装配式建筑抗震性能影响因素研究

邱礼苗

（厦门智欣建工科技有限公司，福建 厦门 361023）

0 引言

现阶段装配式建筑采用标准化设计、工业化生产、装配化施工等便捷有效的方式，可以准确地控制生产精度，减少实地施工的各项操作和现场湿式作业带来的各种材料浪费，并有效地解决了环境污染等问题。其相比于传统的建筑建造方法而言，更加节能环保，更符合现在国家所倡导的绿色协调可持续发展的建筑产业化［1］。虽然预制装配式建筑的整体承载能力不如现浇结构强，刚度和耗能性也相对较低，但是其变形能力却是现浇结构无法比拟的；预制装配式建筑所存在的缺陷可以采用重新配置钢筋分布，改变节点处连接形式，添加外挂结构或改变浇筑填充材料等方法来进行弥补，这就使其整体结构既有良好的承载能力、刚度、耗能性的同时也具有好的变形能力、可修护能力以及经济性。

由于中国地域广阔，有些地带地震多发，且地震强度大。以汶川地震为例,该地震受灾面积多达44万km²，在四川、甘肃和陕西3省的237个市县地震强度较大，尤其是在汶川及周边地区，此次地震波及大半个中国及亚洲多个国家［2］，导致大量人员伤亡，造成了巨大的经济损失。因此必须对建筑的抗震性能提出较高的要求，然而仅从刚度、强度等方面着手是不够的，同时还应兼顾建筑的结构、节点等。了解装配式建筑在总体结构、节点连接等方面对抗震性能的影响然后选择最优的设计施工方案，充分发挥装配式建筑的优势，研究并建立抗震性能评估模型，以更好地优化装配式建筑的剪力墙结构。由于我国在装配式建筑剪力墙结构方面的研究起步较晚，传统评估模型在评估时缺少综合性的分析，这使得当下已有的评估模型的评估误差较大。我国装配式建筑的发展还处于初级阶段，在标准化设计、产业化生产、现场施工、验收等阶段存在大量待解决的问题，在产业管理和专业技术上也缺乏经验，结合现阶段国内外装配式建筑的发展现状和特点，积极探索先进的设计和生产技术，弥补不足，是产业发展的关键。

1 装配式建筑节点连接对抗震性能的影响

装配式建筑抗震性能不同，是由于不同结构、结构中抗震节点、轴压比、接缝连接等整体框架设计对抗震性能的影响。通过调查以往地震灾害可知连接节点处的破坏是建筑物在地震灾害中损坏的主要原因。因此要保证装配式建筑抗震性能关键在于节点处的连接，规范中提到的“强节点、弱构件”设计原则［3］是一种良好的连接构造形式，能保证节点和构件具有相近的寿命周期，这对抗震节点的研究具有指导意义，通过合理地设计能够有效降低经济损失，保障人民生命财产安全等。

1.1 节点连接结构对抗震性能的影响

通过对多个现浇节点和预制构件的拼接节点进行抗震试验，结果显示当节点存在有黏结的情况下结构整体耗能要比无黏结的预应力节点更低。在抗弯承载力和延性方面，与冯波［4］通过低周反复试验得出的采用无黏结后张预紧力连接的预制式节点都高于现浇节点的结论相符。在装配式框架节点处运用张拉无黏结的钢筋进行连接，对其进行低周反复试验，结果显示这样连接的节点具有相对较好的抗震性能，即使在地震多发且地震强度大的地区也有足够的安全可靠性。考虑到键槽长度不同可能影响预制式结构中预应力节的点抗震性能，故选择不同键槽长度的节点来进行多次加载测试，测试结果表明节点的键槽长度与结构的抗震性能指标呈现正相关的关系。在世构体系中［5］，采用不同的方法制作U形钢筋及选用不同的施工方式都对节点的抗震性能有不同程度的影响。一种新型的U型钢绞线的半预制结构与普通钢筋都能保证抗震性能的情况下，此种板预制结构能极大提高结构强度并在变形上更加灵活。

采用无主筋U型RC梁外壳和柱预制外壳［6］时，在外壳内添加钢筋结构，不但可以使核心区钢筋结构保障装配的连续性，而且还很好地和预制梁的筋锚固起来，固定并浇筑核心混凝土，养护成型，以形成装配式T型节点。这种节点连接方法可以得到整体性、耗能性和抗震性都良好的结构，能很好地达到建筑所需的安全要求。但由于锚固过程中的筋较多，导致需浇筑的地方操作空间不足，给施工增添了较大的困难，且容易出现开裂等问题。为了避免这些问题，有研究者采用工程水泥基复合材料来增强节点区域的抗震性能。除此之外，在锚固筋为外壳提供足够的施工强度的情况下，尽可能地选用较短的锚固筋对预制梁进行连接，这种短型连接可以减少钢筋在连接段占据的空间，进而为后浇材料的添加提供便利，有效避免浇筑难的问题，提高节点的质量，以保证其节点抗震性能。对内含钢筋结构的预制外壳浇筑成型的新型节点，在高轴压比的装配式预应力条件下对其进行低周反复试验，发现试验滞回曲线饱满、耗能能力强、抗震性能良好。

1.2 节点不同连接形式对抗震性能的影响

装配式框架节点是通过安装双铅芯形式的扇形铅黏弹性阻尼器［7］的一种新设计的现浇节点试件，这种扇形铅黏弹性阻尼器可以让试件接点处力的状态发生改变，并起到保护作用，明显提高了节点抗震性能。胡珊珊等［8］研究了一种三层单跨装配式预应力混凝土框架节点的抗震性能，这种三层单跨装配式预应力混凝土框架的破坏出现在梁端，双向应力状态并未使节点核心区发生破坏，框架整体结构延性优良，能有效抗裂、抗变形。对多个足尺试件进行试验和数值分析，保证纵向分布的钢筋完全屈服的尺寸限制，同时得到一种具有良好力学性能和抗震特性的新型节点。将全装配式预应力混凝土梁与高强钢筋混凝土柱端板螺栓连接节点进行抗震和受力机理分别进行研究分析，显示其抗震性能良好。为了研究预应力自复位混凝土框架结构的抗震性能，对预应力自复位预制框架中节点和现浇框架中节点进行对比试验，可以发现在交变应力水平较低的低周往复试验中，预应力自复位预制框架中节点能利用角钢耗能，较好地控制了残余变形，得到更好的震后可修复性整体结构，并且可以重复使用，能大大降低成本。

2 装配式建筑节点连接方式对抗震性能的影响

装配式建筑的连接方式可分为干式连接和湿式连接。干式连接是在施工现场无须浇筑混凝土，全部预制构件、预埋件、连接件都在工厂预制，通过螺栓或焊接等方式实现连接；湿式连接是将两个承重构件之间钢筋互相连接后通过浇筑节点实现结构的整体连接，以达到节点等同现浇。

2.1 干式连接对抗震性能的影响

国内外学者研究了多种干式连接的装配式建筑节点以及装配式建筑结构的抗震性能，研究结果表明，只要满足一定设计条件和构造要求，装配式建筑结构节点的干式连接就能达到较好的抗震性能。比如SRC柱［9］里运用钢筋配，只在其节点区域采用型钢，打破了传统连接方式的限制，减少了一系列复杂工序并降低成本。干式连接中的螺栓连接具有很好耗能性和延性，该种节点连接方式的优点是性能稳定，但存在接头位置施工精度要求高、承载力较小、易变形等多种缺点。焊接式连接即使受到破坏，其承载力也不会明显降低，延性也能满足抗震要求，是干式连接方式中承载能力最强的方式。因此将两种连接方式有效地结合就能将二者的优势都体现出来，既能提高整体结构的耗能性，也增加其能承载能力。这种连接节点与现浇试件节点相比，其承载能力和变形性能更加优异，并且有效改善了节点的滞回性能，使得刚度稳定性更强。干式连接中存在一种全装配式框架节点，通过螺栓连接和焊接的方式将预制构件拼接起来，在经过合理设计后可以比湿式连接的结构更经济便捷。除此之外，干式连接还有灌浆套筒、钢筋锚固等连接方式，但灌浆套筒需要对套筒连接进行质量检测，比较耗时；钢筋锚固其节点处钢筋过于密集，可能导致混凝土浇筑质量差。将前面两种干湿连接与灌浆套筒、钢筋锚固等干式连接对比，可以凸显出前文所述的两种干式连接使整体结构的综合性能更优。

2.2 湿式连接对抗震性能的影响

为了能找出增强湿式连接节点抗震性能的方法，统计并分析了钢筋连接、钢绞线连接、后浇混凝土等湿式连接方式的各方面性能研究。在模拟的地震载荷条件下，通过分析结构滞回性能、耗能能力、截面转动能力和延性来评估结构的抗震性能，用变形恢复能力来考量结构的稳定性。研究发现，钢筋在受到高温作用过后，其各性能指标都发生了变化，所以在分析整体结构性能时，温度的影响也应在考虑范围内，尤其是在高温环境中的混凝土结构在设计时应充分考虑温度对其影响。用钢纤维高强混凝土浇筑预制混凝土结构后，能有效提高浇节点处的延性和耗能性，改善箍筋用量过多的现象，增强抗震性能。对现浇试件和新型预制装配试件进行较高交变载荷的低周反复试验和有限元理论分析，模拟结构在受到地震载荷作用下的损坏程度，分析其抗震性能和恢复能力。结果显示新型预制装配试件与现浇试件相比，其承载能力、耗能能力和抗震性能都有一定程度的提升。在多个预制装配式梁柱节点试件的比较下，可得出先在核心区内安置型钢、后浇筑ECC材料［10］的方法可以让连接的节点变形能力增强，并且震后的抗震恢复能力也进一步得到优化。

3 装配式建筑整体框架设计对抗震性能的影响

3.1 调整整体结构以改良抗震性能

针对装配式建筑结构中的竖缝连接，王啸霆［11］进行了拟静力试验研究，试验得到了结构的滞回曲线，通过分析刚度退化、变形、耗能等方面的结果，得出这种装配整体式型钢剪力墙组合结构具有良好的抗震性能和整体工作性能。对整体框架结构进行静力弹塑性分析也是评估结构抗震性能的一种方法，该方法通过逐步增加结构模型受到地震水平力的方式进行模拟，并对高性能装配式框架结构与普通混凝土框架结构的抗震性能进行对比研究，发现高性能装配式框架结构通过合理的设计能够达到与普通混凝土框架结构相当的抗震性能。对部分预制装配式型钢混凝土的实心柱和空心柱，通过拟静力试验对多个预制柱试件的抗震性能进行研究，探究不同参数变量对其耗能及变形能力的影响。

不同板厚的叠合板对预制板结构抗震性能的影响与现浇结构相比，叠合板节点开裂变形、承载能力和屈服位移等都和现浇结构的性能接近，甚至有更高的承载能力。钱正昊等［12］研究了冷弯薄壁型钢填充墙板—装配式混凝土框架结构，发现在该框架中，结构的破坏多为柱体受压侧出现碎裂，进而导致该处钢筋屈服。同时，这种冷弯薄壁型钢填充墙板破坏与轴压比也密切相关，轴压比值越大，该结构的刚度就越小。为了避免该刚度过小使结构过早破坏，采用聚合物填料提高刚度，增强结构的抗剪强度，并且加大墙板的厚度也可以让框架结构抗侧力和抗剪力能力都相应地增强。

3.2 外附结构对整体框架抗震性能的影响

孙雨欣［13］通过非线性时程分析方法研究了外挂预制混凝土墙板装配式钢框架结构抗震性，最终得出在一定范围内提高轴压比，能增强整体结构的约束，从而提高结构的承载能力。采用外挂墙板在地震作用下也能有良好的耗能能力，使整体框架的抗震性能得以提升。外挂墙的上挂下托对钢架弹性和刚度影响并不大，但在塑性变形后期会因外挂墙板的约束力，使整体结构承载力提高。外附装置包括消能器、环形弹簧阻尼器、在节点区加入的延性杆，也可添加消能减震复合板等减震消能结构。通过添加外附结构或装置可以使整体框架具有良好的耗能能力，故可有效减少建筑物因地震而使其能量增加及震动，降低建筑损伤导致的人员伤亡及经济损失。黄小坤等［14］深入研究了钢框架内嵌复合墙板结构的抗震性能，并分析整体刚度逐渐降低的两大主要原因，一是框架中的柱结构出现裂纹，二是在梁端出现钢筋屈服的现象。整体结构中柱体开裂的部位多位于键槽处，其他位置很少出现破坏的现象，并且框架结构中的梁铰耗能机制可以显著增加结构的耗能能力。将贯通粗钢筋的直径以及预留钢板宽度进行适当调整分析发现，通粗钢筋的直径比预留钢板宽度略微大，可以提高缝隙处的抗震性能，并且在过程中预留孔和缝对整体结构稳定性影响都在安全范围以内。

4 结语

装配式建筑抗震性能的关键在于节点连接，国内装配式建筑的连接方式多选择湿式连接，相比于螺栓连接或者焊接等干式连接，现浇节点的连接方法有更好的力学性能，更能符合强节点弱构件的抗震设计要求，以保证节点和构件具有相近的寿命周期。在地震作用下，整体框架结构的设计，如辅加带有外挂预制混凝土墙板的框架结构、增加柱顶轴压比、添加阻尼器等方法能让整体结构具有良好的受力性能及耗能能力，有效提高整体框架承载能力力，增加抗震能力，降低地震灾害可能带来的损失。要在保证装配式建筑抗震性能的前提下尽可能经济有效地实现产业化发展外，还需在节点和结构的抗震机理上做进一步研究，深入了解连接处的力学特性，提高在安全抗震后建筑整体结构的可恢复性。