預制混凝土結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用

預制混凝土結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用

預制混凝土技術(shù)是一種工業(yè)化的建筑能耗。1891年,巴黎Ed.Coigent公司首次在Biarritz的俱樂部建筑中使用預制混凝土梁。二戰(zhàn)結(jié)束后,預制混凝土結(jié)構(gòu)首先在西歐發(fā)展起來,然后推廣到美國、加拿大、日本等國。20世紀末期,預制混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛用于工業(yè)與民用建筑、橋梁道路、水工建筑、大型容器等工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域,發(fā)揮著不可替代的作用。20世紀50年代末,我國開始制造整體式和塊拼式屋面梁、吊車梁、大型屋面板等。70年代,預制混凝土空心樓板得到了普遍應(yīng)用。70年代末,我國引進了南斯拉夫預制預應(yīng)力混凝土板柱結(jié)構(gòu)體系,即IMS體系。但總體說來,我國的預制混凝土技術(shù)比較落后,一方面由于唐山地震中大量預制混凝土結(jié)構(gòu)遭到破壞使人們對預制結(jié)構(gòu)的應(yīng)用更加保守,另一方面,國內(nèi)的預制混凝土構(gòu)件存在著跨度小、承載力低、延性差、品種單一等諸多問題,也嚴重阻礙了預制混凝土結(jié)構(gòu)在我國的發(fā)展。近些年,隨著我國住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展,住宅建筑的工業(yè)化改革勢在必行。住宅建筑工業(yè)化首先要提高工業(yè)化的生產(chǎn)和施工技術(shù),從而提高勞動生產(chǎn)率、降低成本、保證工程質(zhì)量。當前,我國西部大開發(fā)為建筑產(chǎn)業(yè)的工業(yè)化發(fā)展提供了舞臺,發(fā)展預制混凝土結(jié)構(gòu)前景廣闊?？蚣芙Y(jié)構(gòu)是建筑工程中應(yīng)用最廣的一種結(jié)構(gòu)形式,本文重點對預制混凝土框架結(jié)構(gòu)體系研究與應(yīng)用的最新進展進行綜述分析,并對今后的發(fā)展趨勢作展望。1混凝土建造施工可行性預制混凝土結(jié)構(gòu)建造方法,簡單說來,就是用起重機及其它運載施工機械將工廠化生產(chǎn)的預制混凝土構(gòu)件進行組合安裝的一種施工技術(shù)。其施工分為兩個階段:第一階段在工廠中預制構(gòu)件,第二階段在工地上安裝。預制混凝土結(jié)構(gòu)的建造工序為:設(shè)計、制造、運輸、安裝、裝飾等。預制混凝土結(jié)構(gòu)具有如下的特點:(1)工業(yè)化生產(chǎn),工業(yè)化勞動生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)環(huán)境穩(wěn)定,構(gòu)件的定型和標準化有利于機械化生產(chǎn),而且按標準嚴格檢驗出廠產(chǎn)品,因而質(zhì)量保證率高。(2)施工方便,模板和現(xiàn)澆混凝土作業(yè)很少,預制樓板無需支撐,疊合樓板模板很少。采用預制及半預制形式,現(xiàn)場濕作業(yè)大大減少,有利于環(huán)境保護和減少施工擾民。(3)建造速度快,對周圍生活工作影響小。尤其是在鬧市區(qū)施工,如百貨公司、鬧市區(qū)停車場、過街天橋等,這種工程工期緊,施工文明要求高,采用預制混凝土結(jié)構(gòu)往往能得到令人滿意的結(jié)果。如在洪都拉斯SanPedroSula市Bufalo工業(yè)園區(qū)建造的預制預應(yīng)力混凝土懸索行人橋,由兩根柱架起位于橋中央的橋塔,兩根預制預應(yīng)力混凝士梁支承主跨的預制橋面板,整座橋的組合安裝僅用時一個星期,而且施工過程中始終保證有兩個逆向的車道通行。(4)預制構(gòu)件表面平整、外觀好、尺寸準確、并且能將保溫、隔熱、水電管線布置等多方面功能要求結(jié)合起來,有良好的技術(shù)經(jīng)濟效益。這種特點可適用于制作外墻墻板,也適用于制作便于安裝的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。如美國北卡洛林娜州Charlotte市IJL金融中心,這幢30層大廈采用了預制混凝土結(jié)構(gòu)。(5)預制結(jié)構(gòu)工期短,投資回收快。由于減少了現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的支模、拆模和混凝土養(yǎng)護等時間,施工速度大大加快。從而縮短了貸款建設(shè)的還貸時間,縮短了投資回收周期,減少了整體成本投入,具有明顯的經(jīng)濟效益。2強連接的布置連接方式是預制混凝土框架結(jié)構(gòu)體系的核心技術(shù),有必要作詳細介紹。1997年美國統(tǒng)一建筑規(guī)范(UBC97),將框架連接簡化為兩類:整體連接(monolithicconnection)和強連接(strongconnection)。所謂整體連接是將預制構(gòu)件與預制構(gòu)件、或預制構(gòu)件與現(xiàn)澆構(gòu)件的連接節(jié)點用現(xiàn)澆混凝土灌注。采用整體連接的預制混凝土框架結(jié)構(gòu)符合現(xiàn)澆整體式混凝士結(jié)構(gòu)的抗震要求。而對采用強連接的預制混凝土框架結(jié)構(gòu)體系,塑性鉸產(chǎn)生的位置在整個預制構(gòu)件上沒有很大的限制,但塑性鉸區(qū)的中點位置必需距強節(jié)點至少h2長度(h為塑性鉸區(qū)的長度)。強連接節(jié)點的強度與塑性鉸和節(jié)點間的距離、塑性鉸的強弱以及非線性變形的機理有關(guān)。因為強連接處不允許發(fā)生屈服或滑脫,它的抗彎、抗剪強度要大于塑性鉸的要求值。強連接的做法分為柱面連接(column-faceconnection)、柱-柱連接、錨接和拼接等。1994年,美國國家地震減災委員會推薦采用柔性連接(ductileconnection),它既可以用于預制混凝士框架體系,又可以用于預制混凝土板柱結(jié)構(gòu)。柔性連接具有優(yōu)良的非線性反應(yīng)特性,而且它的布置無需避免塑性鉸區(qū)與節(jié)點的重合。在新西蘭,最常見的框架連接形式有以下4種:(1)現(xiàn)澆混凝土柱與預制混凝土梁預制樓板放置在預制梁上,而在梁和樓板的表面、梁柱節(jié)點的核心以及下面一層的柱子位置上布筋,最后澆搗混凝土。這種做法大大減少了現(xiàn)場模板的工作,但是梁底外伸的縱向鋼筋在節(jié)點部分的錨接施工比較困難,所以柱子的尺寸要略大于梁。還有一個問題是塑性鉸可能出現(xiàn)在梁柱連接的柱面上,即在現(xiàn)澆混凝土節(jié)點核心和預制梁之間。另外,為了保證垂直剪力的傳遞,預制梁的兩端也要進行處理。(2)預制連續(xù)梁穿過現(xiàn)澆或預制柱這種做法使用的預制構(gòu)件數(shù)量較多,并避免了在梁柱節(jié)點不大的空間里布置鋼筋、澆搗混凝土?；炷林梢袁F(xiàn)澆也可以預制,梁從跨中延伸到柱端,預制樓板放置在預制梁上,在梁、板表面布筋,然后澆搗混凝土。也可以采用全預制梁,預制樓板搭接在梁的一側(cè),預制柱安裝在梁上,用灌漿的配筋套筒連接。該體系的優(yōu)點在于塑性鉸在預制構(gòu)件的整體部位形成,遠離構(gòu)件的連接面。(3)預制T型和雙十字型構(gòu)件這種體系的好處是大量運用預制構(gòu)件,減少施工現(xiàn)場布筋、澆注混凝土等工作,其缺點是構(gòu)件太重、不便于運輸與安裝。(4)預制預應(yīng)力混凝土構(gòu)件對預制U型薄壁梁施加先張預應(yīng)力,以張拉后的薄壁梁為永久性的底模再現(xiàn)澆混凝土。U型薄壁梁與其內(nèi)核混凝土的連接不是靠鋼筋,而是靠U型底梁內(nèi)壁的粗糙表面與現(xiàn)澆混凝土粘和作用,以形成共同作用的疊合梁。針對這種疊合梁是否適用于延性框架,新西蘭學者進行了試驗,試驗證明,在強地震作用下由于粘結(jié)的破壞,塑性鉸區(qū)域有沿著現(xiàn)澆混凝土內(nèi)核擴散的趨勢,塑性鉸轉(zhuǎn)動可以發(fā)生在梁端圍繞柱面的區(qū)域之外,塑性鉸的轉(zhuǎn)動不會很大。因此,預制U型薄壁梁為底?，F(xiàn)澆混凝士內(nèi)核的疊合梁適合在延性彎矩抵抗框架中使用。3結(jié)構(gòu)體系評價預制混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用在相當長的時間里比較保守,一個重要原因是對預制混凝土結(jié)構(gòu)體系的抗震性能研究較少。近幾年,預制混凝土結(jié)構(gòu)在地震中有著較好的表現(xiàn),一些試驗研究也表明,通過優(yōu)化節(jié)點連接構(gòu)造和整體結(jié)構(gòu)形式,預制混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能令人滿意。1997年美國統(tǒng)一建筑規(guī)范(UBC97)允許在高烈度地震區(qū)使用預制混凝士結(jié)構(gòu),其前提是通過試驗和分析證明,該結(jié)構(gòu)在強度、剛度方面具有甚至超過相應(yīng)的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。事實上,對于預制混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計有兩種觀點,一種是要求以達到甚至超過現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)為目標,對結(jié)構(gòu)體系的評價和抗震機理的分析都與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)一致。另一種則認為,預制混凝土結(jié)構(gòu)是一種獨立的體系,其性能要求和標準不應(yīng)該仿照現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)體系。有關(guān)第二種觀點的研究和試驗還在進行,目前主流的意見還是仿照現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。3.1結(jié)構(gòu)體系抗震性能關(guān)于預制混凝土框架結(jié)構(gòu)體系的整體抗震性能,有學者進行過專門研究。Low和Tadros等對現(xiàn)在美國常用的6層預制混凝士框架結(jié)構(gòu)(該體系的內(nèi)部框架承受豎向荷載,內(nèi)部剪力墻承擔水平荷載,外圍窗間框架兼有承重和圍護的雙重功能)進行了動力時程分析。他們還進行了梁和柱的連接在循環(huán)荷載作用下的性能試驗,結(jié)果表明,在地震作用下預制混凝土框架結(jié)構(gòu)體系的抗震性能和現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相似,某些方面的性能指標甚至超過現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。加州大學圣地亞哥分校的CharlesLeePowell結(jié)構(gòu)試驗室,在1999年進行了一個5層預制混凝土結(jié)構(gòu)體系在強震作用下的抗震性能試驗,試件采用3∶2的比例制作,平面尺寸為9.14m×9.14m,高度為12.2m。模型設(shè)計按基于位移的抗震設(shè)計理論進行。試件包括5個不同的延性框架體系,其中有4榀縱向框架和1片橫向剪力墻。試驗結(jié)果表明:剪力墻可以有2.7%的側(cè)向位移,這一數(shù)值遠遠大于規(guī)范所規(guī)定的數(shù)值;最后的殘余位移僅為0.3in(7.6mm),并且體系基本上沒有損壞;框架最大的層間側(cè)移達到4.5%,僅在層間位移大于3%后,結(jié)構(gòu)才出現(xiàn)輕微破壞?？偟恼f來,隨著基底剪力的逐漸增大,即使在大位移情況下,預制混凝土框架結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出良好的抗震性能,預制預應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)最為顯著,所有梁柱的連接部位破壞都很輕。這說明在高烈度地震區(qū)可以采用預制混凝土框架、剪力墻結(jié)構(gòu)體系。美國華盛頓大學的JohnStanton等進行了混合配筋預制混凝土框架的整體性能試驗?？蚣芰?、柱均采用預制混凝土構(gòu)件,柱貫穿幾層以減少拼接工序,梁的兩端是矩形,截面的中間穿無粘結(jié)后張預應(yīng)力筋,中間段的上下表面開槽,梁的上下端孔道里穿普通鋼筋。梁柱之間的縫隙用纖維增強砂漿灌實。試驗研究表明,混合配筋預制框架體系與普通的現(xiàn)澆混凝土框架相比,同等構(gòu)件尺寸情況下具有同樣的彎曲強度;混合體系的抗剪性能優(yōu)于普通框架,試驗過程中沒有發(fā)現(xiàn)抗剪強度衰減,抗剪鋼筋的應(yīng)力值不超過0.15fy;構(gòu)件破壞很小,震后裂縫閉合,從而縮短了維修時間。1995年,在紐約長島采用這種混合配筋體系建造了一幢能容納1700多輛汽車的停車場,僅用6個月完工,體現(xiàn)出該種建筑具有高質(zhì)量、短工期、低造價的優(yōu)點。3.2試驗結(jié)果及分析節(jié)點連接方法包括梁-柱節(jié)點、柱-柱節(jié)點和梁跨中連接等,節(jié)點連接的做法很多,比如僅梁-柱連接做法,PCI手冊上定義了40余種以滿足不同的功能要求。Y.C.Loo和B.Z.Yao曾經(jīng)對其中的兩種節(jié)點進行了試驗研究,試驗設(shè)計制作了18個12比例的試件,研究它們在靜力荷載和單向重復荷載作用下的強度和延性。與現(xiàn)澆節(jié)點相比較,這兩種預制構(gòu)件的連接節(jié)點的抗彎強度都高于現(xiàn)澆節(jié)點,而且其延性和能量吸收能力一般都比現(xiàn)澆節(jié)點好。另外,為了評價多層預制框架結(jié)構(gòu)在地震作用下半剛性節(jié)點的效應(yīng),HalukSucuoglu對預制混凝土結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)的非彈性地震反應(yīng)做了計算。在分析過程中,把預制混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的固定系數(shù)(fixityfactor)作為變量。分析發(fā)現(xiàn),當預制混凝土結(jié)構(gòu)半剛性梁柱節(jié)點的固定系數(shù)大于0.8時,預制結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)差異是很小的;并且通過試驗再次肯定,強柱弱梁的設(shè)計思路有利于減少這種差異。3.3混凝土框架梁的“ddc”美國加州的RobertE.Englekirk對預制預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能進行了研究。他研制的預制混凝土構(gòu)件間的延性連接器(DDC,DywidagDuctileConnector)獲得了專利并在實際工程中應(yīng)用?！癉DC”的工作原理是將梁的抗剪傳遞機構(gòu)和塑性鉸區(qū)分開來,從而使混凝土框架梁的屈服后性能得到明顯的改善。預制梁通過螺栓與預制柱相連,這既簡化了施工工序,又有利于結(jié)構(gòu)抗震。整個連接器按承載力設(shè)計,即當延性桿達到非彈性階段,連接器的其它部位仍然處于彈性階段,這樣所有的塑性特征只出現(xiàn)在延性螺桿部分,從而使梁和柱免遭破壞。1993年,在加州大學的SanDiego分校進行了“DDC”的測試,試驗表明,它可以經(jīng)受25次大位移循環(huán)仍沒有破壞?！癉DC”曾用于洛杉磯的一幢4層停車場。4預制混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用4.1預制混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用日益廣泛、穩(wěn)定、完善預制混凝土結(jié)構(gòu)在西歐、北美的應(yīng)用相當廣泛,在亞洲日本處于領(lǐng)先地位。發(fā)達國家預制混凝士結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用比重為:美國35%,俄羅斯50%,歐洲為35%~40%;其中,預制預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在美國和加拿大等國預應(yīng)力混凝土用量中占80%以上。在美國,預制混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)揮著其它體系無法替代的作用。在1991年P(guān)CI年會上,BenC.Gerwick把預制混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展視為美國乃至全球建筑業(yè)發(fā)展的新契機。近10年來,預制混凝土結(jié)構(gòu)得到了長足的發(fā)展,一方面預制混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛、研究更加深入,另一方面人們發(fā)現(xiàn)其潛力還待進一步挖掘,尤其材料工業(yè)的發(fā)展、加工機具的進步為其提供了很好的條件。比如,高性能配筋大大改進了預制構(gòu)件的性能,纖維復合筋和環(huán)氧涂層鋼筋等可以有效地提高結(jié)構(gòu)的抗裂性和極限承載力,改善結(jié)構(gòu)的耐久性[14~17]。高性能混凝土在提高混凝土預制構(gòu)件的耐久性方面也大有作為。西歐是預制混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)源地,預制混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用非常普遍。五六層以下的居住建筑中大量采用預制混凝土結(jié)構(gòu),很好地滿足了不同體型和立面形式的建筑要求。新西蘭在20世紀80年代中期建造了大量的民用住宅,預制混凝士框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也很廣泛。當時新西蘭的貸款利率很高,采用預制混凝土結(jié)構(gòu)可以減少勞力、加快工期。此外,新西蘭地處活動地震帶,預制混凝土構(gòu)件的抗震設(shè)計方法、構(gòu)造措施、連接方式等方面的研究較為深入。目前,新西蘭幾乎所有的樓板、絕大部分的框架結(jié)構(gòu)和1至3層房屋的承重墻都是采用預制預應(yīng)力混凝土構(gòu)件。在日本,預制混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用也很多,更重要的是在幾次大地震中這些預制混凝土結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出很好的抗震性能。在1995年的神戶地震中,一些2~5層的預制混凝土住宅保持了很好的工作狀態(tài)。就整個地震區(qū)域預制混凝土結(jié)構(gòu)性能的調(diào)查,只要預制構(gòu)件的連接部位能夠保持結(jié)構(gòu)的整體性,則預制混凝士結(jié)構(gòu)有較好的抗震性能,特別是按照新的抗震規(guī)范設(shè)計的房屋有著良好的抗震性能。4.2框架結(jié)構(gòu)體系在我國應(yīng)用較多的預制混凝士框架結(jié)構(gòu)體系是預制疊合梁框架結(jié)構(gòu)體系。疊合結(jié)構(gòu)是采用預制底梁作為永久性模板,在上部現(xiàn)澆混凝土而形成的結(jié)構(gòu),它體現(xiàn)了預制構(gòu)件和現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的互相滲透和互相結(jié)合,同時兼有兩者的優(yōu)點和長處。5預制混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展方向預制混凝土框架結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用,但對于它的研究還不很充分,以下幾方面內(nèi)容有待進一步深入的研究:(1)新材料的應(yīng)用。以高工作性能為本質(zhì)特征的高性能混凝土使混凝土本身的力學性能、工作性能等得到了很大的改善。應(yīng)用纖維塑料筋和環(huán)氧涂層鋼筋等可以有