺等試驗手段研究結構的抗震性能;針對高烈度區模塊化結構混凝土研發減隔震效果良好、施工便捷的模塊化混凝土減隔震技術,從而改善結構抗震性能,較少對連接性能的需求。