模块化混凝土结构抗震性能研究进展*

杨浩文,薛伟辰,江佳斐

(同济大学土木工程学院,上海 200092)

0 引言

混凝土结构按施工工艺可分为现浇和预制2类。其中,现浇混凝土结构整体性好,而预制混凝土结构具有现场湿作业少、施工周期短、节约人工等特点[1]。随着我国经济社会的发展,人力成本逐步提高,对绿色环保日益重视,预制混凝土结构在我国得到大力推广。作为该结构中预制率最高的类型,模块化混凝土结构以工厂预制的三维模块为基本单元、经现场组装连接而成[2],适用于公寓、酒店、学生宿舍等以小面积重复单元为特征的建筑类型。国内外已有实践表明,采用模块化混凝土结构可加快项目进度、提高质量、减少现场污染,是我国推进建筑工业化和智能建造的重要发展方向之一。

1967年,加拿大蒙特利尔住宅67(Habitat 67)项目是模块化混凝土建筑(三维住宅单元)的首次应用[3]。目前,为降低成本、缩短建设工期,模块化建筑在英国、新加坡、澳大利亚、美国等发达国家的应用日益普遍[4]。我国也面临建筑行业劳动力成本上升和用工紧张等问题,为实现建筑行业转型发展,模块化建筑得到积极应用。近年,我国有多个建成或在建工程采用模块化混凝土结构,如已建成的广德市科创实验学校和深圳龙华樟坑径人才公寓。

但相对而言,目前国内外有关模块化混凝土结构的抗震理论和相关技术尚不成熟,且已建成的模块化混凝土结构特别是高层模块化混凝土结构主要集中在非抗震设防地区。我国地震区分布广泛,为促进模块化混凝土结构在我国地震区的推广应用,有必要系统开展模块化混凝土结构抗震性能与设计方法研究,重点研发新型节点连接方式,并开展减隔震技术在模块化混凝土结构中的应用研究。

本文将介绍模块化混凝土结构体系及典型的连接方式,综述该结构抗震性能及与其相关的减隔震技术的国内外研究现状,并总结相关技术标准与工程应用最新进展。最后,展望模块化混凝土结构研究方向。

1 模块化混凝土结构概述

模块化混凝土结构以三维模块为基本单元,将大量现场作业转移至工厂,能大幅度减少现场作业。与普通预制混凝土结构相比,模块化混凝土结构预制率更高,模块体积更大,在吊装、运输和施工等方面具有自身特点。

1.1 模块化混凝土结构分类

根据混凝土模块参与结构受力程度,可将模块化混凝土结构划分为模块完全参与受力、部分参与受力和不参与受力3类。

1.1.1模块完全参与受力结构

该类结构为全部由模块堆叠构成,依靠模块自身能力抵抗水平和竖向荷载的混凝土结构,适用于多层建筑。其中,盒式结构是模块化建筑中应用最普遍的结构体系,可分为整浇式和拼装式2种类型,后者是指将墙板和顶板分别制作后拼装而成的盒式结构。研究表明,拼装式盒式结构在造型上具有灵活性但其质量较整浇式盒式结构差[5]。

1.1.2模块部分参与受力结构

对于高层建筑仅通过模块自身难以抵抗水平荷载,这时可使模块与现浇框架、剪力墙或核心筒组合共同参与受力。这样可使建筑结构选型更灵活,空间布置更合理,从而提高建筑物的结构和使用性能。

按混凝土模块与其他受力构件的连接方式不同分为以下2类结构:一类是模块侧面作为主体结构构件(框架或剪力墙)的模板[6-7],模块顶板作为上层叠合楼板的预制底板(见图1)[8],在这类结构中模块承受部分水平和竖向荷载。另一类是模块结构堆叠后与主体框架或核心筒连接。与核心筒连接时将竖向交通设施做成核心筒,所有模块都围绕一个或多个核心筒排列,如图2所示[9]。抗侧力体系主要由框架或核心筒承受,而模块结构主要承受重力荷载和承担部分传力功能。因此,侧隔板和模块与核心筒间的连接应足够坚固,以将侧向荷载传给核心筒。该结构形式存在的不足之处是核心筒与模块化结构间的连接复杂、不易施工、现场湿作业多。

图1 混凝土模块及组装

图2 含混凝土核心筒的模块化结构

1.1.3模块不参与受力结构

该类结构一般采用传统框架结构或核心筒作为主体结构,在其内部安装非承重混凝土模块。由于主框架或核心筒结构采用常规方法现场施工,保证了模块化建筑的整体稳定性。

1.2 节点连接方式

节点连接对确保结构的整体性和整个模块化结构的抗震性能起到至关重要的作用。模块化混凝土结构的模块间及模块与其他受力构件通过水平连接和竖向连接形成整体。按连接方式不同,可分为干连接和湿连接。干连接是指相邻模块间通过螺栓、预应力、焊接等方式连接,湿连接是指相邻模块间通过后浇混凝土、灌浆套筒、浆锚搭接等方式完成连接。

1.2.1水平连接

水平连接是指同层模块间的连接,有水平缝和竖向缝2种连接区,一般采用后浇混凝土方式,可通过模块侧墙充当现浇剪力墙模板(见图3)[7],也可采用预留施工后浇带方式[10],通常是用箍筋插销法保证连接性能。当采用前一种方式时,结构为模块部分参与受力的结构;后一种留置施工后浇带的方式常见于模块完全参与受力结构中,盒式结构模块间采用后浇带方式完成水平连接如图4所示[10]。

图3 模块间水平连接

图4 水平连接后浇带

针对模块间节点连接采用插筋方式造成的施工复杂且质量难保证问题,周圣勇等[11]提出一种基于后张预应力连接的全装配预应力混凝土模块结构体系,该种体系中模块完全参与受力。对模块接缝节点的受剪和受拉性能进行试验研究,结果表明接缝处胶的存在提升了试件整体性,提高了试件加载初期刚度[12]。

1.2.2竖向连接

目前,竖向连接采用的连接方式有后浇[6]、灌浆套筒连接[2,7,10]、波纹管浆锚连接[13]、螺栓连接[14]、预应力连接[11]等。

后浇连接方式如图5所示[6],为模块与后浇剪力墙连接。模块凹槽搭接在剪力墙牛腿上,缝隙用无收缩砂浆填充,搭接处用可压缩泡沫和垫片做软接触。

图5 上、下层模块连接节点

上、下相邻模块的墙体通过套筒灌浆连接,如图6所示[2],该种连接方式在上部构件吊装固定后,采用高强灌浆料灌浆完成连接。与此类似的连接方式为波纹管浆锚连接,但与套筒灌浆连接不同,该种连接是搭接连接,钢筋间需较长连接。

图6 灌浆套筒竖向连接

螺栓连接可通过预埋与竖向受力钢筋连接的螺栓套管,待下层模块安装好后,将钢连接件放置在模块上并与套管通过螺栓实现可靠连接,类似方法完成上层模块与钢连接件连接[14]。

另一类方式为焊接连接,国内早期有采用这类连接方式[5]。采用该连接方式时,需在连接部位预埋钢板,待吊装定位后将上下和同层盒式结构焊接成整体。

综上所述,尽管模块化混凝土结构已具备较多连接方式,但部分方法仍存在连接复杂、不易施工、现场湿作业多等问题。因此,还需进一步研发模块化混凝土结构模块间和模块与抗侧力体系间的高效连接方式,以协调各部分力和变形,维持结构整体稳定性。

2 模块化混凝土结构抗震性能研究

针对上述结构体系(主要是完全参与和部分参与受力的结构体系)和连接方式,国内外开展了有关构件、节点和整体结构的抗震性能研究。

2.1 预制构件与节点抗震性能

预制构件与节点抗震性能研究主要包括采用结构单元现浇、波纹管浆锚连接和预应力3种连接方式的模块或节点的抗震性能研究。

当结构单元现浇、轻质混凝土内墙作为预制模块时,模块化单元不仅作为永久模板,还和现浇混凝土协同工作。Chen等[15]的试验结果表明,轻质混凝土内墙显著影响试件抗震性能。无轻质混凝土内墙的试件在1/40位移角下失效,有轻质混凝土内墙的试件在1/60或更小位移角下失效。

张智勇[16]开展了包含1片现浇剪力墙与8片MiC(modular integrated construction,模块化集成建筑)剪力墙在内的9片足尺剪力墙试件的低周往复试验研究,如图7所示。其中,MiC剪力墙试件由作为模板的预制模块和现浇部分构成,分为单面墙模剪力墙和双面墙模剪力墙。研究表明,试件主要发生弯剪破坏,最终墙底受压区混凝土发生压溃,边缘构件纵筋断裂,且现浇面的破坏程度与裂缝数量均超过预制面。MiC剪力墙承载力与现浇剪力墙差异≤5%,且耗能能力相当。所有试件的最大侧移角范围在1/73～1/63,均超过规范中规定弹塑性层间位移角限值1/100,这表明MiC剪力墙具有良好的变形性能和抗侧移能力,满足抗震设防地区的工程应用要求。吴志祥[17]开展了包含4片混凝土MiC短肢剪力墙和1片混凝土MiC长肢剪力墙在内的低周往复试验,研究变量包括有无隔墙、有无隔离板及单双面墙模。研究结果表明,墙模与剪力墙现浇主体能协同工作,墙模面的裂缝数量少于现浇面,这得益于墙模的高强混凝土和配筋对裂缝开展的有效抑制。隔墙的引入提升了剪力墙试件的承载力和整体刚度,混凝土MiC短肢剪力墙具有良好的整体性。同时,隔离板可使隔墙不参与试件受拉,对剪力墙试件的承载力、延性和刚度退化等力学性能影响较小。此外,相较于相同墙身长度但带隔墙的MiC短肢剪力墙,MiC长肢剪力墙的各项抗震性能指标均展现出优越性。

图7 MiC剪力墙

任庆英等[18]提出针对盒式结构的新型带肋空心双板剪力墙设计,并通过低周反复荷载试验研究了5片具有不同墙肋宽度、厚度及是否布置横向肋的剪力墙。研究表明,各种墙肋构造措施均可能有效提升试件承载力和延性,并减轻墙体损伤。其中,增加横向肋对墙体抗震性能的提升效果最显著。

闫清峰等[19]研究了PPVC(prefabricated prefinished volumetric construction,预制预装修模块化建筑)建筑连接节点的抗震性能。对2组模块边部拼接形成的双拼墙连接节点和1组中部拼接形成的四拼墙连接节点进行了低周往复荷载试验研究(见图8),与现浇剪力墙对比研究了破坏形态、滞回性能、延性和耗能等。研究表明:当轴压比为0.4时,双拼墙试件的承载力提高24.27%,但延性系数仅为现浇剪力墙的58.53%;轴压比为0.1时,双拼墙试件的抗震性能与现浇相差不大;四拼墙试件由于存在竖向和水平2条灌浆缝,开裂速度快,整体性较差,承载力为现浇试件的80.5%。

图8 PPVC剪力墙拼接节点

针对全装配预应力混凝土模块结构体系,学者进行了有限元分析和试验研究[20]。研究表明:接缝节点可承受工程中常见的荷载作用。预应力混凝土剪力墙模块的承载力及刚度退化、延性指标等力学性能指标满足抗震要求。但模块的耗能能力较差,需考虑引入耗能装置。

由上可见,尽管预制构件和节点的抗震性能已得到一定程度的研究,但仍需对试件设计参数进行进一步丰富和拓展,如考虑增加剪力墙含边缘约束构件的抗震性能。同时,研究剪跨比、轴压比、配筋率等对剪力墙抗震性能的影响,并进一步研究剪力墙的平面外性能。

2.2 结构抗震性能

对于低多层模块化混凝土结构,模块一般完全参与受力。Xu等[10]对6层剪力墙盒式结构模型进行拟动力试验研究,盒式结构的水平连接采用箍筋插销连接、竖向连接采用灌浆套筒连接。研究表明,该结构能满足设防烈度8度的设防目标要求,具有较好变形能力、延性及耗能能力。

Zhao等[14]对5层水平和竖向采用螺栓的连接模块化剪力墙结构进行了振动台试验,如图9所示。研究表明,模块化剪力墙结构的基频由于节点的半刚性特性较现浇模型低10.2%,动力响应与现浇结构相当。试验中模块化剪力墙结构的破坏模式为竖向连接的螺钉断裂和螺母滑移。模块化试件比现浇试件具有更好的耗能性能,相邻混凝土模块协同工作性能良好,水平节点在试验过程中始终保持弹性。

图9 模块化混凝土结构振动台试验

对于高层模块化混凝土结构,模块一般部分参与受力,目前通过数值分析手段研究了整体结构的抗震性能。

Wang等[7]以中国香港一幢40层高的公屋大楼为个案研究对象(见图10),建立了模拟预制混凝土剪力墙结构性能的有限元模型,进行了非线性静力和动力分析,研究成果验证了预制墙体和现浇墙体间通过拉筋连接的高层模块化混凝土结构在风荷载和地震荷载作用下的可行性。

图10 算例中结构

李红芳等[21]以深圳龙华樟坑径项目为对象,研究了混凝土模块化高层结构的抗震性能。分析结果表明,考虑模壳刚度贡献时的结构刚度较仅考虑现浇部分的结构刚度增加约10%。在大震作用下,结构的最大弹塑性层间位移角均<1/120,塔楼结构中的剪力墙基本未损伤,而大部分连梁达到重度损伤但仍能满足性能目标要求。此外,研究还发现,标准层楼板在核心筒周边及与其他各肢相连区域的拉应力较其他区域大,因此需对这些区域的配筋适当增强。对于弱连接楼盖,通过合理的构造设计和配筋加强,其结构承载力能满足要求。

莫真铭[22]对基于钢筋混凝土巨型框架结构的模块化结构模型进行了大震下的非线性时程分析,通过评估层间位移角、基底剪力、侧向位移和材料损伤等关键指标,全面评价了结构的抗震性能。研究表明,该模块化结构在各项宏观指标上均满足规范要求。然而,在材料损伤方面,子结构底层模块间的连接处及巨型框架底部和与梁相交处均出现严重损伤,这些区域需重点关注并采取相应加强措施。

综上所述,当前针对高层模块化混凝土结构的研究较少,且已有研究停留在数值分析层面。因此,有必要采用振动台试验和混合试验技术等试验手段深入研究结构在真实地震作用下的响应,从而为高层模块化混凝土结构的抗震设计和性能评估提供更可靠支撑。

3 减隔震技术在模块化混凝土结构中的应用

传统抗震结构利用构件的屈服消耗地震能量,易造成震后残余变形大、修复成本高等问题。通过在模块间布置耗能件或隔震垫,将会有效提高结构抗震性能[23]。模块化混凝土结构模块间或模块与抗侧力体系间通过连接维持整体性,这导致其应用于地震区时连接复杂,将减隔震技术应用于模块化混凝土结构可减小结构地震响应,降低对连接性能的需求。

3.1 隔震技术在模块化混凝土结构中的应用

隔震结构指在房屋基础、底部或下部结构与上部结构间设置由叠层橡胶隔震支座等装置组成的隔震层,以延长结构体系的自振周期,减少输入到上部结构的地震作用,进而提升结构抗震性能。工程中主要采用的隔震装置为叠层橡胶支座和摩擦摆。20世纪70年代,新西兰学者研究出铅芯橡胶支座,由此建成的隔震建筑经受住了地震考验。自此之后,隔震技术开始得到广泛应用。自1993年由周福霖院士在汕头主持设计的首栋橡胶垫隔震住宅楼取得显著效果以来,隔震结构在我国得到积极推广。

早期研究主要是多层盒式结构的隔震,即在整浇式盒式结构中采用了一种特殊的层间滑动隔震节点[5]。在该结构体系的基础部位和上部各层均采用了摩擦滑动隔震构造。试验研究表明,这种隔震节点对于多层盒式结构安全可靠,能承受6层楼的设计荷载和8度地震作用,便于施工中现场安装。张文芳等[24-25]建立了这类体系的地震反应分析理论和模型(见图11)。研究表明,盒式结构建筑采用层间滑动隔震构造时,地震作用下结构加速度反应沿高度大致均匀分布。虽每层设置滑动隔震装置有利于减小地震剪力,但导致每层的滑移位移及残余位移较大。

近期,学者们通过数值模拟研究了采用叠层橡胶支座[26]和摩擦摆隔震支座[3]的模块化混凝土结构的抗震性能。与上文所述滑动隔震装置相比,叠层橡胶支座和摩擦摆隔震支座具有复位能力,有助于减小残余位移。研究表明[20],隔震模块化结构的隔震效果随隔震层位置的上移而减小,在结构1/2高度以上楼层范围内应尽量避免布置隔震层。转换层处作为结构中易损伤的薄弱部位,将隔震层设置于此可更好地提高结构性能,隔震效果较基础隔震和其他相邻层隔震更佳。为使模块化结构具备抗罕遇地震甚至抗极罕遇地震性能,曹宁[3]将其与一种新型组合式大位移摩擦摆隔震支座结合。数值研究表明,这类隔震结构在罕遇和极罕遇地震下表现良好;增加隔震支座后,连接构件受力显著降低且更加平均;连接构件在极罕遇地震作用下依然保持弹性状态。

3.2 消能减震技术在模块化混凝土结构中的应用

减震结构是指在房屋结构中设置消能器,通过消能器的塑性变形和相对速度提供附加阻尼,以消耗输入结构的地震能量,包括位移型(如防屈曲支撑)、速度型(如黏滞阻尼器)及调谐质量阻尼器(又称吸振器)等。

对于模块堆叠后与核心筒连接而成的高层模块化结构,由于核心筒高细长特点及模块对整体抗侧刚度和阻尼的贡献小,结构易受到风致加速度影响。Hickey等[27]比较了2种减轻高层模块化建筑风致振动的方法,即增加核心筒尺寸和增加阻尼,并量化了利用现有振动控制技术可提高模块化塔楼最大高度的程度。研究表明:安装调谐液体阻尼器比增加钢筋混凝土核心筒尺寸更有效,调谐液体阻尼器的辅助阻尼足以控制大多数原型结构的加速度。虽然该项研究主要针对风振,但对地震下结构响应的控制也有一定的借鉴作用。

莫真铭[22]研究了基于巨型框架的模块化结构中子结构和主结构的损伤控制策略,结果表明,通过提升节点连接处的承载力,可使损伤节点数量减少 45%;引入金属阻尼器作为耗能元件,可使模块连接节点破坏个数降低43%;增加巨型耗能支撑能使结构的顶点位移减小13.8%,并对材料损伤情况有一定改善作用。

杨玺[28]针对模块化高层钢筋混凝土框架剪力墙结构体系的抗震性能进行了研究,结果表明,通过集成装配式耗能减震部件模块,降低了混凝土框架模块及剪力墙的损伤。这不仅增强了结构的整体抗震性能,还提升了其快速恢复能力,确保了结构的正常使用功能。

由此可见,在混凝土模块间布置隔震部件和消能减震可有效降低结构地震响应,减少对模块化结构节点连接性能的需求,有助于其在地震区的应用。需指出的是,减隔震技术在模块化混凝土结构中的应用研究尚属起步阶段,需进一步的理论和试验研究,并在此基础上制定相关技术标准。

4 国内外技术标准

目前,国内外已制定了有关模块化混凝土结构的技术标准,如表1所示。继我国香港2017年发布模块化建筑标准后,我国近几年也制定了多部地方标准和协会标准,总结如下。

表1 模块化混凝土结构相关国内外技术标准

1)各国技术标准中均考虑了材料、建筑设计、结构设计、生产运输、安装、模块间连接、防火、施工等内容。

2)国外技术标准对拆卸、再利用和回收等可持续性发展问题进行了说明。同时,标准中涵盖了数字化控制和精益制造等相关内容。另外,由于确定和验证制造误差来源对模块化结构至关重要,国外标准还针对设计、建造和材料的可追溯性问题给出了相关规定。

3)在模块化抗震设计方法方面,目前仅澳大利亚和我国标准给出了相关条文。其中,国内标准对混凝土模块化集成建筑结构体系的适用地区、最大适用高度等做了明确说明。同时,国内标准给出了模块化装配整体式建筑隔震和减震设计、施工检验、维护和验收等方面的规定,这为减隔震技术在模块化结构中的应用提供了技术支撑。

总体而言,目前国内模块化混凝土结构有关标准还处于起步阶段,在设计计算方法、连接方式、构造措施等方面的规定远未完善,亟待加强。

5 工程应用

目前,国内外已建成一批模块化混凝土结构的典型案例(见表2)。1972年,日本建成中银舱体大楼,该建筑由位于中心的混凝土核心筒和其上安装的140个舱体组成。澳大利亚、新加坡等国都已建成高层模块化混凝土结构,其中新加坡的Clement Canopy塔楼是目前世界上最高的以三维盒式模块为基本单元的模块化混凝土建筑,如图12所示[4]。其包含2栋40层塔楼,高140m,由近3 000个模块垂直堆叠构成。该项目是新加坡首个采用全混凝土预制结构的PPVC体系建筑,由现浇核心筒和模块墙共同抵抗侧向荷载。由于新加坡为非抗震区,当将混凝土PPVC体系建筑用于我国时需解决其抗震性能问题,并提出匹配的抗震设计方法[8]。

表2 模块化混凝土结构的典型应用案例

图12 Clement Canopy塔楼和建造情形

我国自20世纪80年代开始研究盒式结构体系,形成了成套技术,并已完成多项工程项目[5]。近年,MiC建造体系得到粤港澳地区的积极推动,MiC建造已被写入香港施政纲领。2023年深圳建成全国首个混凝土模块化高层建筑——龙华樟坑径,该项目由5栋99.7m的人才保障房组成,是国内首批采用混凝土模块化集成建造体系的高层住宅类项目之一。

总体而言,模块化建筑由于涉及大量预制模块的工厂预制、远距离运输、现场吊装和组装等多个环节,加之国内劳动力成本较低等因素影响,导致其建造成本远高于传统现浇结构,这限制了模块化建筑的应用。但随着未来我国人口结构的变化,劳动力短缺问题会愈发突出,模块化结构将获得更大的应用空间。

6 结语

模块化混凝土结构是一种以工厂预制、现场组装的三维模块为基本单元的混凝土结构。按模块参与受力程度可划分为模块完全、部分、不参与受力3类。低多层模块化混凝土结构多为模块完全参与受力,而高层结构中模块一般部分参与或不参与受力。在抗震性能研究方面,对低多层模块化混凝土结构的研究已取得一定进展,而对高层模块化混凝土结构抗震性能的研究则尚显不足。目前,模块化混凝土结构在我国的应用尚处于起步阶段,缺乏相关技术标准。随着相关研究工作的深入,模块化混凝土结构的应用将会更广泛。

需要指出的是,模块化混凝土结构抗震性能与设计方面的研究尚需进一步开展,主要包括:研发模块化混凝土结构模块间和模块与抗侧力体系间的高效连接方式,并通过拟动力、振动台等试验手段研究结构的抗震性能;针对高烈度区模块化结构混凝土研发减隔震效果良好、施工便捷的模块化混凝土减隔震技术,从而改善结构抗震性能,较少对连接性能的需求。