裝配式整體混凝土結構抗震性能研究進展

翁月霞,周澤林

(1. 西南科技大學城市學院,四川綿陽 621000；2. 重慶大學建筑設計院西南分院,重慶 400033)

裝配式混凝土結構是由結構的全部或部分構件工廠化生產，然后通過可靠連接現場裝配而成為整體，是建筑工業化的結構形式之一，符合建筑行業的發展趨勢。裝配整體式結構即部分裝配式結構，其構件一部分在工廠中預制，另一部分則在現場澆筑形成整體，多采用后澆整體式和預應力拼接形式等，如圖1所示。與現澆混凝土結構相比，工廠化生產構件質量易保障，受氣候條件影響小，施工速度快，建設周期短，建筑垃圾少，環保節能，符合當代社會發展理念，促進建筑產業轉型升級，可用于商業建筑和民用住宅，是國內現在主要發展和應用形式。作為一種新型結構體系，裝配整體式鋼筋混凝土結構的抗震性能也受到了廣泛關注。本文結合相關研究成果，闡述裝配式混凝土結構節點連接和整體結構的抗震性能研究。同時，總結裝配式混凝土結構研究與應用中存在的問題，提出了裝配式建筑未來的研究方向和展望。

圖1 裝配整體式混凝土結構

1 裝配式混凝土結構概述

預制混凝土技術起源于英國，英國人William Henry Lascell獲得英國2151號發明專利“Improvement in the Construction of Buildings”標志著預制混凝土的起源[1]。在2151號發明專利中，Lascell提出了在結構承重骨架上安裝預制混凝土墻板的新型建筑方案，這種新型建筑方案可用于別墅和鄉村住宅。采用這種干掛預制混凝土墻板的方法可以降低住宅和別墅的造價并減少施工現場對熟練建筑工人的需求。后來Lascell還提出了采用預制混凝土制造窗框以代替傳統的木窗框的想法并進行了造價比較，他認為如果能夠批量生產，這種預制混凝土窗框將比傳統木制窗框更經濟。預制混凝土結構可以分為墻體系、框架體系和框架-墻組合體系。其中框架體系主要用于需要開敞大空間的建筑中。預制混凝土框架體系主要結構構件是預制柱、預制梁、預制樓板，而柱、梁、板的連接方式則是預制混凝土結構與現澆混凝土結構的根本區別，也是區分各類預制混凝土框架結構的主要依據，它直接決定了預制混凝土框架結構的整體力學性能。研究表明:預制混凝土墻結構在震后破壞較輕，而一些大空間的預制混凝土框架結構，如停車場等破壞較為嚴重，主要表現為各構件間連接破壞而導致結構整體離散、倒塌[2]，預制構件間的連接是預制混凝土結構體系的薄弱環節，也是預制混凝土框架結構抗震研究的重點及結構整體抗震性能研究的前提和基礎。

2 裝配式混凝土結構節點抗震性能研究

常用的預制混凝土框架節點形式有后澆整體式連接，預應力拼接，焊接連接，螺栓連接等。各種連接形式節點的力學性能差別很大，即使同一種連接形式由于具體構造不同節點力學性能也不相同。對以上幾類節點研究人員都進行了一些試驗和理論研究。

2.1 PRESSS項目節點研究

自預制裝配式混凝土結構出現以來，其抗震性能不足一直困擾著世界各國研究人員，為改善這種情況，從20世紀90年代開始，美國以及日本就開始致力于研發可用于地震區的多層預制體系結構，開展了PRESSS(預制裝配式抗震結構體系)計劃[3-5]，并率先給出了“干性連接”這一概念，并最終認識到預應力筋無粘結布置的優勢所在。這種新型連接采用預應力對預制構件進行組裝，當結構經歷外荷載尤其是地震荷載作用后，因預應力筋的回彈，減小結構殘余變形，具有恢復力強的特點[6-7]。PRESSS計劃分為4個階段，一共由22個1/3縮尺的中節點的試驗項目組成。試驗中對所有試件的柱端施加低周往復荷載，同時在柱頂施加恒定軸力值[8-9]。其中有關框架節點的研究主要有以下內容：

(1)明尼蘇達大學的非線性彈性連接和拉壓屈服連接研究[10]。該研究項目的非線性彈性連接節點為柱連續，梁在柱兩側用無粘結預應力筋拼接，該節點在層間變形2 %以內預應力筋保持彈性，在大變形時強度損失很小，殘余變形也很小拉壓屈服連接節點采用柱連續，梁內縱筋穿過柱內預埋波紋管并灌漿，該節點變形較大，強度和剛度有較大衰減，但耗能較好。

(2)德克薩斯大學的非線性彈性連接和庫侖摩擦連接研究。該研究項目的非線性彈性連接節點為梁連續并沿梁長施加無粘結預應力，柱在梁上下面拼接，該節點在層間變形2 %以內表現出低殘余變形，低耗能和高殘余剛度的特性，層間變形超過2 %以后耗能有所增加庫侖摩擦連接節點采用柱連續，梁底面與柱鉸接，梁頂面通過特制的摩擦片與柱連接，節點變形時摩擦片可以滑動以耗散能量，該節點的特點是耗能很大。

(3)加利福尼亞大學的預應力拼接節點研究。1993年Priestley[11]對部分粘結預應力拼接節點進行了理論分析，他指出由于預應力筋在節點和節點兩邊一定范圍內不與混凝土發生粘結，因此在節點產生較大變形時預應力筋仍可保持彈性。這種節點在大變形后強度和剛度的衰減及殘余變形都較小，節點復原能力強，由于預應力的夾持作用，對節點區抗剪也有利，可以減少節點區箍筋用量。1996年進行了八個無粘結預應力梁柱節點的低周反復加載試驗。節點最大層間變形可達2.8 %～4 %，殘余變形約為最大層間變形的2.2 %；大變形時，由于梁柱界面處混凝土的塑性發展使節點剛度有所下降，但節點只有輕微損壞。與現澆混凝土節點相比，預制混凝土無粘結預應力拼接節點耗能較小，損傷、強度損失和殘余變形也較小。根據試驗結果，給出了預制混凝土無粘結預應力框架節點考慮殘余變形和不考慮殘余變形的兩種滯回模型，為這類結構的整體分析提供了依據[12]。同一時期，日本采用了“壓著工法”建成了一批預應力預制框架結構，這種工藝是將預應力筋從節點穿過，從而在節點區域產生預壓力，達到了顯著提高預制結構的節點受力性能的效果[13]。

2.2 后澆整體式節點研究

1995年，新西蘭的進行了6個后澆整體式預制混凝土框架節點的反復加載試驗研究[14]。這些試件按照新西蘭高烈度地區常用的預制混凝土框架節點設計制作，預制構件端部伸出直筋或帶彎鉤鋼筋在節點區搭接錨固。試驗表明六個節點的具體構造差別對試件整體反應影響不大盡管后澆混凝土由于泌水和骨料沉降造成節點區上部混凝土質量不佳，但六個試件在強度、耗能和延性等方面都表現良好，層間側移都達到2.4 %以上，位移延性系數達到6以上各節點抗震性能達到或超過相應的現澆節點。根據試驗和分析Restrepo給出了這類預制節點的設計方法，并對具體構造提出了建議。

1995年，澳大利亞的Loo[15]采用反復加載試驗對18個1/2縮尺框架節點進行了試驗研究。這些節點按照澳大利亞規范要求設計，分為六組，每組均包括一個帶牛腿的后澆整體節點、一個不帶牛腿的后澆整體節點和一個現澆節點。所有試件尺寸相同，六組節點間的參數變化包括混凝土強度、鋼筋強度和配筋率。試驗結果表明后澆整體節點的強度、延性和耗能均好于現澆節點，而無牛腿預制節點的延性和耗能又好于帶牛腿的預制節點。

2002年，Alcocer[16]進行了一個平面框架節點和一個空間框架節點的反復加載試驗。節點區內構件端部鋼筋搭接，對空間框架節點進行了雙向加載。試驗表明節點強度約為對應現澆節點的80 %～90 %，試件變形達到3.5 %時承載力沒有下降。

2.3 預應力拼接節點研究

1993年，Cheok[17-18]完成了美國標準化技術協會(National Institute of Standards and Technology)負責的一項預制混凝土梁柱節點抗震研究項目。Cheok共完成了10個預制節點和4個現澆節點的試驗研究。預制節點全部采用預應力拼接，并在構件拼接界面填充纖維砂漿。10個預制節點的參數變化包括預應力筋位置，預應力筋種類，粘結和非粘結等因素。試件均為1/3縮尺模型，采用位移控制的反復加載試驗。試驗結果表明預應力節點破壞特征為預應力筋屈服，梁端混凝土壓碎，梁柱拼接界面開裂，界面開裂寬度與預應力筋種類和粘結或非粘結關系不大，但預應力筋位置對裂縫寬度有較大影響。多數情況下，預應力節點的位移延性系數(非粘結預應力節點可達到14)超過對應的現澆節點(延性系數為6)。在一次加載循環內，預應力節點的耗能大約相當于現澆節點的30 %～60 %，由于預應力節點具有更高的延性，達到破壞時的累計耗能大約相當于現澆節點的80 %～100 %，有粘結預應力節點耗能好于無粘結預應力節點。

近年來我國柳炳康[19]、董挺峰[20]等也對預應力拼接的預制混凝土框架節點進行了一些抗震試驗研究。

2.4 其他形式節點研究

土耳其的Ertas[21]進行了5個預制混凝土梁柱節點的低周反復加載試驗研究。這5個節點包括1個現澆節點、2個后澆整體節點，1個帶牛腿的焊接節點和1個螺栓連接節點。試驗表明這些預制混凝土節點與現澆節點都表現出良好的抗震性能，除焊接節點外，其它節點均達到3.5 %的層間位移，而螺栓連接節點在強度、延性、耗能和方便施工等方面表現出更大的優勢。

Ersoy[22]研究了框架梁跨中焊接連接節點的抗震性能。Ersoy在框架梁跨中的連接中采用頂板、底板和側板的焊接連接方法。這種連接方式剛度大，施工快捷，Ersoy進行了5個焊接節點和2個現澆節點的對比試驗。結果表明:焊接節點的強度、剛度、耗能都與現澆節點相當;連接側板對該焊接節點具有重要意義，沒有側板的節點承載能力將會大大下降，變形也會顯著增加。

Korkmaz等人[23]對預制鋼筋混凝土節點進行往復荷載試驗研究其抗震性能。結果表明改進后的預制鋼筋混凝土節點表現出較好的抗震性能。

文獻[24-26]對裝配整體式混凝土框架結構抗震性能展開研究，通過試驗對比研究裝配整體式框架節點和現澆混凝土框架節點。試驗結果表明兩類節點均在梁端塑性鉸區域發生破壞，滯回曲線較為飽滿，節點耗能能力接近，滯回特性和剛度退化變化規律一致。裝配整體式框架結構節點的綜合抗震性能可達到與現澆混凝土結構等同的程度。

于建兵等人[27]對4個新型裝配整體式框架結構梁柱節點以及現澆混凝土梁柱節點進行低周反復加載試驗，結果表明在節點核心區設置附加鋼筋，梁端塑性鉸外移。裝配整體式框架節點滯回曲線較為飽滿，說明該新型節點具有較好的耗能能力，能夠滿足抗震規范要求的“強柱弱梁，強節點弱構件”要求。

吳江傳等人[28]通過對新型裝配整體式框架梁柱節點的試驗，深入研究了該節點的破壞形態、滯回曲線和骨架曲線等抗震性能。試驗結果表明該節點抗震性能與整體現澆節點大致相同。

呂西林等人[29]通過擬動力試驗研究了預制裝配式混凝土框架結構的抗震性能，該框架結構梁柱節點和梁板節點分別采用螺栓連接和焊接連接。該試驗結果表明采用螺栓連接梁柱節點的框架在試驗中表現良好，即使層間位移角達到了1/25時，結構仍能夠繼續承載，抗倒塌能力和耗能能力較好，具有良好的抗震性能。而采用焊接連接的梁板節點，在實驗中表現則稍差，柱底彎曲破壞嚴重。

2.5 節點的延性和耗能改進方案

1994年，Nakaki[30]提出了一種帶延性連接器的預制混凝土梁柱節點。在預制柱內預埋高延性的合金連桿，預制梁通過螺栓、連接塊與合金連桿相連，見圖2，地震作用下合金連桿發生塑性變形，從而避免其它構件的損壞，同時利用合金連桿的低屈服、高延性和高耗能改善梁柱節點的抗震性能。Englekirk[31]介紹了在UCSD進行的2/3縮尺模型的延性連接節點的反復加載試驗，試驗驗證了這種節點良好的抗震性能，在層間變形達到3.5 %的情況下，節點仍無明顯破壞。1996年，Englekirk[32]將延性連結器用于洛杉磯的一個四層預制混凝土框架結構停車場Wiltern Center Parking，工程實踐證明這種延性連接器施工方便，效果良好。

圖2 延性連接器節點示意

Morgen[33]針對無粘結預應力拼接框架節點耗能較差的特點，提出了在框架節點安裝摩擦阻尼器的改進方案，見圖3。Morgen的研究表明:這種改進節點由于附加了摩擦阻尼器具有很好的耗能能力，同時由于預應力作用又具有很好的復原能力，節點殘余變形很小。Morgen還給出了這種改進節點的阻尼器和預應力筋的設計方法。

圖3 帶摩擦阻尼的預制混凝土框架

張季超等人[34]提出采用新型預制裝配整體式結構構造技術。該結構技術包括疊合梁板技術以及新型節點構造技術等，可以極大地提高預制裝配整體式結構的抗震性能，推動裝配整體式結構的發展，加快實現住宅產業化的進程。

2014年，Hossein Parastesh[35]提出了一種適用于高烈度區的延性抗彎節點。試驗表明:節點核心區的對角鋼筋可以延緩節點區域對角裂紋的發展，節點核心區的剪切裂縫較少，可以防止結構在強震作用下發生脆性破壞。加載位移相同時，預制節點的耗能能力要比現澆節點高30 %左右，因此該節點構造形式可適用于地震設防區域的預制混凝土框架結構中。同年，Lee Dong-Joo等[36]提出了一種采用螺栓連接的預制預應力梁柱節點，結果表明:螺栓連接預制節點的滯回曲線表現出明顯的“攏捏”特征，與現澆節點相比，該類型節點的耗能能力較弱，但在側移方面表現出優異。同時節點預應力筋的設置可有效減小殘余變形，也有助于控制節點裂縫產生發展，從而整體提升預制節點抗震性能。

3 裝配式混凝土結構整體抗震性能研究

PRESSS項目第三階段進行了一些預制混凝土框架結構抗震性能研究。主要的研究工作有:加利福尼亞大學1999年進行的五層預制混凝土結構擬動力試驗研究[37]。該結構采用3/5縮尺模型，一個方向為預制框架體系，另一個方向為預制框架一墻體系，如圖4所示?？蚣芄濣c采用了預應力拼接節點和普通后澆節點。結構按照UBC規范4類地震區地震強度，用基于位移的方法進行設計。試驗時，最大地震強度超過UBC規范4類地震區地震強度的50 %。試驗表明該結構具有良好的抗震性能:在框架一墻方向，最大層間位移達到1.8 %，殘余變形僅為0.06 %，預應力對減小結構殘余變形有很大幫助，試驗結束后只有墻、柱底部和少量樓板出現輕微破壞;在框架方向，最大層間位移達到4.5 %，但結構沒有明顯的強度損失，盡管普通后澆節點耗能大于預應力節點，但強度損失、殘余變形和損壞程度也大于預應力節點。試驗同時驗證了基于位移設計方法的可靠性[38]。

圖4 PRESSS項目五層預制框架試驗試驗模型示意

1995年，Sucuoglu H[39]對現澆結構和預制裝配式結構進行分析，通過計算兩種結構的地震反應，得出以下結論：在地震作用下，兩者雖然連接形式不同，但是荷載反應基本沒有區別，且進一步的試驗分析證明，若兩種結構均滿足“強柱弱梁”要求，地震反應將更為接近。

伊利諾斯大學1996年進行的預制混凝土框架結構振動臺試驗研究[40]。試驗設計制作了兩個6層預制混凝土框架縮尺模型，第一個模型節點為柱連續，梁用螺栓在柱兩側拼接，螺栓在地震作用下屈服;第二個模型節點為柱連續，梁用預應力筋拼接。這兩種節點分別代表了拉壓屈服連接和非線性彈性連接。試驗結果表明:小幅地震作用下，結構呈彈性狀態，表現與現澆結構相同;在大幅地震作用下，第一個模型節點螺栓屈服，破壞集中在連接螺栓，預制柱、梁沒有開裂，第二個結構直到預應力筋屈服前一直保持彈性，損壞主要是梁端混凝土壓碎。

2004年，歐盟發起了“Seismic Behavior of Precast Concrete Structures with Respect Eurocode 8”項目，在ELSA實驗室做了許多關于裝配式預制混凝土框架結構的抗震性能研究[41]。該項目通過對預制裝配式框架進行擬動力試驗研究其整體抗震性能。結果表明這些試驗的預制框架抗震性能良好，最大層間位移達到8 %。在與現澆框架對比試驗中，預制框架較現澆框架自振周期略大，變形較大，延性較小，但兩者具有大致相當的抗震能力。

Blandon等人[42]采用了1/2縮尺模型的兩層預制混凝土框架結構，然后對其進行反復加載試驗和數值模擬分析，結果表明如若梁下部在節點內的直段鋼筋錨固長度小于8d，則梁下部縱筋會產生滑移，受此影響其連續性得不到保證。

Kim[43]浦有限元軟件分析了裝配式混凝土框架結構，該結構的連接方式采用的是無粘結預應力筋和非預應力筋混合連接，通過對該框架彈塑性靜力分析和動力分析來研究其抗震性能，并進一步給出了該連接方式設計方法以及由此提出的建議。

張銳[44]對裝配整體式混凝土框架結構進行低周往復加載試驗與有限元模擬分析。結果表明傳統裝配整體式混凝土框架試件與新型延性構造裝配整體式框架試件都有穩定的滯回性能和良好的延性。在大震作用下具有良好的耗能能力，能夠滿足于地震設防區應用的要求。且裝配整體式混凝土框架結構基本周期和最大層間位移角大于現澆結構，節點時程的最大樓層位移和層間剪力略小于現澆結構，總體而言該裝配整體式混凝土框架結構表現出近似現澆結構的整體抗震性能。

2005年Blandon[45]進行的1/2縮尺兩層預制混凝土框架結構的反復加載試驗研究。試件節點為后澆整體式，按照墨西哥的做法，梁下部帶彎鉤鋼筋在節點內直段錨固長度只有8d，通過節點內的水平箍筋保持連續，在試驗過程中梁下部鋼筋出現了滑移、拔出，直到試件接近破壞時才出現屈服。Blandon采用壓桿—索模型分析了梁柱節點區的受力性能，證明這種構造做法無法保證梁下部縱筋的連續性，在抗震框架中應予以避免。Blandon還研究了預制柱插入預制杯口基礎并灌漿的柱一基礎節點的性能，試驗和分析表明這種節點工作性能良好，可以在地震區使用。在國內，薛偉辰等人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[46]。

4 裝配式混凝土結構抗震規范發展

1994年NEHRP (National Earthquake Hazards Reduction Program)[47]規范出現以前，美國地震高烈度區建造預制混凝土結構必需遵循ACI318規范的規定，即“在地震區采用的預制混凝土結構必需經試驗和分析證明具有等同于或高于相應現澆混凝土結構的強度和延性的性能”。這條規定顯然忽略了預制混凝土結構自身的特點，而且也是含糊和難以統一的。1994年出版的NEHRP規范第一次給出了有關預制混凝土結構抗震的具體規定。1994版的NEHRP規范規定了兩種預制混凝土抗側力體系，一種是采用濕節點的等效現澆體系(Monolithic Emulation )，另一種是采用干節點的裝配式預制體系(Jointed Precast)。濕節點是指采用ACI318規定的后澆混凝土或灌漿方法將預制構件連接成整體;干節點是指不需要現澆和灌漿濕作業的預制構件連接方式。NEHRP規范附錄內提供了裝配式預制體系的設計方法，但只是初步嘗試性的，因為當時對裝配預制體系的認識和研究還十分有限。UBC97以94版NEHRP為基礎發展了預制混凝土抗震規定，UBC97將等效現澆體系的連接分為濕節點和強節點，采用濕節點的預制結構應遵循現澆混凝土結構的相關規定，強節點則要求在地震作用下預制構件進入塑性后節點仍保持彈性。2000版的NEHRP規范擴充發展了預制混凝土結構抗震規定。

5 結論

(1)目前預制混凝土結構節點的研究主要研究各種不同梁柱連接形式的抗震性能，對考慮預制梁、 柱、樓板的節點整體性能方面尚需進一步研究。

(2)已有的研究主要針對構件尺寸較小、荷載水平較低的預制構件、節點及框架，而對構件尺寸較大、荷載水平較高的高層裝配混凝土結構研究較少。

(3)目前裝配混凝土結構的抗震性能主要是從構件連接層次來進行研究，從結構層次上的研究較少，主要通過在預制裝配結構中布置減震裝置來實現，但其造價昂貴，難以在普通住宅中應用;在廣大城鎮建筑中，由于缺乏大型吊裝機械，預制構件只有實現小型化經濟化，才能更好地推廣裝配結構的應用。

(4)在地震區應用裝配結構時，為確保結構抗震能力滿足需求，需引入技術創新，探索新型裝配式結構體系，充分發揮裝配結構體系的優點，從自身結構上進一步提高預制裝配混凝土結構的抗震性能。

(5)新的高強材料的開發和施工技術的創新，必然帶來高強材料在裝配結構中的應用，研究高強材料與裝配混凝土結構的結合，分析其連接、抗震性能，完善相應的設計方法是需要研究的問題。

雖然國內相關研究機構正在構建預制混凝土結構規范修訂建議和框架，但新型裝配結構體系是更重要的發展方向，尤其是對高烈度地震區的普通住宅結構及周邊城鎮和農村建筑，更需發展新型的經濟型住宅結構體系，需對其抗震性能進行研究，并建立相應的分析計算方法，通過合理的方法來評價結構性能，進行合理設計和采取相應保護措施，提高建筑結構或構件自身的抗倒塌性能，從而獲取良好的社會經濟效益。裝配式混凝土框架結構建筑可以節約社會資源及能源，在建造過程中實現低能耗及低排放，減少建筑垃圾對周邊環境的不良影響，實現“四節一環?！钡陌l展要求，從而促進我國建筑業及相關產業的發展。