装配式梁柱铰接框架-剪力墙结构体系性能研究*

2023-10-25张玉明秦元昊

建筑结构 2023年19期

张玉明, 秦元昊, 王赫

(1 山东建筑大学土木工程学院，济南 250101；2 山东建筑大学工程鉴定加固研究院有限公司，济南 250013；3 郑州大学综合设计研究院有限公司，郑州 450003；4 威海市建筑设计院有限公司，威海 264200)

0 引言

现阶段,随着装配式混凝土结构的发展,装配率逐渐提高。装配式钢筋混凝土框架结构一般采用梁柱预制,梁柱节点采用湿连接的方式,以达到“等同于现浇”的梁柱刚接混凝土框架结构的设计施工目标。梁柱连接时,柱需预留钢筋,和上部柱钢筋通过套筒连接,框架梁端部需预留搭接钢筋(梁柱湿连接做法见图1),梁柱节点区需支模板浇筑混凝土,现场作业量大,浪费人力物力,施工效率较低;且由于工人施工水平及质量监管跟不上,节点的现场连接难以保证质量,严重制约了装配式混凝土结构的发展。基于此,本文提出了一种新型结构体系——装配式混凝土梁柱铰接框架-剪力墙结构体系。预制的梁和柱可通过梁上端的连接件与带牛腿的柱相连(图2)等方法[1],采用干式连接形成梁柱铰接的形式;柱采用多层预制柱(图3),减少了柱柱连接[1]。梁柱节点现场连接简单,无需现场浇筑,极大地提高了施工速度,与现阶段梁柱节点现浇的刚接钢筋混凝土框架结构相比,更具有经济性[1-4]。因梁柱采用铰接连接,需增设剪力墙提高结构的抗侧能力。与柱类似,剪力墙可采用多层预制剪力墙,减少剪力墙的连接。梁通过梁上连接件与带牛腿的剪力墙相连。该结构体系由剪力墙承担水平荷载,受力明确、构造简单,更符合装配化施工及工业化生产的要求。

图1 钢筋混凝土框架结构梁柱湿连接做法

图2 梁上端的连接图

图3 多层预制柱照片

梁柱铰接框架-剪力墙结构要能够实现,必须保证整个框架和剪力墙连成一个整体,楼盖结构能够传递水平力。为此庞瑞等[5]进行过大量的研究,湿式楼盖体系、干式楼盖体系以及混合楼盖体系等均具有较大的承载力和平面内刚度,可以实现水平力的传递。我国现阶段主要采用湿式楼盖体系,在预制板安装就位后在其上方铺设钢筋网浇筑混凝土面层。湿式楼盖体系具有较大的承载力和平面内刚度,但现场施工量大,装配化程度低。干式楼盖体系中预制板通过机械连接件连接,主要有国外的双T板楼盖体系与国内的全预制装配式RC板楼盖体系[6]。对于双T板楼盖体系,CAO L、WAN G、REN R等[7-10]进行了大量研究,证明板缝连接处的机械连接件具有很强的抗剪、抗压强度。对于全预制装配式RC板楼盖体系,梁书亭等[5,11]对发卡式连接的性能进行了大量研究,证明了该连接的可行性。2008年,美国加州圣地亚哥大学[1]完成了一个三层楼的振动台试验,整栋建筑采用传统干式连接,剪力墙承受百分百水平力,梁柱铰接为主。试验结果充分地证明了梁柱铰接框架-剪力墙结构体系在强震之下的可靠性。

为对装配式混凝土梁柱铰接框架-剪力墙结构体系进行性能分析,本文分别建立一榀两跨梁柱刚接框架结构模型与梁柱铰接框架-剪力墙结构模型,对比分析结构受力特点,给出梁柱铰接框架-剪力墙结构的设计原则,最后对该结构体系在不同设防烈度与建筑高度下与梁柱刚接框架结构进行对比,分析其经济性。

1 结构受力分析及结构体系设计原则

1.1 结构模型的建立

采用SAP2000结构设计软件分别建立一榀两跨4层梁柱刚接框架结构模型和一榀两跨4层梁柱铰接框架-剪力墙结构模型,跨度6m,底层层高为4.6m,2～4层层高为3.6m,两种结构模型的梁柱截面尺寸相同。在每层节点处施加40kN的水平力作用,有限元模型如图4、5所示。

图4 梁柱刚接框架结构模型

图5 梁柱铰接框架-剪力墙结构模型

1.2 受力分析

1.2.1 水平力作用下

在水平力作用下,两种结构的剪力图与弯矩图如图6～9所示。从图6～9中可以看出,梁柱刚接框架结构的柱承担了全部的剪力,柱中剪力从顶层到底层逐渐增大;而梁柱铰接框架-剪力墙结构的柱剪力很小,与梁柱刚接框架不同,柱中剪力并不是从顶层到底层逐渐增大,且每层剪力值都很小,底层柱剪力仅占总剪力的0.68%。

图6 梁柱刚接框架结构剪力示意图/kN

图7 梁柱刚接框架结构弯矩示意图/(kN·m)

图8 梁柱铰接框架-剪力墙结构剪力示意图/kN

图9 梁柱铰接框架-剪力墙结构梁柱弯矩示意图/(kN·m)

对于梁柱铰接框架-剪力墙结构来说,由于梁柱铰接,水平力作用下柱在节点处仅受到梁的推力或拉力作用,柱可看作在各楼层处仅受到水平力的悬臂柱。由于柱相对于剪力墙的抗侧刚度很小,且变形协调在楼层处柱与剪力墙位移相等,所以柱在每层受到的水平力非常小。由于剪力墙和柱在水平力作用下变形特点不同,柱在楼层处受到的水平力有可能是推力也有可能是拉力,因此柱中剪力自上而下并不是逐渐增大。模型最左列的柱在水平力作用下的受力示意如图10所示。

图10 柱受力示意图/kN

每层柱底弯矩并不是以上各楼层水平力对应的弯矩的叠加,其方向在某些楼层可能相反,因此柱中弯矩也很小。综上所述,在水平力作用下,梁柱铰接框架-剪力墙结构的柱中剪力很小,弯矩很小,且无轴力。在水平力作用下,两种结构模型的位移对比如图11所示。

图11 两种结构模型位移对比

综合以上分析可以得出:在水平力作用下,梁柱铰接框架-剪力墙结构的柱中剪力很小,可忽略不计,不考虑框架柱承受剪力,剪力完全由剪力墙承担。所以该结构体系在受力上与剪力墙结构类似,在水平力作用下的变形也与剪力墙结构类似,因此在抗震设计时梁柱铰接框架-剪力墙结构可按剪力墙结构进行设计。

1.2.2 竖向荷载作用下

在竖向荷载作用下,以顶层左边跨的梁为例,两种结构框架梁弯矩示意如图12所示。梁柱铰接框架-剪力墙结构由于梁柱铰接,梁在竖向荷载作用下按简支梁计算,跨中弯矩比梁柱刚接时大。

图12 梁弯矩示意图/(kN·m)

1.3 设计原则

(1)框架梁的设计

在水平力作用下,梁柱铰接框架-剪力墙结构中因梁柱节点为铰接节点,框架梁中无弯矩、剪力。因此框架梁的计算简图为仅承受竖向作用的两端简支的简支梁,按非抗震构件设计。因两端简支,跨中弯矩较大,梁底配筋较多,梁顶仅按非抗震构造要求配置通长筋;箍筋根据竖向荷载作用下抗剪承载力要求设置,按非抗震的梁的箍筋间距设置。

(2)框架柱的设计

根据1.2节分析,在水平力作用下,梁柱铰接框架-剪力墙结构中框架柱承担的水平剪力及柱中弯矩都很小,可忽略不计。柱按非抗震构件设计,柱轴压比不应大于1.05,满足竖向荷载作用下承载力即可。柱的纵筋和箍筋根据竖向荷载作用下承载力要求确定。相比梁柱刚接框架结构中框架柱截面受轴压比及变形要求限制,铰接框架中框架柱截面和配筋都小,且不受抗震设防要求影响。

(3)变形要求

混凝土梁柱铰接框架-剪力墙结构按剪力墙结构进行设计,根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)[12],其弹性层间位移角限值为1/1 000,弹塑性层间位移角限值为1/120。剪力墙的设置位置及数量应按照剪力墙结构的相关设计原则进行设计。

梁柱铰接框架-剪力墙结构虽增加了剪力墙,但柱截面和配筋量减小,且梁柱节点采用采用铰接,现场连接简单,极大地提高了工作效率,更符合装配化施工及工业化生产的要求。

2 不同抗震设防烈度和建筑高度时两种结构预制构件用量对比分析

在相同设计条件(设防烈度、建筑高度等)下,相对于梁柱刚接框架,梁柱铰接框架-剪力墙结构柱截面减小,但增加了剪力墙;减少了梁柱等节点湿连接,减少了柱和柱钢筋间的灌浆套筒连接,但增加了梁柱等构件之间的连接件连接,其经济性和预制构件用量及价格、钢筋连接价格、施工单位的施工机械和施工效率等均有关系。全面比较两种结构体系的经济性有难度。根据工程经验,预制构件用量对结构的经济性有较大影响,本文对不同设防烈度和不同建筑高度的两种结构进行设计并分析对比其预制构件用量。

分别设计梁柱铰接框架-剪力墙结构和梁柱刚接框架结构两个结构模型,平面布置如图13、14所示。梁柱刚接框架结构对应预制梁柱节点通过湿连接形成,其等同于现浇混凝土框架结构。梁柱铰接框架-剪力墙结构为对应预制梁、柱通过铰接连接形成框架再增加剪力墙的结构,在结构模型中通过在梁柱节点的梁端设铰进行模拟。

图13 梁柱铰接框架-剪力墙结构平面布置图

图14 梁柱刚接框架结构平面布置图

两种结构模型柱网均为6m×6m,横向与纵向均为四跨,平面尺寸为24m×24m,层高均为3.6m。柱网间不设次梁,楼板采用预应力楼板。楼面与屋面恒载均为5.25kN/m2,活载为2.5kN/m2,风荷载为0.45kN/m2,地面粗糙度类别为C类,设计地震分组为第二组,场地类别为Ⅱ类。

框架梁混凝土强度等级均为C30,柱混凝土强度等级均为C40,剪力墙混凝土强度等级均为C30。两种结构采用相同截面尺寸的框架梁,由于梁柱铰接框架-剪力墙结构中柱在水平力作用下弯矩剪力均较小,因此可对该结构中柱截面进行优化。采用结构设计软件建立层数分别为4、6、8、10层,抗震设防烈度分别为7度(0.10g)、7度(0.15g)、8度(0.20g)的各个模型。

以抗震设防烈度7度(0.10g)下的结构为例进行说明,两种结构的抗震等级及轴压比限值见表1。经结构设计软件进行优化设计,得到满足承载力及变形要求的两种结构模型的构件截面尺寸见表2,最大层间位移角与轴压比见表3。

表1 结构抗震等级及轴压比限值

表2 结构构件截面尺寸

表3 最大层间位移角与轴压比

根据设计结果对两种结构在不同设防烈度下、不同层数时的预制构件用量进行统计,见表4。

表4 不同设防烈度、层数时预制构件用量对比

由表4可知,相同抗震设防烈度、相同层数时,梁柱铰接框架-剪力墙结构的预制构件用量均较梁柱刚接框架结构有所增加。预制构件用量增长百分比随抗震设防烈度变化曲线见图15,随层数的变化曲线见图16。

图15 预制构件用量增长百分比随抗震设防烈度变化曲线

图16 预制构件用量增长百分比随楼层数变化曲线

从图15、16可以看出,随着抗震设防烈度及层数增加,预制构件用量增长比例增大。至8度(0.20g)、10层时,预制构件用量增加比例高达51.5%,由此增加的成本也大幅上升。另外,高度超过15m时预制柱、预制墙需要拼接,钢筋间需要进行钢筋套筒。所以随着建筑层数的增加,梁柱铰接框架-剪力墙结构减少节点连接的优势减弱。因此,层数较低、设防烈度较低时梁柱铰接框架-剪力墙结构的优势更大,经济性更好。

处于低烈度区、层数不高的大型停车场、商场、厂房等平面尺寸较大的建筑若采用梁柱铰接框架-剪力墙结构,大量的梁柱节点采用干式连接形成铰接,大大减少了现场湿作业量,施工效率更高,可节省工期,另外预制构件用量增加较少,经济性能优越,是一种具有较强竞争力的结构体系,更符合装配化施工及工业化生产的要求。