装配式混凝土框架结构及其抗震性能研究_董挺峰-周锡元

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建筑技术

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第8%卷第""期(99&年""月

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装配式混凝土框架结构及其抗震性能研究

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董挺峰"，，李振宝"，周锡元"

（"<北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室，"999((北京；(<河北工程大学，9;&98=河北邯郸）

摘议。

要：通过分析总结国内外装配式混凝土框架结构及抗震性能研究成果，得出了“干”连接的装配式混凝

土结构具有良好的抗震性能，并可用于抗震设防区的结论，对干连接装配式框架结构的分析和研究方法提出建

关键词：装配式混凝土；框架结构；抗震性能；连接中图分类号：’>8$=

文献标识码：?

文章编号：（(99&）"999:@%(&"":9=@@:9@

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众所周知，装配式混凝土结构与现浇混凝土结构相比具有减少现场湿作业量、施工速度快、节约材料、有利于建筑工业化、经济和社会环境效益好等优点，因此工程界的专家积极倡导应用装配式混凝土结构!"#。但由于以往的装配式混凝土结构连接的可靠性和结构整体性差，使得其在抗震设防区的应用受到影响。特别是"$%&年唐山大地震时，装配式结构破坏严重，几乎全部倒塌，更加剧了人们对抗震设防区采用这种结构的怀疑和不安，这大大阻碍了装配式混凝土结构的发展。

装配式结构所特有的优点是无须怀疑的，问题是如何保障预制构件之间连接的性能和结构整体的性能，为此，国内外学者和工程技术人员对整体性和抗震性能好的连接方式及其装配式混凝土结构进行了不懈地研究和探索。

本文对装配式混凝土框架结构连接方式及抗震性能加以论述。

用钢筋连接或锚固的同时，通过现浇混凝土连接成整体框架的连接方式。由于需通过现浇混凝土连接，所以被称之为湿连接!(#。这种连接方式的概念是建立在与全现浇框架的强度和延性相当的基础之上，因此又被称为仿现浇连接。

!"!连接构造

这种连接主要有图"所示三种构造。在这三种构造

中，梁是通过从预制梁中伸出的钢筋在梁柱节点或梁的跨中连接或锚固后，通过在现场浇筑混凝土连接。图（)）中，如果柱为现浇，则下柱纵筋穿过梁中的预留孔"

道（灌浆）与上柱连接；如果柱为预制，则其穿过梁预留孔道（灌浆）的钢筋再穿入上柱中的预埋钢套筒或波纹管并灌浆连接成整体。图"（*）中的梁柱组合体’形构件，通过柱的纵筋穿入预埋在与之相连的另一柱中的钢套筒或波纹管，并灌浆连接成整体。

!"#抗震性能

关于湿连接的抗震性能，+,-,./012/34和.,5627等

!装配式混凝土框架结构的湿连接

“湿”连接是指预制梁、柱或’形构件在接合部利

人针对这种连接的上述三种构造形式，进行了节点足尺试件的低周反复荷载试验!8#。试验证明，这些连接性能可靠，从总体上能够与现浇混凝土节点相媲美。现阶段，我国及美国等大部分国家规范对预制结构体系连接方式的要求与此基本一致，这种连接方式在预制混

收稿日期：(99&:9%:9;

基金项目：教育部高等学校博士学科点专项科研基金（(99;999;99$）作者简介：董挺峰（"$&;:），男，河北平乡人，北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室，博士研究生，河北工程大学，副教授。

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装配式混凝土框架结构及其抗震性能研究 @&’

!"#"#连接构造

预应力连接的构造如图!所示。在预制梁和柱中预

留孔道，预应力筋穿入孔道，梁与柱之间通过灌浆封实接缝。预应力连接的一个突出特点是梁上的剪力可通过梁与柱之间的摩擦力传递到柱。此时要求预应力筋的初始应力不能太高，使预应力筋在经历地震引起的较大位移反应时仍保持弹性，避免因预应力筋的塑性变形而引起预应力损失，从而影响梁与柱的接触面处的摩擦抗剪能力。

!"#"!抗震性能

美国的*+,-./01+2345+67%#(和日本的801+50,6

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等人通过试验得出以下成果。90:50;-<-，

凝土结构中仍占主导地位。

尽管采用这种连接方式的结构性能与全现浇结构相似，但由于这种连接仍需现浇混凝土，其模板支撑和养护大大减少了预制装配式结构施工速度快、成本低的优点，因而使其发展受到了一定影响。

（$）构件损坏小。在梁与柱的结合面处有一集中的宽裂缝，该裂缝比现浇连接的最大裂缝宽度宽’"=左右；与现浇连接相比，梁柱构件损坏非常小，预制连接节点区的抗剪强度较大。

（!）相对位移能力较强。预应力连接的相对位移能力不仅能超过设计位移能力，而且在强度没有显著降低的情况下甚至可超过设计能力$""=以上。

（>）位移恢复能力强，残余变形小。试验证明试件最大残余变形约为最大位移的!3!=；外力移去后裂缝闭合，在节点区和梁上没有可见裂缝。这表明结构在地震之后可能只有很小的残余变形，很可能回到其初始位置附近。

（&）预应力连接的剪力—位移曲线表现为弹性非线性关系。经历设计地震的变形后在小变形时的刚度与初始刚度接近。

（’）能量耗散少。试验中能量耗散最多的预应力连接在反复加载的每个循环中的耗能量仅有现浇构件的#"=。

（#）无粘结预应力连接比有粘结预应力连接的刚度退化小。由于无粘结连接更易保持弹性，因而其刚度不易退化，梁柱接触面的摩擦抗剪能力也降低小。

!装配式混凝土框架的干连接

为消除湿连接需现浇混凝土的缺点，美国、日本等

对适用于抗震设防区的装配式混凝土结构新连接进行了研究。与仿现浇的湿连接相反，由于这些连接方式都不需现浇混凝土，因而被称为“干”连接。干连接与湿连接的另一个明显不同在于：在湿连接框架中，设计允许的塑性变形往往设置在连接区以外的区域，连接区保持弹性；而干连接的框架则是预制构件保持在弹性范围，设计要求的塑性变形往往仅限于连接区本身，在梁柱结合面处会出现一条集中裂缝。因此与类似的现浇结构相比，可以预期装配式混凝土结构构件的破坏程度要小得多，容易实现震后修复。我国开展这方面的研

’(

究还很少，成果也很有限%&，。

!"#预应力连接

装配式框架结构通过张拉预应力筋施加预应力把

预制梁和柱连接成整体，这种连接就是预应力装配式

)(连接，可简称预应力连接%#，。

!"!混合连接

为了改善预应力连接能量耗散少的缺点，在预应

$85建筑技术第!"卷

力连接的基础上增加普通钢筋，利用其屈服来耗能，这样就形成了预应力钢筋和普通钢筋混合配筋的连接，简称混合连接#$%。

部的上下表面均去除一部分混凝土，梁上下伸出的高强钢筋与端部的预埋连接块体连成整体。柱中预埋延性杆，延性杆的两端带有杯状端头，杯中设有丝扣以便通过高强螺栓和梁端的预埋连接块体连接#:%。

!"!"#连接构造

可混合连接的构造如图!所示。梁和柱均为预制，

不设永久牛腿。梁的端部为矩形截面（顶部和底部设预留孔道），中部则在梁的顶部和底部分别设槽而呈&形截面，以便穿入普通钢筋。梁柱连接借助于灌浆的普通钢筋和后张预应力筋来实现。普通钢筋分别穿入梁顶和底及柱中的预留孔道，并在柱子两表面以外的一小段长度内设不粘结区，以防地震时普通钢筋过早断裂。预应力筋为无粘结或在梁跨中部分粘结。

!"$"!抗震性能

（’）构件破坏小。由于塑性变形集中发生于梁柱接触面处，因而这种连接比现浇连接的破坏少。

（(）变形能力强。试验表明这种连接在相对位移

图!

混合连接

达到!/76时强度未退化，而现浇连接则在此时强度已明显降低。

（!）这种连接的滞回曲线有捏缩现象。由于延性杆受拉屈服后再反向加载时，压区只有延性杆接触受压，所以直到压区混凝土重新接触之后刚度才会增加。

（8）节点域箍筋应力较大。由于延性杆的作用使节点域更依赖于桁架传力机制，因而箍筋的应力较现浇节点大。

!"!"!抗震性能

（’）强度与现浇结构相当。与现浇钢筋混凝土相同尺寸的混合连接框架可以具有与之相同的强度，且在受到变形时普通钢筋断裂之前强度不降低。

（(）混合连接的自恢复性好。由于预应力的作用使该种连接在外荷载移去后的残余变形非常小。

（!）变形能力强。混合连接在变形很大时仍能有一定的强度。)*++*,-./01234在试验中发现，一个混合连接达到约56的相对位移时，强度仍保持最大强度的776。

（8）耗能性能好。已有试验表明，混合连接在’/76的相对位移之前比现浇连接耗散更多的能量，之后耗散的能量约相当于现浇连接的"76。

（7）构件损坏小。体系的混凝土损坏即使在位移达到设计位移甚至更大时也几乎可忽略，构件裂缝很窄（除梁与柱接触面的集中裂缝外构件的裂缝宽度均在’--以内），荷载移去后裂缝全部闭合，只在梁端角部出现很少的保护层混凝土劈裂。

（5）节点域抗剪能力优于现浇结构。大变形时抗剪能力无下降，按常规配筋时节点箍筋中的应力很小，试验中发现未超过9/’7倍的屈服应力，没有剪切破坏迹象。这种现象与现浇试件形成了鲜明的对照：现浇试件节点域受到了严重的剪切开裂，已不能修复。

!"%其他连接

关于装配式框架的干连接，除上述三种以外还有

拉压屈服连接、拉压屈服带缝连接（;.<=>,?）、剪切连接和摩擦连接。前两种连接从性能上不如上述三种连接，后两种连接目前已完成概念开发，但就其复杂程度和潜在的适用性而言，难于与上述三种相提并论，因此对其研究成果相对较少#’9%。

$装配式混凝土框架结构的分析和设计方法

湿连接的混凝土框架结构由于其仿现浇特性而使

其除构造不同外，分析与设计方法与现浇结构完全相同。而干连接的框架结构，其塑性变形集中于连接处，此处出现裂缝集中；同时，由于预应力筋和普通钢筋的无粘结区域的出现，使得截面上钢筋与混凝土的变形协调条件不再适用，因而必须采用新的分析方法。

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延性杆连接连接构造

如图8所示。梁和柱均为预制，不设永久牛腿。梁端

J,-?,3*3#’(%在分析了预应力连接和混合连接的特点之

后，分别给出了变形协调分析方法。通过总结分析可知，建立连接区域甚至整个构件变形协调条件，有望解

!""#年第$$期董挺峰c等：装配式混凝土框架结构及其抗震性能研究

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决该结构的分析问题。

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%&’()*+,-./012304$$5等人给出了无粘结预应力连

接的装配式框架结构基于强度的设计方法；672189-1)

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则建议采用倒置设计过程来设计这类结构体系，即从指定的设计位移开始，止于需求的结构强度和初始刚度，即采用基于位移的设计方法。

笔者认为，一方面，在强烈地震作用下，考虑地震作用引起的效应，往往是结构适应强迫位移而表现出来的变形能力问题；另一方面，干连接的装配式结构的性能与传统结构的弹塑性性能有着很大区别；因此，对于干连接的装配式混凝土结构的设计，应着重研究应用基于位移的设计方法。

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!结论

通过总结分析国内外关于装配式混凝土框架结构

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及其连接的研究，可以得出以下结论。

（$）预制构件之间的连接决定着装配式结构的抗震性能。湿连接能够达到现浇连接的性能，但需现浇部分混凝土；干连接不仅能够去除湿连接需现浇混凝土的缺点，而且具有良好的抗震性能。因而将来完全可以应用于抗震设防区。

（!）预应力连接、混合连接、柔性杆连接都具有良好的变形能力，塑性变形集中于梁柱结合面处，且在地震作用下构件破坏小。预应力连接和混合连接都具有自恢复特性，残余变形小，前者能量耗散能力小，后者耗散能力强。柔性杆连接的节点抗剪能力不如前两者。

（:）由于干连接的构造和变形特点，建立连接区域或整个构件变形协调条件的分析方法，有望解决该结构的分析问题。

（;）基于位移的设计方法有望更好地解决装配式混凝土结构设计问题，建议研究采用该方法设计装配式混凝土结构。

参考文献

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杜拱辰+;"年来预应力混凝土在我国房屋建筑中的应用与发展+土（$）：木工程学报+$<<=，:":.$>?

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目

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晋哲锋+预压装配式预应力混凝土梁柱节点在低周反复荷载作用

合肥工业大学硕士学位论文，!"";，>?

装配式抗震框架延性节点

下的抗震性能分析+

林宗凡，,+E+/&’&R，%+,+P71’17+

的研究+同济大学学报，（!）：$<<\，!#$:>.$:\?

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/egmm.html