試論預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用及發(fā)展前景

　　預(yù)制裝配式建筑，根據(jù)其裝配化的程度可分為全裝配式和半裝配式兩種。全裝配式是全部構(gòu)件的生產(chǎn)與機(jī)械制造廠一樣，在工廠內(nèi)成批生產(chǎn)，然后再到現(xiàn)場裝配。半裝配式是把主要承重構(gòu)件的一部分交工廠預(yù)制，另一部分在現(xiàn)場澆筑。

　　預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)的抗震問題是人們十分關(guān)注的地方。在歷史的地震災(zāi)害中，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)都曾遭受過不同程度的破壞。1988年前蘇聯(lián)阿美尼亞地震中裝配式混凝土結(jié)構(gòu)遭受了極為嚴(yán)重的破壞。在土耳其1999年8月17日的Adapazari地震（里氏7.4級）和同年11月12日的Duzce地震（里氏7.2級）中，預(yù)制裝配式建筑都遭到不同程度的失效或損壞，包括結(jié)構(gòu)的整體性倒塌和構(gòu)件的局部損壞（有柱中部及節(jié)點(diǎn)的失效等）。據(jù)統(tǒng)計，1999年的Kocaeli地震后，在調(diào)查的481棟預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)中，有14棟受部分破壞，17棟遭嚴(yán)重破壞。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，在單層預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)采用銷栓連接的大部分房屋都已損壞。對1994年Nothridge等地震的震害調(diào)查表明：預(yù)制混凝土墻結(jié)構(gòu)在震后破壞較輕,而一些大空間的預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)破壞較嚴(yán)重,主要表現(xiàn)為因各構(gòu)件間的連接破壞而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體離散、倒塌。

　　在2003年歐盟發(fā)起的“Seismic Behavior of Precast Concrete Structures with Respect to Eurocode 8”預(yù)制混凝土抗震研究項目中，同濟(jì)大學(xué)課題組進(jìn)行了現(xiàn)澆混凝土節(jié)點(diǎn)、后澆混凝土節(jié)點(diǎn)、鋼纖維混凝土后澆節(jié)點(diǎn)和橡膠片螺栓連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能對比試驗。試驗表明：后澆整體節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)具有相同的抗震能力；鋼纖維混凝土對減少節(jié)點(diǎn)區(qū)箍筋用量有益,但對節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度、延性和耗能的提高作用不明顯；橡膠片螺栓連接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)和后澆節(jié)點(diǎn)存在明顯的差異,呈非線性彈性特點(diǎn),彈性變形范圍大、耗能少。該課題組還通過采用端部帶轉(zhuǎn)動彈簧的梁單元模型，研究了柔性節(jié)點(diǎn)預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)的動力特性和地震作用下的動力反應(yīng)規(guī)律。1995年，新西蘭的Restrepo進(jìn)行了6個后澆整體式預(yù)制混凝土框架節(jié)點(diǎn)的反復(fù)加載試驗研究，發(fā)現(xiàn)這些節(jié)點(diǎn)的抗震性能達(dá)到或超過相應(yīng)的現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)。1995年，澳大利亞的Loo進(jìn)行了18個梁柱節(jié)點(diǎn)反復(fù)加載試驗研究，試驗表明:后澆整體節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、延性和耗能均好于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn),而無牛腿節(jié)點(diǎn)的延性和耗能又好于帶牛腿的節(jié)點(diǎn)。2004年，西悉尼大學(xué)的Mary Hardie等人采用了新型組合連接方式將空心預(yù)制板與鋼的連接應(yīng)用于一大型運(yùn)動場館，并取得了很好的效果。2005年，土耳其的Hasan Husnu Korkmaza針對1999年Marmara地震震害情況，試驗研究了預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載作用下采用焊接板連接的梁梁節(jié)點(diǎn)的抗震性能。

　　近些年來，國內(nèi)學(xué)者對預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的抗震性能也進(jìn)行了不少研究。2005年，李忠獻(xiàn)等通過對2組、每組2個足尺寸節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行了低周反復(fù)循環(huán)荷載作用下裝配整體式鋼骨混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗研究。2005年，柳炳康通過兩榀預(yù)壓裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土框架梁柱組合體在低周反復(fù)荷載下的試驗，探討了全預(yù)應(yīng)力配筋截面的滯回性能、耗能能力和變形恢復(fù)能力。2006年，程文穰等通過現(xiàn)澆框架和預(yù)制混凝土框架的擬靜力對比試驗研究，發(fā)現(xiàn)兩者的受力性能是基本相似的，同時也說明了齒槽連接方式有很好的抗震性能。2006年，李振寶等通過6個混合連接裝配式混凝土框架內(nèi)節(jié)點(diǎn)試件在低周反復(fù)荷載下的加載試驗，對其破壞形態(tài)、滯回特性、變形恢復(fù)能力、位移延性、能量耗散等進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，混合連接裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)的耗能能力與整體現(xiàn)澆混凝土節(jié)點(diǎn)相當(dāng)，而其延性和變形恢復(fù)能力則優(yōu)于整體現(xiàn)澆混凝土節(jié)點(diǎn)，其綜合抗震性能優(yōu)于整體現(xiàn)澆混凝土節(jié)點(diǎn)。

　　國內(nèi)外不僅對預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)抗震性能進(jìn)行了研究，而且對整體抗震性能也進(jìn)行了不少的研究。1996年，伊利諾斯大學(xué)進(jìn)行了預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)的振動臺試驗，研究了2個縮尺6層預(yù)制混凝土框架模型在大小震幅下的抗震性能。1997年，美國華盛頓大學(xué)的John Stanton等進(jìn)行了混合配筋預(yù)制混凝土框架的整體性能試驗，結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)的整體抗震性能比現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的還要好。1999年，加州大學(xué)圣地亞哥分校的Charles Lee Powell結(jié)構(gòu)試驗室,進(jìn)行了一個5層預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)體系在強(qiáng)震作用下的抗震性能試驗，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。試驗發(fā)現(xiàn)預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，同時表明在高烈度地震區(qū)采用預(yù)制混凝土框架、剪力墻結(jié)構(gòu)體系是可行的。在國內(nèi)，2004年同濟(jì)大學(xué)的預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)試驗研究組進(jìn)行了3個預(yù)制混 凝土框架結(jié)構(gòu)的擬動力試驗研究,包括2個單榀框架和1個鋪板的三榀框架,梁柱采用了橡膠墊螺栓連接節(jié)點(diǎn)，試驗表明: 此類預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能;橡膠墊螺栓連接節(jié)點(diǎn)抗震性能良好;而采用焊接的板梁連接節(jié)點(diǎn)在試驗中破壞嚴(yán)重,是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

　　為了更好地保護(hù)結(jié)構(gòu)自身的完好性，我們還可以在預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的一些合適位置安裝消能元件來達(dá)到消耗一部分地震能量的目的。據(jù)記載，1988年前蘇聯(lián)阿美尼亞地震中裝配式混凝土結(jié)構(gòu)遭受了極為嚴(yán)重的破壞，而由Rockwin Corporation設(shè)計建造的公司大樓(裝配式框架)，在Whittier地震期間經(jīng)受了大約6―10倍于按規(guī)范計算的地震作用，卻無明顯的結(jié)構(gòu)破壞發(fā)生。對于這方面的探索，少部分國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行過有益的研究。20世紀(jì)90年代，加拿大在預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)中采用摩擦耗能的技術(shù)就比較領(lǐng)先，并成功應(yīng)用于Concordia大學(xué)的圖書館大樓中。加拿大的A.S.Pall把有限滑移螺栓連接街頭應(yīng)用于裝配式混凝土大型墻板結(jié)構(gòu)的豎向連接縫中，并與無豎向接縫的單獨(dú)墻體（滑移荷載值為零）、強(qiáng)彈性接頭墻體（滑移荷載值較大，滑移值很低甚至可忽略）二者作了對比研究。1998年，林宗凡通過在節(jié)點(diǎn)區(qū)設(shè)置摩擦滑移裝置來減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，提高了結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。2005年，Morgen針對無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力框架節(jié)點(diǎn)耗能較差的特點(diǎn),提出了在框架節(jié)點(diǎn)安裝摩擦阻尼器的改進(jìn)方案。研究表明：這種節(jié)點(diǎn)由于附加了摩擦阻尼器,具有很好的耗能能力,同時由于預(yù)應(yīng)力作用又具有很好的復(fù)原能力，節(jié)點(diǎn)殘余變形很小。2007年，翁大根在層間采用粘滯阻尼器對多層裝配式框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加固，通過試驗研究表明該加固可以取得很好的抗震效果。僅有的這些研究畢竟是不夠的，我們應(yīng)該積極投身到預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)消能減震的研究隊伍中來，不斷研究和開發(fā)預(yù)制混凝土裝配式建筑新的消能減震技術(shù)，為我國的防震減災(zāi)事業(yè)推波助瀾。