研究进展 凝土结构体系开发了多种适用于住宅的预 混合铰破坏机制 滞回曲线均较饱满 表 制构造方案 并开展了一系列研究工作 现出良好的抗震性能 本文将以上述三类装配整体式混凝土结构 体系为主要对象 对其主要预制构造方案 与抗震性能研究进展做一简要的介绍 Research Progress 指标与现浇混

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1 大势 装配整体式混凝土住宅是实现住宅产业化最主要的结构形式之 一, 目前我国装配整体式混凝土住宅主要采用三类结构体系 即装 配整体式混凝土框架结构体系 装配整体式混凝土剪力墙体系和预 制混凝土夹心保温外墙体系 本文结合课题组已开展的研究工作分 别对这三类体系的主要预制构造方案及其抗震性能的最新研究进展 做了介绍 装配整体式 * 混凝土住宅结构体系研究进展 文 / 同济大学建筑工程系 薛伟辰 *[ 基金项目 ] 国家 十二五 科技支撑计划 编号 2010BAK69B28 上海市科委重大项目课题 编号 10dz 建设部研究开发项目 编号 2011-K2-21 教育部新世纪优秀人才支持计划 编号 NCET 中央高校基本科研业 务费专项资金项目 我 国 是 一 个 能 耗 大 国 节 能 减 排 是 京建发 号 指出 要以保 我国实现社会经济可持续发展的重要措 障性住房为重点 全面推进住宅产业化 施 在 2009 年哥本哈根气候变化大会上 2015 年 建 设 比 例 应 达 30% 以 上 2013 中国政府郑重承诺 到 2020 年单位国 年上海市 关于本市进一步推进装配式建 内生产总值二氧化碳排放比 2005 年下降 筑发展若干意见 沪府办 号 [1] 40% 45% 据资料统计 在当前我 要求 鼓励采用预制混凝土住宅 各区县 国社会总能耗中 建筑能耗超过了 30% 落实建设比例 2014 年不少于 25% 2015 发达国家的长期实践表明 发展住宅产业 年不少于 30% 因此 大力发展住宅产 化 推广应用装配整体式混凝土住宅是实 业化 开发装配整体式混凝土住宅具有广 现建筑节能的最有效途径之一 阔的应用前景 薛伟辰, 同济大学建筑工程系 我国政府高度重视住宅产业化发展 按照结构体系的不同 装配整体式混 教授 博士生导师 长期从事 2013 年 1 月 1 日 国 务 院 发 布 的 国 办 发 凝土结构主要包括装配整体式混凝土框架 现代预应力结构 预制混凝土 号文件要求 十二五 期间 结构体系 装配整体式混凝土剪力墙体系 结构 先进复合材料 (FRP) 的 要着力推广预制装配式住宅体系 2011 年 和预制混凝土夹心保温外墙体系三类 [2] 北京市 十二五 时期民用建筑节能规划 目前 课题组已针对这三类装配整体式混 理论研究与工程应用 16 城市住宅 2014 5 城市住宅 indd /5/29 10:35:48

2 研究进展 凝土结构体系开发了多种适用于住宅的预 混合铰破坏机制 滞回曲线均较饱满 表 制构造方案 并开展了一系列研究工作 现出良好的抗震性能 本文将以上述三类装配整体式混凝土结构 体系为主要对象 对其主要预制构造方案 与抗震性能研究进展做一简要的介绍 Research Progress 指标与现浇混凝土框架较为接近 (2) 两种现浇柱叠合梁框架均表现出 良好的位移延性 延性系数达到 (3) 两种现浇柱叠合梁框架的承载力 耗能能力和刚度退化规律较为接近 且与 装配整体式混凝土框架结构体系 现浇混凝土框架结构相近 现浇柱叠合梁 框架结构可实现与现浇混凝土框架结构等 现浇柱叠合梁框架 现浇柱叠合梁框 图3 预制柱叠合梁框架滞回曲线 同设计 架是一种较为传统的装配整体式混凝土框 预制柱叠合梁框架 预制柱叠合梁框 (3) 总体而言 预制柱叠合梁框架结 架结构体系 其中 框架梁采用叠合式构 架是在现浇柱叠合梁框架基础上发展出来 构的破坏形态 破坏机制 抗震性能指标 造 框架柱采用现浇混凝土构造 的一种预制率较高的装配整体式框架结构 等与现浇混凝土框架接近 这表明 预制 体系 该体系中 框架梁 柱均在工厂预制 柱叠合梁框架结构可参照现行的现浇混凝 股份有限公司联合开发了两种采用不同预 并在现场通过现浇节点核心区和楼盖叠合 土框架结构设计方法进行设计 制梁截面形式和节点核心区连接构造的现 层混凝土形成整体结构 年 课题组与万科企业 预制型钢混凝土框架 预制型钢混凝 浇柱叠合梁框架方案 并开展框架足尺节 2010 年 课题组开发了一种采用 U 点模型和大尺度框架整体模型的抗震性能 形截面预制梁 预制柱纵向钢筋采用钢套 抗震性能好以及预制混凝土框架抗火性能 [3,4] 筒连接的预制柱叠合梁框架结构 足尺节 和耐久性好 造价低廉 隔热 隔声效果 点模型和大尺度框架整体模型的抗震性能 好等优点 应用前景广阔 该体系在施工 试验研究 见图 1 研究表明 [5] 试验结果表明 图1 框架节点 框架整体结构 现浇柱叠合梁框架抗震性能试验 土框架兼有钢框架连接简便 施工效率高 过程中通过型钢接头实现各预制构件的快 (1) 框架试件的破坏过程为梁端首先 速连接 无需设置支撑 并可多层连续施 出现塑性铰 待多层梁端均出现塑性铰后 工 大幅节省了材料消耗 缩短了工期 一层框架柱脚逐渐屈服并最终压溃 最终 特别适用于大开间住宅 破坏时框架节点核心区基本完好 该框架 2012 年 课题组与北京市建筑工程研 结构的破坏机制为混合铰机制 图 2 所示 究院完成了预制型钢混凝土框架足尺节点 为预制柱叠合梁框架整体模型在水平低周 模型和大尺度框架整体模型的抗震性能试 反复荷载作用下的最终破坏形态 验 [6] 如图 4 所示 结果表明 图2 预制柱叠合梁框架破坏形态 (2) 该 框 架 的 层 间 和 整 体 滞 回 曲 线 图4 预制型钢混凝土框架抗震性能试验 (1) 采用两种不同构造方案的现浇柱 饱 满 见 图 3 表 现 出 良 好 的 耗 能 能 叠合梁框架在大部分梁端出现塑性铰后发 力 承 载 力 延 性 整 体 延 性 系 数 达 到 (1) 预制型钢混凝土框架的最终破坏 生一层柱脚压溃破坏 两种框架均实现了 和刚度退化规律等抗震性能 以梁端形成塑性铰 一层框架柱脚压溃为 2014 5 城市住宅 17 城市住宅 indd /5/29 10:35:49

3 大势 标志 如图 5 所示 框架的破坏机制为混 合铰破坏机制 (1) 预制预应力混凝土框架节点最终 验 对预制混凝土异形柱框架结构的抗震 [7] 性能进行了较为系统的研究 结果表明 (1) 预制混凝土异形柱框架的最终破 坏形态与矩形柱框架相似 均以梁端形成 发生梁端弯曲破坏 极限破坏时 节点核 心区仅出现几条细小裂缝 框架柱未开裂 节点核心区箍筋和框架柱纵筋均未屈服 塑性铰 一层柱脚压溃为标志 极限破坏 (2) 预制预应力混凝土框架节点的滞 时 框架节点核心区仅出现少量细小裂缝 回曲线较为饱满 见图 9 这表明该节 预制混凝土异形柱框架结构的破坏机制为 点具有良好的耗能能力和延性 混合铰破坏机制 线较为饱满 见图 7 表现出良好的耗 图5 能能力 框架整体延性较高 位移延性系 预制型钢混凝土框架破坏形态 荷载 /kn (2) 预制混凝土异形柱框架的滞回曲 数在 之间 (2) 预制型钢混凝土框架的滞回曲线 与现浇型钢混凝土框架相似 二者均具有 位移 /mm 良好的耗能能力 此外 二者的承载力 图9 延性和刚度退化规律也较为接近 这表明 预制预应力混凝土框架节点滞回曲线 二者可实现等同设计 即预制型钢混凝土 (3) 预制预应力混凝土框架节点的破 框架结构可采用现浇型钢混凝土框架的设 坏形态 承载力 延性等指标与现浇预应 计方法进行设计 力混凝土框架节点较为接近 二者可实现 预制混凝土异形柱框架 预制混凝土 异形柱框架结构是一种新型预制混凝土框 等同设计 图7 预制混凝土异形柱框架滞回曲线 预制预应力混凝土框架 预制预应力 架结构 它采用异形截面 包括 T 形 L 形 十字形等 柱代替普通预制混凝土 混凝土框架具有整体性强 使用性能优越 框架结构中的矩形截面柱 叠合梁由预制 施工速度快 工业化程度高等特点 在大 矩形梁 预制板和现浇板组成 如图 6 所示 开间住宅中具有广阔的应用前景 装配整体式混凝土剪力墙体系 钢套筒和预留孔道浆锚连接预制混凝 土剪力墙 预制混凝土剪力墙体系是我国 2013 年 课题组与中国建筑第八工程 装配整体式混凝土住宅的主要结构体系 异形柱的柱肢厚度基本与墙等厚 室内不 局有限公司联合开发了一种采用预制柱叠 其中 预制混凝土剪力墙竖向钢筋的连接 凸出梁柱 不仅增加了使用面积而且室内 合梁构造的预制预应力混凝土框架结构 主要采用钢套筒连接和预留孔道浆锚连接 布置灵活 图 8 所示为预制预应力混凝土框架节点足 两种 预制混凝土异形柱框架中 叠合梁的梁宽 尺试验模型 已完成的低周反复荷载试验 [8] 表明 2011 年以来 课题组与中南集团合 作开展了一系列中等轴压比下 设计轴压 比 0.4 分别采用钢套筒连接和预留孔 道浆锚连接的预制混凝土剪力墙足尺模型 的低周反复荷载试验研究 如图 10 所示 重点研究了约束边缘构件和中间墙体竖向 钢筋不同连接构造对预制混凝土剪力墙抗 震性能的影响 [9] 结果表明 图6 (1) 采用钢套筒连接和预留孔道浆锚 两层两跨预制混凝土异形柱框架结构 连接的预制混凝土剪力墙均具有良好的抗 2012 年 课题组通过足尺节点模型 和大尺度框架整体模型的低周反复荷载试 图8 预制预应力混凝土框架节点足尺试验 模型 震性能 其破坏形态与现浇混凝土剪力墙 相似 均为墙体端部混凝土压碎 钢筋压屈 18 城市住宅 2014 5 城市住宅 indd /5/29 10:35:51

4 研究进展 Research Progress SP 叠合板预制混凝土剪力墙 SP 板 承载力高 防水隔声 加工灵活 可随意 切割 可实现较大跨度等优点 在预制混 凝土剪力墙中采用 SP 板 并现场浇筑混 荷载 /kn 是一种先张法预应力混凝土空心板 具有 凝土叠合层 可实现室内大空间 特别适 用于大开间住宅 2012 年 同济大学与上海建工集团联 合开发了一种剪力墙竖向钢筋采用螺栓连 图 13 接的 SP 叠合板预制混凝土剪力墙 并开 SP 叠合板预制混凝土剪力墙 滞回曲线 展了足尺模型的低周反复荷载试验 [10] 如 图 12 所示 结果表明 复荷载试验 对其抗震性能进行了较为系 统的研究 [11] 结果表明 图 10 预制混凝土剪力墙加载示意 (2) 预制混凝土剪力墙的承载力与现 浇混凝土剪力墙接近 均能满足设计要求 其中 采用钢套筒连接的预制混凝土剪力 墙的承载力略高于采用预留孔道浆锚连接 的预制混凝土剪力墙 (3) 预制混凝土剪力墙的滞回曲线与 图 14 预制混凝土夹心保温剪力墙 现浇混凝土剪力墙相似 在试验后期 捏 拢 现象较为明显 如图 11 所示 采用 两种连接构造的预制混凝土剪力墙的位移 延性系数均在 之间 其刚度退 化规律也较为一致 (1) 预制混凝土夹心保温墙体的破坏 图 12 SP 叠合板预制混凝土剪力墙 (1) SP 叠合板预制混凝土剪力墙的斜 主要发生在端部 极限破坏时 剪力墙端 部混凝土压溃 钢筋压屈 此时 FRP 连 接件无损伤 外侧围护墙体也基本完好 (2) 预制混凝土夹心保温剪力墙的承 截面受剪承载力 正截面受弯承载力和水 平缝受剪承载力均满足设计要求 载力 延性 耗能能力和刚度退化规律与 (2) SP 叠合板预制混凝土剪力墙的滞 现浇混凝土剪力墙和非夹心预制混凝土剪 回曲线与现浇混凝土剪力墙较为接近 见 力墙相近 图 15 所示为预制混凝土夹心 图 13 预制剪力墙的承载力略高于现浇 保温剪力墙的滞回曲线 混凝土剪力墙 这表明 SP 叠合板预制混 钢套筒连接剪力墙 凝土剪力墙可采用与现浇混凝土剪力墙相 预制混凝土夹心保温剪力墙 预制混 凝土夹心保温剪力墙由内侧剪力墙体 外 荷载 /kn 似的方法进行设计计算 侧围护墙体 中间夹心保温层和连接件组 成 是一种节能与承重一体化的剪力墙体 系 如图 14 所示 2012 年 课题组与中 图 11 预留孔道浆锚连接剪力墙 预制混凝土剪力墙滞回曲线 南集团合作开展了一批 FRP 连接件的预制 混凝土夹心保温剪力墙足尺模型的低周反 图 15 预制混凝土夹心保温剪力墙滞回曲线 2014 5 城市住宅 19 城市住宅 indd /5/29 10:35:53

5 大势 环境影响系数分别取为 1.4 和 1.6 预制混凝土夹心保温外墙体系 预制混凝土夹心保温墙板 预制混凝 土夹心保温外墙是一种自承重围护构件 FRP 连接件 预制混凝土夹心保温外 为了研究该墙板在平面外荷载工况下的受 墙由内外叶混凝土墙板 中间夹心保温层 力性能 课题组于 2011 年开始与上海城 和连接件组成 其中 连接件是连接内外 建物资有限公司合作开展了采用不同 FRP 叶混凝土墙板 并使其共同工作的关键部 连接件 片状和棒状 不同夹心保温层 件 目前 在我国普遍采用的预制混凝土 材料 XPS 和无机保温砂浆 以及不同夹 夹心保温外墙连接件为 FRP 连接件 心保温层厚度 50mm 和 70mm 的预制 自 2007 年以来 课题组与北京万科 混凝土夹心保温墙板的平面外抗弯性能试 企业有限公司联合开发了四种片状和棒状 验 见图 18 和抗火试验 见图 19 [14,15] FRP 连接件 见图 16 开展了连接件抗 结果表明 拔和抗剪性能试验 见图 17 并在此基 础上开展了模拟混凝土碱环境下 FRP 连接 件的耐久性试验 [12,13] 结果表明 图 17 抗剪试验 FRP 连接件抗拔和抗剪试验 加载示意 (1) 片状和棒状 FRP 连接件的抗拔破 坏形态均为混凝土拔出破坏 连接件本身 未发生断裂 两种连接件均具有较高的抗 片状 拔承载力 抗拔安全系数在 之 图 18 预制混凝土夹心保温墙板平面外 抗弯试验 间 (2) 片状连接件的剪切破坏形态包括 混凝土锚固破坏和连接件劈裂破坏 纤维 层间断裂 两种 片状连接件在纵横两个 方向的抗剪承载力相差较大 但均具有较 高的安全系数 棒状连接件主要发生连接 件劈裂破坏 其抗剪承载力低于片状连接 图 16 棒状 典型的片状和棒状 FRP 连接件 件 但仍具有较高的安全系数 (3) 夹心保温层厚度对连接件抗拔承 片状和棒状 FRP 连接件的抗剪承载力均有 所下降 (4) 随着侵蚀时间的增加 FRP 连接 抗拔试验 图 19 预制混凝土夹心保温墙板抗火试验 载力影响不大 但随着保温层厚度的增大 (1) 采用片状连接件和棒状连接件的 预制混凝土夹心墙板均表现出良好的平面 外受力性能 均具有较高的承载力和延性 件的抗拉强度 抗拉弹性模量 抗压强度 图 20 所示为典型的预制混凝土夹心保温 抗压弹性模量和层间剪切强度均有不同程 墙板荷载 - 跨中挠度曲线 度的下降 对应自然环境 50 年和 100 年 (2) 片状连接件的布置方向对墙板的 FRP 连接件的抗拉强度环境影响系数建议 受力性能无明显影响 但夹心保温层厚度 分别取为 2.0 和 3.0 抗压强度环境影响 对墙体的抗弯刚度与承载力影响较大 片 系数分别取为 1.4 和 1.6 层间剪切强度 状连接件与内外叶混凝土板之间的滑移小 20 城市住宅 2014 5 城市住宅 indd /5/29 10:35:54

6 研究进展 Research Progress 于棒状连接件 这说明采用片状连接件的 当墙体外侧采用瓷砖 / 石材等不燃材料饰 剪力连接程度明显大于棒状连接件 面时可取 55mm (3) 采用片状连接件和棒状连接件的 本文中的主要结构体系已成功应用于 预制混凝土夹心墙板均具有良好的抗火性 上海浦江镇大型保障房社区 北京万科假 能 满足现行规范的耐火极限要求 为保 日风景住宅小区 沈阳万科春河里商品房 证安全 建议采用 FRP 连接件的预制混凝 小区和江苏宜兴氿北花园住宅小区等全国 土夹心保温外墙的外叶墙厚度为 60mm 多项装配整体式混凝土住宅工程 图 20 预制混凝土夹心保温墙板平面 外抗弯荷载 - 跨中挠度曲线 参考文献 [1] 中国城市科学研究会 中国绿色建筑 2013 中国城市科学研究系列报告 [M] 北京 中国建筑工业出版社 [2] 薛伟辰. 预制混凝土框架结构体系研究与应用进展 [J]. 工业建筑, 2002, 32(11): [3] Weichen Xue, Xinlei Yang. Tests on Half-Scale, Two-Story, Two-Bay, Moment-Resisting Hybrid Concrete Frames [J]. ACI Structural Journal (5) [4] Weichen Xue, Bin Zhang. Seismic Behavior of Hybrid Concrete Beam-to-Column Connections with Composite Beams and CIP Columns [J]. ACI Structural Journal (3) [5] 薛伟辰 张斌 预制柱叠合梁混凝土框架结构抗震性能研究 [R] 同济大学 [6] 薛伟辰 孙岩波 胡翔 预制型钢混凝土框架结构抗震性能研究 [R] 同济大学 [7] 薛伟辰 张力 胡翔 等 预制混凝土异形柱框架结构抗震性能研究 [R] 同济大学 [8] 薛伟辰 何一凡 胡翔 等 预制预应力混凝土框架抗震性能研究 [R] 同济大学 [9] Yang Jialin, Xue Weichen, Qin Heng, et al. State-of-the-Art of Precast Concrete Shear Walls[C]// International Conference on Electric Technology and Civil Engineering, ICETCE, 2011, Wuhan: [10] 薛伟辰 古徐莉 SP 叠合板预制混凝土剪力墙抗震性能研究 [R] 同济大学 [11] 薛伟辰 杨佳林 董年才 等 低周反复荷载下预制混凝土夹心保温剪力墙试验研究 [J] 东南大学学报 (5) [12] 杨佳林 薛伟辰 栗新 预制夹芯保温墙体 FRP 连接件的力学性能试验 [J] 江苏大学学报 自然科学版 (6) [13] 薛伟辰 付凯 李向民 预制夹芯保温墙体 FRP 连接件抗剪性能加速老化试验研究 [J] 建筑结构 (7) [14] 薛伟辰 徐亚玲 朱永明 等 新型预制混凝土无机保温夹心墙体开发及其热工性能研究 [J] 混凝土与水泥制品 2013(8) [15] 李志杰 秦珩 刘国权 等 预制夹芯保温墙体板缝抗火性能试验研究 [J] 建筑结构 (10) 2014 5 城市住宅 21 城市住宅 indd /5/29 10:35:54

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