预制混凝土建筑结构体系研究与应用探析

（中铁四局集团有限公司，安徽 合肥 230031）

0 前言

装配式建筑是现代建筑工业化生产方式的主流代表，从广义角度可分为装配式结构和装配式装修。装配式结构体系主要包括预制装配式混凝土结构、装配式钢结构和装配式木结构等，目前，预制装配式混凝土结构是应用规模最大、最广泛的一种结构体系。本文将对预制混凝土框架结构体系和剪力墙结构体系等两种预制混凝土结构体系中常用节点连接和相关研究应用进行阐述和总结，为今后我国装配式混凝土结构的发展提供参考。

1 预制混凝土框架结构体系

预制混凝土框架结构体系的传力途径：楼板→次梁→主梁→柱→基础→地基。在结构抗震设计中，“强柱弱梁、强剪弱弯、节点更强”是最重要的设计理念，所以在预制混凝土框架结构体系中，梁柱节点连接构造是最重要的研究方向之一。按照梁柱节点连接构造，可将预制混凝土框架结构分为两类：装配整体式混凝土框架结构体系和装配式混凝土框架结构体系。其中装配整体式混凝土框架结构体系多采用预制结合现浇的湿法连接方式，装配式混凝土框架结构体系多采用预应力筋、螺栓或焊接的干法连接方式。

在节点核心区采取现浇混凝土的方式完成梁柱节点连接，这是装配整体式混凝土框架结构体系的主要特点。目前，应用较为广泛的主要有“现浇柱+叠合梁”体系和“预制柱+叠合梁”体系。装配式混凝土框架结构体系主要特点是采用预应力筋、螺栓、焊接等干式连接方式形成结构整体。其中焊接连接构造因其施工质量难以保证、工效低等工艺缺陷，工程应用越来越少，而预应力筋连接和螺栓连接体系的应用较为常见。

湿法连接和干法连接的性能存在一定的差异，其中干法连接施工便捷，能够保证刚度和承载力要求，但延性和恢复性能较差，湿法连接整体性较好，抗震性能优越于干法连接，但节点核心区连接较为复杂，浇筑质量难保证。下文主要对湿法连接的结构体系进行阐述。

1.1 “现浇柱+叠合梁”框架结构体系

“现浇柱+叠合梁”结构体系主要的构造特点是框架梁采用叠合梁构造，通过现浇柱及梁柱节点核心区形成结构体系。根据国内外几次大地震（1976年唐山大地震、1988年的亚美尼亚地震和1999年的土耳其地震）的震害调查表明：地震中预制结构有大量的梁柱节点核心区遭受破坏，所以梁柱节点的构造连接对预制混凝土的抗震性能影响较大。目前该体系节点连接构造主要有两种形式，如图1所示。节点连接构造二相对构造一，可以使预制梁避开最不利位置，即负弯矩和剪力最大截面，但现场湿作业量和模板支撑数量增大。

该体系框架节点的施工顺序：①预制梁端架设支撑架；②预制楼板置于梁上，下部设置支撑架体；③绑扎柱中钢筋；④绑扎板、梁现浇层钢筋；⑤模板支设；⑥浇筑混凝土。

图1 “传统现浇柱+叠合梁”节点连接示意图

2008年薛伟辰等人对节点连接构造二的现浇柱+叠合梁体系进行了节点抗震性能试验研究，结果表明：现浇柱叠合梁框架节点的安全性可以满足设计要求。2009年薛伟辰等人对节点连接构造一的框架节点足尺模型以及框架结构大尺度模型进行了抗震性能试验研究，结果表明：该体系刚度、承载力、延性与耗能等抗震性能指标与现浇混凝土框架结构体系相近。

1.2 “预制柱+叠合梁”框架结构体系

“预制柱+叠合梁”结构体系是在“现浇柱+叠合梁”体系基础上，将现浇柱设计为预制形式，其梁柱节点构造可分为整浇节点、部分现浇节点和牛腿连接节点等。预制柱可采用多层柱构造或单层柱构造。目前，对于预制柱节点连接有多种方式，包括法国世构体系、台湾润泰体系、榫式接头连接、浆锚接头连接、套筒灌浆连接、螺栓连接等多种形式。

图2 世构体系节点连接示意图

图3 润泰体系节点连接示意图

图4 榫式接头连接示意图

图5 浆锚接头连接示意图

图6 套筒灌浆连接示意图

法国世构体系（图2所示）和台湾润泰体系（图3所示）在建筑上应用已有多年历史，技术相对成熟，相关学者对两种体系也开展了一系列试验研究，结果表明：可靠连接的“预制柱—叠合梁”体系具有与现浇混凝土框架结构体系相近的抗震性能。

榫式接头连接构造特点是使用榫头混凝土承受荷载，在上、下柱安装并固定后，对外漏的受力主筋采取剖口焊接连接并设置一定数量的箍筋，支设模板浇筑混凝土节点处，待后浇混凝土达到设计强度后，再施工上部结构，如图4所示。

浆锚接头连接的构造特点是在预制柱底部预留孔径为锚固钢筋直径2.5～4倍的浆锚孔，将下层预制柱主筋深入浆锚孔内，注射高性能灌浆料完成搭接连接，如图5所示。ZHENG L X等对10个预制钢筋混凝土浆锚插筋连接预制柱开展抗震性能试验，结果表明：浆锚插筋连接节点是一种可靠的连接方式，可供实际工程借鉴。

套筒灌浆连接的构造特点是通过内腔为凹凸表面的套筒将上、下柱的主筋对接，然后注射高强灌浆料完成钢筋连接，如图6所示。对于预制柱套筒灌浆连接，相关学者 YONG-MOOK KIM、刘阳等进行了抗震性能研究，结果表明：套筒灌浆连接预制柱的承载力与延性耗能方面与现浇柱相当。

螺栓连接的构造特点是通过预埋螺栓系统，将上、下柱连接起来，后浇节点核心区浇筑混凝土完成连接，如图7所示，这种构造体系系统施工效率高且质量可靠。代领杰等对这种节点构造进行了试验研究，结果表明：与现浇混凝土框架节点的承载能力相当，可以为其在抗震设防地区的应用提供借鉴。

图7 螺栓连接示意图

2 预制混凝土剪力墙结构体系

预制混凝土剪力墙结构体系按照墙体的构造不同，基本可分为三类：预制实心剪力墙体系、叠合式剪力墙体系和预制夹心保温剪力墙体系。

2.1 预制实心剪力墙结构体系

预制实心剪力墙结构体系特点是设置水平和竖向接缝，在接缝位置采取有效的钢筋连接方式，将实心剪力墙连接形成整体。其中水平接缝的处理是剪力墙受力性能的影响关键因素之一，也是主要的研究方向。目前，关于水平接缝的常用连接构造，主要有灌浆套筒连接、浆锚搭接连接、螺栓连接、挤压套筒连接和环形箍筋互锚连接等方式。目前在工程应用最广泛的连接方式主要有灌浆套筒连接和浆锚搭接连接。

灌浆套筒连接常用的方式有单排构造连接（图8a所示）和双排构造连接（图8b所示）两种。其中单排构造连接方式是同济大学和清华大学课题组提出，并进行了试验研究，结果表明：灌浆套筒单排构造连接方式具有与现浇剪力墙相近的抗震性能。双排构造连接国内外已开展了一系列抗震性能试验研究，结果表明：灌浆套筒双排构造连接能够有效传递竖向钢筋的应力，其刚度和耗能能力与现浇墙试件相当。

图8 灌浆套筒连接示意图

浆锚搭接连接在预制墙体底部钢筋位置设置预留孔洞，与竖向钢筋一一对应，在预留孔洞位置埋设波纹管形成约束空间，待下部钢筋插入后，从下部注浆孔注射高性能灌浆料连接整体。在外墙处，水平缝设计呈“Z”字形，加强结构防水。陈云钢等对浆锚搭接连接构造的足尺试件进行低周反复荷载试验，研究结果表明：浆锚搭接连接内墙试件与现浇试件基本相同，而外墙试件较现浇试件初期刚度有所降低，水平拼缝上移后，承载能力有所提高。

图9 浆锚搭接连接构造示意图

对于竖向施工缝一般采用现浇方式连接，在预制剪力墙水平方向端部预留直线型开口钢筋，并附加矩形箍筋和竖向钢筋，而后浇筑高一个等级的微膨胀混凝土完成连接。附加竖向钢筋和矩形箍一起可起到竖向暗柱的作用，加大结构刚度，如图10所示。

图10 实心剪力墙竖向施工缝连接构造示意图

2.2 叠合式剪力墙结构体系

叠合式剪力墙结构体系的特点是采用双皮墙构造形式，下层剪力墙竖向主筋插入空腔内或在底部设置环筋扣合锚接，通过后浇叠合层形成整体，如图11所示。目前，该体系在日本和我国均有成熟的应用。已有研究表明：叠合式剪力墙结构体系具有良好的整体性和抗震性能，但竖向连接钢筋位于叠合层内部，会导致水平接缝位置截面有效高度降低，所以在设计时应注重连接区域的受力性能。此外，清华大学、北京工业大学与北京市建筑设计研究院联合研发一种在连接区域内预留圆孔的构造形式，研究结果表明：该体系具有与现浇剪力墙结构相近的抗震性能。

图11 叠合式剪力墙连接构造示意图

2.3 预制夹心保温剪力墙结构体系

预制夹心保温剪力墙结构体系最大特点是可以达到保温和结构同寿命的效果，是一种集结构承重、保温和装饰一体化的预制剪力墙结构体系。目前，国内对该体系进行了一系列的试验研究，结果表明：预制夹心保温剪力墙与现浇对比试件的滞回曲线如图12所示，采用这一构造的剪力墙具有良好的抗震性能。

图12 预制夹心保温剪力墙与现浇对比试件的滞回曲线

3 结构体系适用范围

在实际工程中，一般会将基于湿法连接的装配整体式混凝土框架结构与预制或现浇剪力墙结构组合应用。规范《装配式混凝土建筑技术标准》（GBT 51231-2016）中对装配整体式混凝土结构房屋的最大适用高度和最大高宽比做了明确规定，如表1和表2所示。

装配整体式混凝土结构房屋的最大适用高度（m） 表1

装配整体式混凝土结构适用的最大高宽比 表2

4 结语

预制装配式混凝土结构最重要是其具有良好的抗震性能，我国房屋建筑采用三水准抗震设防目标，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。本文主要对“现浇柱+叠合梁”结构体系、“预制柱+叠合梁”结构体系以及预制实心剪力墙结构体系、叠合式剪力墙结构体系、预制夹心保温剪力墙结构体系等五种预制装配式混凝土结构的节点连接和相关研究应用进行阐述和总结，为今后我国装配式混凝土建筑的发展提供参考和依据。