周 金，徐其功

（1、廣東省建科建筑設(shè)計院有限公司 廣州 510500；2、廣東省廣建設(shè)計集團有限公司 廣州 510500）

0 引言

隨著國家以及各省份對于工業(yè)化建筑的大力推廣，我國工業(yè)化建筑發(fā)展迅速。如今，建筑工業(yè)化已從施工領(lǐng)域、科技領(lǐng)域登上了國民經(jīng)濟重要產(chǎn)業(yè)的舞臺。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)作為工業(yè)化建筑的重要組成部分，已成為中國建筑業(yè)由傳統(tǒng)建造方式向工業(yè)化建造方式轉(zhuǎn)變的主要代表之一。開展一系列關(guān)鍵技術(shù)的研究與創(chuàng)新工作，是促進(jìn)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展的重中之重。本文結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范和研究成果，就裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)件連接以及裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能化設(shè)計進(jìn)行了探討，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，在保證安全性的前提下，使裝配式混凝土結(jié)構(gòu)更具經(jīng)濟性和適用性。

1 結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系與抗重力體系

抗側(cè)力體系是指結(jié)構(gòu)中抵抗側(cè)向作用或同時抵抗側(cè)向作用和相應(yīng)豎向荷載的結(jié)構(gòu)體系；抗重力體系是指結(jié)構(gòu)中僅承擔(dān)豎向荷載、不考慮其側(cè)向剛度與側(cè)向承載力貢獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)體系。在我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范：GB 50011—2010》［1］中，明確提出了結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系，但未對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗側(cè)力體系與抗重力體系的區(qū)分。在美國和新西蘭等國家的規(guī)范中，結(jié)構(gòu)分為抗側(cè)力體系與抗重力體系，所有側(cè)向荷載由抗側(cè)力體系承擔(dān)；抗重力體系僅承受豎向荷載作用，不考慮其對側(cè)向剛度與側(cè)向承載力的貢獻(xiàn)，但需具有與抗側(cè)力體系部分協(xié)同變形的能力。

目前，我國裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法是按照現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計，這種設(shè)計方法未能充分考慮裝配式結(jié)構(gòu)的特點［2］。在傳統(tǒng)的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)設(shè)計中，由于所有節(jié)點都是現(xiàn)澆，因此所有構(gòu)件均按抗側(cè)力體系進(jìn)行設(shè)計，如圖1?所示。在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，構(gòu)件間的連接可以根據(jù)需要選擇剛接或鉸接，因此可以對結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系與抗重力體系進(jìn)行區(qū)分設(shè)計。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，可根據(jù)結(jié)構(gòu)高度、構(gòu)件跨度以及建筑要求等確定結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力體系和抗重力體系。如圖1?所示結(jié)構(gòu)布置，采用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力體系，抵抗風(fēng)荷載、水平地震作用和部分豎向重力荷載；混凝土框架結(jié)構(gòu)作為抗重力體系，僅承受自重和豎向荷載作用。對抗側(cè)力體系部分，可以按照現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計；對抗重力體系部分，構(gòu)件間的連接可以采用鉸接的形式，連接簡單，施工方便，具有顯著的技術(shù)和經(jīng)濟效益。

圖1 結(jié)構(gòu)體系布置示意圖Fig.1 Diagrams of Structural System Arrangement

2 濕連接與干連接

不同類型的連接節(jié)點，其連接構(gòu)造、力學(xué)特性等均不同，在設(shè)計中可根據(jù)實際情況采用［3］。濕連接是指預(yù)制構(gòu)件間主要縱向受力鋼筋的拼接部位，用現(xiàn)澆混凝土或灌漿填充的連接方法［4］。濕連接的強度、剛度與變形與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)類似，因此《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 1—2014》［5］中給出的主要構(gòu)件間的連接均采用濕連接，在實際工程項目中，濕連接應(yīng)用也最為廣泛。濕連接構(gòu)造示意如圖2所示。

圖2 濕連接構(gòu)造示意Fig.2 Diagrams of Wet Connection （mm）

干連接是指預(yù)制構(gòu)件間連接不屬于濕連接的連接方法。與所連接的預(yù)制構(gòu)件相比，干連接剛度較小，變形主要集中于干連接處，當(dāng)變形較大時，在干連接處會出現(xiàn)一條集中裂縫，這與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的變形行為有較大差異。裝配式混凝土結(jié)構(gòu)抗重力體系主要抵抗重力荷載效應(yīng)，在地震作用下承受側(cè)向力較少，其塑性變形行為對結(jié)構(gòu)整體變形行為影響較小，因此可以采用干連接。在考慮結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大設(shè)計側(cè)向位移時，干連接應(yīng)具有一定的強度，確?？怪亓w系豎向承載能力，保證結(jié)構(gòu)安全。部分干連接連接形式如圖3所示。

圖3 干連接示意圖Fig.3 Diagrams of dry connection

3 強連接與延性連接

強連接是指結(jié)構(gòu)在地震作用下達(dá)到最大側(cè)向位移時，結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入塑性狀態(tài)，而連接部位仍保持彈性狀態(tài)的連接；延性連接是指結(jié)構(gòu)在地震作用下，連接部位可以進(jìn)入塑性狀態(tài)并具有滿足要求的塑性變形能力的連接。對于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的控制區(qū)域，接縫要實現(xiàn)強連接，保證不在接縫處發(fā)生破壞，即要求接縫的承載力設(shè)計值大于被連接構(gòu)件的承載力設(shè)計值。對于其他區(qū)域的接縫，可采用延性連接，允許連接部位產(chǎn)生塑性變形。強連接與延性連接接縫的承載力設(shè)計值均應(yīng)大于設(shè)計內(nèi)力，保證接縫的安全。

3.1 美國規(guī)范《Building code requirements for structur?al concrete（ACI 318-14）and commentary》［6］中延性連接與強連接的規(guī)定

3.1.1 延性連接

文獻(xiàn)［6］指出，預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)中采用延性連接時，除應(yīng)滿足現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)的規(guī)定外，還應(yīng)滿足以下規(guī)定：

⑴延性連接的抗剪承載力不應(yīng)小于考慮塑性鉸極限變形產(chǎn)生的剪力的2倍；

⑵梁端鋼筋灌漿套筒連接或機械連接的位置距離梁、柱接頭柱端面的距離應(yīng)大于h∕2，h為梁高，如圖4所示。

圖4 梁-柱延性連接示意圖Fig.4 Diagrams of Beam-to-column Ductile Connection

3.1.2 強連接

PALMIERI L等人對8個不同形式的預(yù)制梁、柱連接進(jìn)行了反復(fù)加載試驗［7］，試驗研究表明，采用圖5所示類型的連接方式時，在預(yù)制梁、柱連接的結(jié)合部，由于構(gòu)件間沒有足夠的塑性變形長度，結(jié)合部的鋼筋會產(chǎn)生應(yīng)力集中而發(fā)生脆性破壞。因此，在地震作用下，為避免此處發(fā)生破壞，應(yīng)確保連接處的鋼筋保持彈性。在預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)中采用強連接的形式，目的是保證梁中鋼筋的屈服發(fā)生在連接區(qū)域以外處，而連接處的鋼筋仍然處于彈性而不發(fā)生脆性破壞。

圖5 梁-柱強連接示意圖Fig.5 Diagrams of Beam-to-column Strong Connection

文獻(xiàn)［6］指出，采用強連接時，除應(yīng)滿足現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)中的相關(guān)要求外，還應(yīng)遵循以下規(guī)定：

⑴強連接接合部的設(shè)計承載力φ Sn（抗彎、抗剪、軸拉和軸壓）應(yīng)不小于考慮塑性鉸極限變形時強連接接合部產(chǎn)生的相應(yīng)效應(yīng)Sn（彎矩、剪力、軸向拉力和壓力）；

⑵ 預(yù)制構(gòu)件的主要縱向鋼筋在強連接處應(yīng)連續(xù)，并延伸至強連接接合部與塑性鉸區(qū)域外；

⑶預(yù)制柱之間的強連接，φ Sn應(yīng)不小于1.4Se；在層高范圍內(nèi)，強連接接合部的設(shè)計抗彎承載力φ Mn應(yīng)不小于0.4Mpr，設(shè)計抗剪承載力φ Vn應(yīng)不小于Ve。

式中：φ為名義承載力折減系數(shù)；Sn為名義承載力；Se為非彈性側(cè)向變形時，屈服區(qū)域的承載力極限狀態(tài)效應(yīng)值。在計算連接鋼筋的極限抗彎強度Mpr時，鋼筋的強度為屈服強度的1.25倍，且名義承載力折減系數(shù)取為1.0。根據(jù)《Prestandard and commentary for the seismic rehabilitation of buildings》［8］中鋼筋各種強度間的換算關(guān)系，統(tǒng)計的鋼筋屈服強度平均值為1.25fy。

3.2 文獻(xiàn)［5］中延性連接與強連接的規(guī)定

由于鋼筋灌漿套筒連接或機械連接的材料強度高于被連接鋼筋，為了避免屈服集中于連接處與梁柱接頭柱端面之間一段較短鋼筋中，鋼筋灌漿套筒連接或機械連接的位置與梁柱接頭柱端面需保持一定的距離。文獻(xiàn)［5］中指出，采用預(yù)制柱及疊合梁的裝配式框架節(jié)點，梁下部縱向鋼筋可伸至節(jié)點區(qū)外的后澆段內(nèi)連接，連接接頭與節(jié)點區(qū)的距離不應(yīng)小于1.5 倍梁高，如圖6所示。此項規(guī)定與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)中梁、柱節(jié)點處鋼筋的連接要求相同。鋼筋連接部位距梁端超過1.5倍梁高，可以保證在設(shè)計地震作用下，梁端塑性鉸區(qū)的性能。

圖6 梁-柱延性連接示意圖Fig.6 Diagrams of Beam-to-column Ductile Connection

3.3 延性連接與強連接的應(yīng)用

在裝配式結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系中，合理安排強連接和延性連接能位置，能夠保證結(jié)構(gòu)抗側(cè)力系統(tǒng)“強柱弱梁”的機制，從而保證塑性鉸出現(xiàn)在梁端，使得裝配式結(jié)構(gòu)的整體性能和現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)類同。其中強連接在設(shè)防烈度地震作用下保持彈性狀態(tài)，不需考慮其塑性變形行為，故可以使用濕連接和干連接；延性連接在設(shè)防烈度地震作用下會進(jìn)入塑性變形狀態(tài)，濕連接的塑性變形行為與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)類同，可以采用。

當(dāng)裝配式結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系中的連接設(shè)計采用延性連接時，延性連接接合部的抗剪承載力應(yīng)大于相鄰被連接預(yù)制構(gòu)件截面的抗剪承載力，保證連接接合部抗剪強度強于被連接構(gòu)件，避免剪切破壞最先發(fā)生于連接接合部。

4 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計

工程師在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計、拆分后必須全面地考慮結(jié)構(gòu)在地震作用下的表現(xiàn)，準(zhǔn)確地預(yù)計結(jié)構(gòu)在地震尤其是罕遇地震下的響應(yīng)及震后破壞程度，使其在地震時及地震后能保持預(yù)定的功能，這使得裝配式混凝土結(jié)構(gòu)采用抗震性能化設(shè)計顯得尤為重要。

4.1 美國規(guī)范中的抗震性能化設(shè)計

文獻(xiàn)［8］中，將結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)劃分為立即使用、損傷控制范圍、生命安全、有限的安全范圍、防止倒塌、不考慮6 個等級，其中立即使用、生命安全、防止倒塌為大部分結(jié)構(gòu)常用的性能水準(zhǔn)。

《Seismic rehabilitation of existing buildings》［9］中，將所有對結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度有較大影響的構(gòu)件或在結(jié)構(gòu)側(cè)向變形下仍然具有承載能力的構(gòu)件劃分為主要構(gòu)件和次要構(gòu)件，并將構(gòu)件的效應(yīng)按“承載力控制”和“變形控制”進(jìn)行分類，并對主要構(gòu)件P和次要構(gòu)件S的變形值給出了定量的規(guī)定，如圖7所示。

圖7 力-變形曲線表示的結(jié)構(gòu)性能水準(zhǔn)Fig.7 Component or Element Deformation Acceptance Criteria

4.2 我國規(guī)范中的抗震性能化設(shè)計

文獻(xiàn)［1］將性能水準(zhǔn)分為5 個等級：基本完好（含完好）、輕微損壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞和倒塌；性能目標(biāo)分為A、B、C、D 共4個等級；不同性能要求的參考指標(biāo)分為承載力參考指標(biāo)和層間位移參考指標(biāo)。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010》［10］給出了各性能目標(biāo)在各地震動（小震、中震、大震）作用下的性能水準(zhǔn)描述。文獻(xiàn)［10］要求指定構(gòu)件類型，包括關(guān)鍵構(gòu)件、普通豎向構(gòu)件、耗能構(gòu)件；其中關(guān)鍵構(gòu)件是指該構(gòu)件的失效可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的連續(xù)破壞或危及生命安全的嚴(yán)重破壞的構(gòu)件，普通豎向構(gòu)件是指關(guān)鍵構(gòu)件之外的豎向構(gòu)件，耗能構(gòu)件包括框架梁、剪力墻連梁及耗能支撐等。

4.3 《裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ 15-107—2016》［11］抗震性能化設(shè)計

4.3.1 裝配式混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能水準(zhǔn)

與文獻(xiàn)［1］中性能設(shè)計的要求一致，將裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的性能目標(biāo)分為4 個等級，將抗震性能分為5 個水準(zhǔn)，抗震性能水準(zhǔn)可按表1進(jìn)行宏觀判別。

表1 各性能水準(zhǔn)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)期的震后性能狀況Tab.1 The Expected Performance of Precast Concrete Structure after the Earthquake under the Different Performance Level

4.3.2 “承載力控制”與“變形控制”

在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，可能出現(xiàn)塑性變形部位應(yīng)具有足夠變形能力，避免變形能力不足引起不可預(yù)期的破壞；不應(yīng)出現(xiàn)塑性鉸的部位應(yīng)具有足夠的強度。文獻(xiàn)［9］采用“承載力控制”與“變形控制”的方法對裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中不同的部位進(jìn)行劃分。裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中允許出現(xiàn)塑性變形的區(qū)域、效應(yīng)可按表2 確定，由承載力控制的區(qū)域、效應(yīng)可按表3確定。

表2 裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中允許出現(xiàn)塑性變形的區(qū)域和效應(yīng)Tab.2 Areas and Effects that Allow Plastic Deformation in Fabricated Reinforced Concrete Structures

表3 裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中承載力控制的區(qū)域和效應(yīng)Tab.3 Areas and Effects of Bearing Capacity Control in Fabricated Reinforced Concrete Structures

由承載力控制的抗震承載力計算采用文獻(xiàn)［10］的計算方法，層間位移角限值滿足確定。對于進(jìn)入屈服的構(gòu)件是以變形來控制，主要依據(jù)美國規(guī)范的主體思想，在綜合國內(nèi)外規(guī)范、經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，針對不同性能水準(zhǔn)，采用“三指標(biāo)”控制，即結(jié)構(gòu)整體層次的層間位移指標(biāo)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件層次的承載力控制指標(biāo)、變形控制指標(biāo)，從而有針對性地設(shè)計出更加合理的結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語

⑴在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中，區(qū)分抗重力體系與抗側(cè)力體系，確定不同結(jié)構(gòu)的連接方式，結(jié)構(gòu)受力和分工明確，可帶來顯著的技術(shù)效益和經(jīng)濟效益。

⑵根據(jù)結(jié)構(gòu)抗重力體系與抗側(cè)力體系的受力情況，選擇相應(yīng)的干連接和濕連接，可提高施工效率。

⑶在結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系中，合理確定延性連接和強連接的位置，能夠保證結(jié)構(gòu)抗側(cè)力系統(tǒng)“強柱弱梁”的機制，從而保證塑性鉸出現(xiàn)在梁端，使得裝配式結(jié)構(gòu)的整體性能滿足抗震設(shè)計要求。

⑷確定裝配式結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)，區(qū)分“承載力控制”與“變形控制”區(qū)域，有針對性的解決問題，不僅可以確保結(jié)構(gòu)具有良好的變形耗能能力，實現(xiàn)大震下不倒塌，同時也可以合理的確定結(jié)構(gòu)所用的鋼筋的強度以及結(jié)構(gòu)構(gòu)造的要求，避免對整個結(jié)構(gòu)所用的全部鋼筋、混凝土以及構(gòu)造都提出過高的要求，造成不必要的浪費。