浅谈预制装配式建筑结构的消能减震

　　[摘要]：简述了装配式建筑在历史地震中的震害情况，介绍了国内外预制装配式建筑节点及整体抗震性能的研究现状，对消能减震技术在预制装配式结构中的发展进行了展望。
　　[关键词]：预制，装配式，消能，减震
　　
　　预制装配式建筑，根据其装配化的程度可分为全装配式和半装配式两种。全装配式是全部构件的生产与机械制造厂一样，在工厂内成批生产，然后再到现场装配。半装配式是把主要承重构件的一部分交工厂预制，另一部分在现场浇筑。
　　预制装配式结构的抗震问题是人们十分关注的地方。在历史的地震灾害中，预制装配式结构都曾遭受过不同程度的破坏[1]。1988年前苏联阿美尼亚地震中装配式混凝土结构遭受了极为严重的破坏。在土耳其1999年8月17日的Adapazari地震（里氏7.4级）和同年11月12日的Duzce地震（里氏7.2级）中，预制装配式建筑都遭到不同程度的失效或损坏，包括结构的整体性倒塌和构件的局部损坏（有柱中部及节点的失效等）。据统计，1999年的Kocaeli地震后，在调查的481栋预制混凝土结构中，有14栋受部分破坏，17栋遭严重破坏。调查还发现，在单层预制装配式结构中，节点采用销栓连接的大部分房屋都已损坏。对1994年Nothridge等地震的震害调查表明：预制混凝土墙结构在震后破坏较轻,而一些大空间的预制混凝土框架结构破坏较严重,主要表现为因各构件间的连接破坏而导致结构整体离散、倒塌。
　　从20世纪70年代才开始，各国学者对预制混凝土结构抗震进行了不断的研究，目前已经取得了很大进展,积累了很多有益经验。在1990年美日合作开展的一项预制混凝土结构抗震研究项目中，明尼苏达大学研究的拉压屈服连接采用柱连续，梁内纵筋穿过柱内预埋波纹管并灌浆，节点变形较大，强度和刚度有较大衰减，但耗能很好；德克萨斯大学研究的库仑摩擦连接节点通过特制摩擦片的滑动变形可以耗散结构很大一部分的能量；密歇根大学通过采用纤维增强混凝土作为节点区后浇混凝土来加大节点区的耗能能力。在2003年欧盟发起的“SeismicBehaviorofPrecastConcreteStructureswithRespecttoEurocode8”预制混凝土抗震研究项目中，同济大学课题组进行了现浇混凝土节点、后浇混凝土节点、钢纤维混凝土后浇节点和橡胶片螺栓连接节点的抗震性能对比试验。试验表明：后浇整体节点与现浇节点具有相同的抗震能力；钢纤维混凝土对减少节点区箍筋用量有益,但对节点强度、延性和耗能的提高作用不明显；橡胶片螺栓连接节点力学性能与现浇节点和后浇节点存在明显的差异,呈非线性弹性特点,弹性变形范围大、耗能少。该课题组还通过采用端部带转动弹簧的梁单元模型，研究了柔性节点预制混凝土框架结构的动力特性和地震作用下的动力反应规律。1995年，新西兰的Restrepo进行了6个后浇整体式预制混凝土框架节点的反复加载试验研究，发现这些节点的抗震性能达到或超过相应的现浇节点。1995年，澳大利亚的Loo进行了18个梁柱节点反复加载试验研究，试验表明:后浇整体节点的强度、延性和耗能均好于现浇节点,而无牛腿节点的延性和耗能又好于带牛腿的节点。2004年，西悉尼大学的MaryHardie等人采用了新型组合连接方式将空心预制板与钢的连接应用于一大型运动场馆，并取得了很好的效果。2005年，土耳其的HasanHusnuKorkmaza针对1999年Marmara地震震害情况，试验研究了预制混凝土框架结构在循环荷载作用下采用焊接板连接的梁梁节点的抗震性能。
　　近些年来，国内学者对预制混凝土框架结构节点的抗震性能也进行了不少研究[2]。2005年，李忠献等通过对2组、每组2个足尺寸节点试件进行了低周反复循环荷载作用下装配整体式钢骨混凝土框架节点抗震性能试验研究。2005年，柳炳康通过两榀预压装配式预应力混凝土框架梁柱组合体在低周反复荷载下的试验，探讨了全预应力配筋截面的滞回性能、耗能能力和变形恢复能力。2006年，程文穰等通过现浇框架和预制混凝土框架的拟静力对比试验研究，发现两者的受力性能是基本相似的，同时也说明了齿槽连接方式有很好的抗震性能。2006年，李振宝等通过6个混合连接装配式混凝土框架内节点试件在低周反复荷载下的加载试验，对其破坏形态、滞回特性、变形恢复能力、位移延性、能量耗散等进行了研究。结果表明，混合连接装配式混凝土框架节点的耗能能力与整体现浇混凝土节点相当，而其延性和变形恢复能力则优于整体现浇混凝土节点，其综合抗震性能优于整体现浇混凝土节点。
　　国内外不仅对预制混凝土框架结构的节点抗震性能进行了研究，而且对整体抗震性能也进行了不少的研究。1996年，伊利诺斯大学进行了预制混凝土框架结构的振动台试验，研究了2个缩尺6层预制混凝土框架模型在大小震幅下的抗震性能。1997年，美国华盛顿大学的JohnStanton等进行了混合配筋预制混凝土框架的整体性能试验，结果显示该结构的整体抗震性能比现浇混凝土结构的还要好。1999年，加州大学圣地亚哥分校的CharlesLeePowell结构试验室,进行了一个5层预制混凝土结构体系在强震作用下的抗震性能试验，试件包括5个不同的延性框架体系,其中有4榀纵向框架和1片横向剪力墙。试验发现预制混凝土框架结构具有良好的抗震性能，同时表明在高烈度地震区采用预制混凝土框架、剪力墙结构体系是可行的。在国内[3]，2004年同济大学的预制混凝土框架结构试验研究组进行了3个预制混
　　凝土框架结构的拟动力试验研究,包括2个单榀框架和1个铺板的三榀框架,梁柱采用了橡胶垫螺栓连接节点，试验表明:此类预制混凝土框架结构具有较好的抗震性能;橡胶垫螺栓连接节点抗震性能良好;而采用焊接的板梁连接节点在试验中破坏严重,是结构的薄弱环节。
　　为了更好地保护结构自身的完好性，我们还可以在预制装配式混凝土结构的一些合适位置安装消能元件来达到消耗一部分地震能量的目的。据记载，1988年前苏联阿美尼亚地震中装配式混凝土结构遭受了极为严重的破坏，而由RockwinCorporation设计建造的公司大楼(装配式框架)，在Whittier地震期间经受了大约6—10倍于按规范计算的地震作用，却无明显的结构破坏发生。对于这方面的探索，少部分国内外学者进行过有益的研究[4]。20世纪90年代，加拿大在预制装配式结构中采用摩擦耗能的技术就比较领先，并成功应用于Concordia大学的图书馆大楼中。加拿大的A.S.Pall把有限滑移螺栓连接街头应用于装配式混凝土大型墙板结构的竖向连接缝中，并与无竖向接缝的单独墙体（滑移荷载值为零）、强弹性接头墙体（滑移荷载值较大，滑移值很低甚至可忽略）二者作了对比研究。1998年，林宗凡通过在节点区设置摩擦滑移装置来减小结构地震响应，提高了结构的整体抗震性能。2005年，Morgen针对无黏结预应力框架节点耗能较差的特点,提出了在框架节点安装摩擦阻尼器的改进方案。研究表明：这种节点由于附加了摩擦阻尼器,具有很好的耗能能力,同时由于预应力作用又具有很好的复原能力,节点残余变形很小。2007年，翁大根在层间采用粘滞阻尼器对多层装配式框架结构进行了加固，通过试验研究表明该加固可以取得很好的抗震效果。仅有的这些研究毕竟是不够的，我们应该积极投身到预制装配式混凝土结构消能减震的研究队伍中来，不断研究和开发预制混凝土装配式建筑新的消能减震技术，为我国的防震减灾事业推波助澜。
　　
　　参考文献：
　　[2]李忠献,张雪松,丁阳.装配整体式型钢混凝土框架节点抗震性能研究[J].建筑结构学报，2005,26(4):32-38.
　　[3]范力,吕西林,赵斌.装配式预制混凝土框架结构拟动力试验研究[J].地震工程与工程振动，2007,27(6):97-105.
　　

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