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	预制装配式混凝土结构研究与应用现状

发布时间：2015.09.18 新闻来源： 浏览次数：

    预制装配式混凝土结构是建筑工业化的一种重要方式，萌芽于20 世纪二三十年代，兴起于第二次世界大战后，当时欧洲面临住房紧缺和劳动力缺乏两大困难，促成了预制装配式结构的快速发展。到20 世纪60 年代，预制装配式结构技术基本解决了欧洲各国的“房荒”问题。经过几十年的发展，目前欧洲各国、美国、日本、新西兰等都已建立了较为成熟的预制装配式混凝土结构体系［1］。
    我国在新中国建国初期，提出了建筑工业化的发展方向，在全国推行工厂化、装配化、标准化的建造方式，建造了大批预制装配式单层工业厂房。唐山大地震后，由于装配式结构节点连接薄弱的缺点，使其在我国的发展一度受到限制。20 世纪90年代开始，我国引进装配式大板居住建筑技术，并建立规范体系［2］，但是工程技术人员仍然对装配式体系持审慎态度。随着可持续发展和节能环保要求的不断提升、劳动力成本持续增加，以装配式混凝土结构体系为代表的建筑工业化得到了越来越多的重视，其应用逐渐升温。
    预制装配式混凝土结构的优点包括: 节约劳动力成本、减少施工现场噪声粉尘污染、缩短工期、产品质量控制较好、生产效率高、材料利用率高，并且工厂化生产使得废水、废料的控制和再生利用容易实现［3］，某些结构构件可以重复利用［4］。
    本文在总结国内外预制装配式混凝土结构规程体系、工程实例和技术特点基础上，针对预制框架结构体系、预制剪力墙结构体系、预制复合墙板和各类连接方式进行分析，并提出今后的研发方向。
    1 国内外研究应用现状
    1． 1 国外研究应用现状
    法国是世界上推行建筑工业化最早的国家之一。1960 年法国建设科学技术中心( CSTB) 认准了Camus 工业化构法和Coignet 构法为代表的大型板式PCa 构法，通过连续3 年合同建造了55 万户住宅。1977 年，法国成立构件建筑协会( ACC) ，进一步推动了住宅工业化进程［5］。
    日本是建筑工业化发展较完善、质量和水平较高的国家之一。1966 年，日本建设省提出《住宅建设的工业化构想》，指出“必须大力推进住宅建设的工业化”。1969 年，日本建设省工业技术研究院开始实行《关于推进住宅产业标准化的五年计划》，制定了住宅的基准尺寸和模数。日本借鉴欧洲的PCa构法，研发出W-PC( 板式钢筋混凝土) 构法，1960—1971 年间共建造12 万户集合住宅［6］。
    前南斯拉夫塞尔维亚材料研究院的BrankoZezely 教授建立预制装配式整体预应力板柱体系( IMS 体系) ［7］，利用该体系建造的房屋经历了1969年和1981 年两次强烈地震的考验，表现出良好的抗震性能，目前，已经在全世界多个国家和地区应用。美国于20 世纪50 年代开始大力推广预制预应力混凝土结构。1962 年预制预应力混凝土产品达到153 万m3，其中一半用于桥梁结构，一半用于房屋建筑。1997 年颁布《美国统一建筑规范》UBC97中指出，倘若通过试验和分析能够证明预制结构在承载力、刚度方面的性能达到甚至超过相应的现浇混凝土结构，那么在高烈度地震区亦允许使用预制混凝土结构［8］。
    位于地震带上的新西兰，在20 世纪80 年代中期，利用预制混凝土框架结构技术建造大量民用住宅，发展了几种预制框架结构的连接形式，其中独具特色的是预制T 型和双十字形节点构件［9］。
    2010 年10 月在葡萄牙里斯本举行了预制混凝土结构国际研讨会( PCS2010) ，研讨会主题是“预制结构在世界上的应用与研究”，交流了各国预制装配式混凝土结构的最新发展，讨论了预制结构在地震区的结构行为，以及预制结构在意外荷载下的抗连续倒塌性能［10］。
    1． 2 国内研究应用现状
    我国预制装配式混凝土结构经历了新中国成立后的快速发展时期，之后的审慎发展时期，时至21 世纪，正迎来新的发展机遇。以“预制装配混凝土”为关键词在“中国知网”检索，结果显示，从2000—2013 年，每年文献数量从16 篇逐渐增加到327 篇; 专利数量从3 件增加到151 件。根据这些数据可以看出，预制装配式混凝土结构在我国的发展正迎来新的高潮。
    1． 2． 1 规范及政策
    2014 年4 月份，中华人民共和国住房和城乡建设部颁布第310 号公告，批准《装配式混凝土结构技术规程》［11］为行业标准，编号为JGJ1—2014，自2014 年10 月1 日起实施，原《装配式大板居住建筑设计和施工规程》JGJ1—91［2］同时废止。行业标准拓展到框架结构和剪力墙结构体系。预制混凝土结构体系相关协会和地方标准还有: 《整体预应力装配式板柱结构技术规程》CECS52∶ 2010［12］、《预制预应力混凝土装配整体式框架结构技术规程》JGJ224—2010［13］、北京市《装配式混凝土结构工程施工与质量验收规程》DB11 /T1030—2013［14］、上海市《装配整体式混凝土住宅体系设计规程》DG/TJ08—2071—2010［15］及《装配整体式住宅混凝土构件制作、施工及质量验收规程》DG/TJ08—2069—2010［16］、深圳市《预制装配整体式钢筋混凝土结构技术规范》SJG18—2009［17］等。标准体系的不断健全为预制装配式混凝土结构体系的技术进步和推广应用奠定了坚实的基础。
    当前，国家和地方政府纷纷出台相关政策着力推动预制装配式混凝土结构的发展。2014 年1 月1日，《绿色建筑行动方案》( 国办发〔2013〕1 号) 要求“推广适合工业化生产的预制装配式混凝土、钢结构等建筑体系，加快发展建设工程的预制和装配技术，提高建筑工业化技术集成水平”［18］。2013 年8月上海市出台《关于本市进一步推进装配式建筑发展的若干意见》( 沪府办〔2013〕52 号) ，要求各区县政府应在本区域住宅供地面积总量中不少于20%的装配式住宅，2014 年不少于25%，2015 年不少于30%［19］。《上海市绿色建筑发展三年行动计划( 2014-2016) 》( 沪府办〔2014〕32 号) 进一步加大了建筑工业化的推进力度。
    1． 2． 2 工程实例
    由上海建工集团承建的位于浦东高青路的上海“万科新里城”，2 栋14 层，总建筑面积1． 4 万余m2 的预制装配( PC) 住宅，是国内产业化住宅首批试点工程，2007 年2 月开工，并于2007 年底竣工［20］。南京大地集团从法国引进预制预应力钢筋混凝土装配整体式框架结构体系( 世构体系) ，近10年来已完成100 万m2建筑工程，包括南京金盛国际家居广场江北店，其为5 层框架结构、建筑面积16万m2，仅92d 即完成主体工程［8］。中南建设集团主编了江苏省地方标准《预制装配整体式剪力墙结构体系技术规程》DGJ32 /TJ125—2010［21］，正兴建预制构件厂和推进高层预制装配式住宅工程建设［22］。
    另外，国内兴起的预制混凝土技术体系和实施主体还有: 西伟德混凝土预制件( 合肥) 有限公司的“叠合板装配整体式混凝土结构体系”［23］; 中国台湾润泰集团的“预制装配式框架结构”［24］; 黑龙江宇辉建设集团的“预制装配整体式混凝土剪力墙结构体系”［25］等，均在不同区域得到了工程示范和推广应用。
    2 预制装配式结构形式分类
    我国现行规范《装配式混凝土结构技术规程》JGJ1—2014［11］按照结构体系将预制装配式混凝土结构分为了框架结构和剪力墙结构，本文即按照该分类方法总结目前常用的结构体系形式。
    2． 1 框架结构
    预制装配式混凝土框架结构一般由预制柱、预制梁、预制楼板和非承重墙板组成，然后采用等效现浇节点或装配式节点进行组合。目前，常见的结构体系包括: 现浇柱结构体系、现浇节点结构体系、预制预应力结构体系、自成一体的世构体系( Scope) 等，本文对这几种结构体系分别进行讨论。
    2． 1． 1 现浇柱结构体系
    窦祖融等［26］以现浇柱叠合梁框架边节点为研究对象，进行了低周反复荷载下的足尺模型试验，结果表明，装配整体式框架节点具有较大安全储备，破坏形式表现为纵向钢筋屈服，而柱内纵筋和核心区箍筋仍处于弹性状态。杨新磊等［27］以6 层现浇柱叠合梁框架实际工程为原型，对一榀1 /4 比例的6 层两跨现浇柱叠合梁框架进行低周反复荷载试验，结果显示，框架破坏首先发生在框架梁上，实现了预期的混合破坏机制。上海市地方规程［15］主要采用该种结构体系，并已得到推广应用［20］。
    2． 1． 2 现浇节点结构体系
    Ｒestrepo 等［28］研究了后浇整体预制混凝土框架节点的反复加载试验，结果显示，节点连接具体构造对试件整体受力性能影响不大，不同构造试件的强度、耗能和延性性能均表现良好。Vasconez等［29］进行了钢纤维混凝土后浇节点的低周反复加载试验，结果表明，梁柱节点采用后浇钢纤维混凝土可增强钢筋与混凝土之间的黏结强度，提高节点的延性和抗剪强度，获得更好的抗震性能。预制梁、柱后浇节点的框架结构体系是我国现行国家规范《装配式混凝土结构技术规程》JGJ1—2014［11］中采用的结构形式之一。该种结构形式具有较高的预制率，并且具有较好的抗震性能。
    2． 1． 3 预制预应力混凝土框架
    为了改善预制装配式结构结合部位的抗震性能，日本在20 世纪90 年代研发出一项预应力连接新技术，采用工厂化预制柱和预制梁，运至现场吊装就位后，将后张预应力筋穿过梁、柱预留孔道，张拉预应力筋对节点施加预压力，克服了装配式节点整体性差的缺点，又解决了装配困难的问题。潘其健［30］对有黏结预制预应力混凝土框架结构抗震性能进行试验研究，研究表明，该体系耗能与普通钢筋混凝土结构相比稍差，但残余变形小，具有良好的延性，破坏集中在梁端处的梁柱连接和牛腿处，梁、柱构件和节点核心区破坏轻微。张林振［31］在上述试验基础上，对结构体系整体设计中的问题进行了进一步探讨。
    2． 1． 4 世构体系
    世构体系是从法国引进的一种预制预应力混凝土装配整体式框架结构体系，其预制构件包括预制预应力叠合梁、预制叠合板和预制柱，采用整浇节点的叠合框架。世构体系的特点在于节点构造方式，其节点包括键槽、U 型筋和现浇混凝土，其中U 型筋主要起到连接节点两端，并将传统的梁纵向钢筋在节点区锚固的方式改变为与预制梁端的预应力钢筋在键槽即梁端塑性铰区搭接连接的方式［32］。世构体系已应用到《预制预应力混凝土装配整体式框架结构技术规程》JGJ224—2010［13］中。
    2． 2 剪力墙结构
    预制装配式剪力墙结构在发展历史上最早出现的是装配式大板结构，20 世纪90 年代美日联合开展的PＲESSS( precast seismic structure systems) 项目提出了一种后张无黏结预应力装配式剪力墙结构，国内目前已建有预制钢筋混凝土叠合剪力墙结构、全预制装配整体式剪力墙结构等体系［33］。
    2． 2． 1 装配式大板结构
    Park［34］提出了装配式大板结构的受力分析方法。Soudki 等［35］研究了低周反复荷载作用下大板水平接缝的连接性能，还研究了抗剪键在结构抗剪破坏时起的有利作用。宋国华等［36］研究了大板连接处在反复荷载作用下的抗剪性能，研究了结合钢筋直径和接缝宽度对其抗剪承载能力的影响。宋国华等［37］比较了国内外规范关于大板连接处抗剪承载力公式，指出了各种公式的优缺点，并提出了考虑接缝宽度影响的计算公式。装配式大板结构的整体性较弱，在偶然荷载作用下容易发生连续性倒塌，万墨林［38］从国内外发生连续性倒塌的实例出发，对其可能性进行了分析。
    2． 2． 2 后张无黏结预应力装配式剪力墙结构
    美国和日本于20 世纪90 年代提出了一种后张无黏结预应力装配式剪力墙结构。该结构体系具有优越的抗震性能和良好的自恢复能力，破坏集中在连接部位，易于震后修复［39］。Brian 等［40］通过对无黏结预应力筋连接预制混凝土剪力墙的研究，提出了受力和变形的计算公式。孙巍巍等［41］进行了无黏结预应力装配短肢剪力墙的低周反复试验，研究表明低周反复下连梁的塑性变形主要发生在连接处，有利于震后修复。
    2． 2． 3 叠合式剪力墙结构
    叠合式剪力墙是指由叠合式楼板和叠合式墙板，辅以必要的现浇混凝土剪力墙、边缘构件、梁板，共同形成的剪力墙结构。章红梅等［42］对叠合式剪力墙进行了低周反复试验，研究其破坏模式、变形性能和新老混凝土黏结界面破坏发展的规律，试验结果表明叠合式剪力墙具有良好的抗侧性能。
    张伟林等［43］对叠合式T 型和L 型剪力墙进行抗震性能试验，其抗震性能与现浇剪力墙相近，尽管抗剪承载力略有降低，但能满足规范要求。Salmon等［44］提出一种预制混凝土夹心板材，其两侧为预制混凝土板材，利用剪切式支架连接，两板材之间可以夹有保温材料。
    2． 2． 4 全预制装配式剪力墙结构
    全预制装配式剪力墙结构体系内外墙板均为预制，楼板为叠合楼板，墙板之间通过预留金属波纹管进行注浆连接。郭正兴等［45］的研究显示装配式剪力墙试件的承载力、延性、刚度和耗能能力与现浇试件基本接近。陈锦石等［46］对1∶ 2 缩尺比例的4 层空间模型进行了低周反复荷载试验，试件承载能力和刚度均高于规范要求，试件在中震下保持弹性，且能满足大震不倒的设防目标。
    3 预制装配式结构连接方式
    3． 1 钢筋连接技术
    3． 1． 1 套筒连接
    套筒连接技术是将连接钢筋插入带有凹凸槽的高强套筒内，然后注入高强灌浆料，通过套筒内侧的凹凸槽和变形钢筋的凹凸纹之间的灌浆料来传力。最新的套筒连接方式是将套筒一端的连接钢筋在预制厂通过螺纹完成机械连接，另一端钢筋在现场通过灌浆连接［47］。钱稼茹等［48］采用套筒方式对预制剪力墙的竖向钢筋进行连接，并与现浇剪力墙抗震性能进行了对比试验研究，结果表明，采用此套筒连接的剪力墙能够有效传递竖向钢筋应力，破坏形态和现浇试件的相同。
    3． 1． 2 浆锚连接
    浆锚连接技术是将搭接钢筋拉开一定距离后进行搭接的方式，连接钢筋的拉力通过剪力传递给灌浆料，再传递到灌浆料和周围混凝土之间的界面。姜洪斌［49］提出了插入式预留孔灌浆钢筋搭接连接方法，并获得专利。赵培［50］针对该方法，进行了不同配箍率对钢筋搭接长度影响的试验研究，结果表明，对搭接钢筋配置螺旋箍筋约束可有效降低其搭接长度。
    3． 1． 3 机械连接
    机械连接技术是通过钢筋与连接件的机械咬合作用或钢筋端面的承压作用，将一根钢筋中的力传递至另一根钢筋的连接方法。我国常用的钢筋机械接头有套筒挤压接头、锥螺纹接头、镦粗直螺纹接头、熔融金属充填接头等，在《钢筋机械连接技术规程》JGJ107—2010［51］中均有对相关连接方法及参数的规定。
    3． 2 预制框架结构连接方式
    预制混凝土框架结构中连接部位较多，而且各研究机构或相关企业的连接方式也不尽相同，大致可分为干连接和湿连接。干连接包括牛腿连接、钢板连接、螺栓连接、焊接连接、企口连接、机械套筒连接、预应力连接等; 湿连接包括普通现浇连接、底模现浇连接、浆锚连接、预应力技术后浇连接、灌浆拼装、榫式连接等。所述部分连接方式在前文中已有所介绍，接下来以其他几个目前常用的连接方式为例详述其受力特征及研究现状。
    3． 2． 1 牛腿连接
    我国早期装配式建筑梁柱节点多采用明牛腿铰接或刚接，为增强梁柱连接整体性后又发展了一种带齿槽的刚性连接方式。为了室内平整美观，柱上也可以不设明牛腿，而仅用钢牛腿作为临时支撑，或直接将梁插入柱内作为施工阶段临时支撑［52］。在唐山地震后，对不同连接形式预制混凝土结构的震害统计表明，梁柱齿槽连接方式的震害较其他明牛腿连接方式轻［8］。杨卉［53］对比研究了预制装配式足尺框架节点和现浇节点的抗震性能，包括中节点和边节点，结果显示，装配式框架节点与现浇节点有相似的破坏形态，都实现了梁铰破坏机制，说明预制装配式节点整体性能良好。
    3． 2． 2 榫式连接
    榫式连接是柱与柱连接的一种方式，其构造是上柱带一个榫头，上下柱均预留纵向钢筋，纵向钢筋焊接连接，并配置一定的箍筋，在节点空隙中现浇混凝土形成整体［54］。
    3． 2． 3 企口连接
     企口连接是梁与梁连接的一种方式。黄祥海等［55］对干式企口连接进行了理论分析和有限元模拟，推导了相应的承载力公式，朱筱俊等［56］对改进的斜企口梁进行了承载力计算分析，利用剪切摩擦和拉压杆模型等推导了相应的极限承载力公式，并通过已有试验数据进行验证。
    3． 2． 4 螺栓连接
    螺栓连接是采用螺栓的方式将柱与柱、梁与梁、梁与柱等结构构件连接在一起的方式。范力［57］对螺栓连接梁柱节点( 螺栓连接处采用橡胶垫) 进行试验，显示其转动刚度小、弹性变形能力大。并对3 个螺栓连接的框架进行了拟动力试验，结果表明: 破坏模式为柱底弯曲破坏，其中梁柱的螺栓连接节点状态良好，无明显破坏; 结构整体破坏模式属延性破坏，滞回曲线饱满，试验结束后试件无过大的残余变形，说明结构具有较好的抗震性能。
    3． 3 预制剪力墙连接方式
    预制混凝土剪力墙连接方式也可以干连接和湿连接分类。干连接主要包括螺栓连接、后张预应力连接、键槽连接等; 湿连接主要包括现浇带连接、套筒灌浆、预留孔浆锚搭接等。
    3． 3． 1 现浇带连接
    预制混凝土剪力墙构件采用的现浇带连接是一种比较传统的连接方式，即在剪力墙安装就位后，将钢筋采用搭接等方式连接，然后现浇混凝土带连接上下两片剪力墙。钱稼茹等［58］通过试验得到现浇带连接的破坏形态及耗能能力，结果显示，采用现浇带连接剪力墙破坏后的裂缝数量明显较现浇剪力墙少，耗能能力相对稍差。
    3． 3． 2 螺栓连接
    螺栓连接是一种机械连接方式，连接构造简单，尽管螺栓连接有工期短、操作简单等优点。但对构件精度要求高，应用条件比较有限，所以关于螺栓连接的研究和应用并不多。Menetgotto［59］给出了螺栓连接的剪力墙在荷载作用下的破坏形态。Wilson 等［60］研究了装配式结构使用螺栓连接时其连接节点的动力特性。
    3． 3． 3 键槽连接
    键槽连接主要用于装配式大板结构中，在连接部位设置均匀密布的小键槽，通过后浇混凝土将上下剪力墙连成整体，这种连接形式能够保证剪力均匀地传递。常业军等［61］通过试验分析了连接缝的受力机理及抗震性能，试验结果显示，试件在接缝处均发生了剪切破坏，并建立了接缝极限抗剪强度的计算公式。柳炳康等［62］分析了装配式大板结构的抗剪机理为斜压杆机制和压力摩擦机制。
    4 预制装配式混凝土结构与其他新技术的结合应用
    随着预制装配式混凝土结构在我国的快速发展，其与其他新技术结合的研究和应用也应运而生。
    再生混凝土作为一种环保节能绿色材料已有不少研究，预制混凝土构件具有混凝土品质稳定且便于控制的优势，有利于克服再生混凝土离散性大的缺点。王一行［63］对再生混凝土预制装配式结构墙板节点抗震性能进行试验研究，应用再生混凝土的现场平浇预制装配结构具有较好的抗震性能，基本与普通混凝土相同。肖建庄等［64］对再生混凝土预制框架结构进行振动台试验，经多次重复地震模拟试验后，模型结构仍具有良好的变形能力和抗震能力。
    周文波等［65］利用BIM 技术建立装配式户型库和装配式构件产品库，可以使预制装配式建筑户型标准化、构件规格化，从而减少设计错误、提高出图效率，尤其在预制构件的加工和现场安装上大大提高了工作效率。