吳 剛， 馮德成， 徐 照， 繆昌文

(東南大學(xué) a.混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.國(guó)家預(yù)應(yīng)力工程技術(shù)研究中心；c.江蘇省土木工程材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096)

隨著我國(guó)近年來(lái)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與改變，傳統(tǒng)建筑業(yè)面臨以下嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：勞力短缺、成本提升、業(yè)主對(duì)工期和質(zhì)量提出更高要求，以及綠色環(huán)保安全等方面的嚴(yán)格規(guī)定。相對(duì)于傳統(tǒng)現(xiàn)澆型建筑，裝配式建筑作為以上各個(gè)問(wèn)題的更優(yōu)解，得到了快速發(fā)展和廣泛認(rèn)可。工程界采用裝配式技術(shù)取得良好效益，政府明確了建筑業(yè)未來(lái)方向在于“綠色、工業(yè)化、信息化”。進(jìn)一步地，以上背景并不局限于國(guó)界，大體上逐步成為世界主流。

裝配式建筑工法的完善使結(jié)構(gòu)的預(yù)制率不斷提升，目前已達(dá)到較高的水平，尤其是在歐洲出現(xiàn)了不少出色的全預(yù)制案例；在美國(guó)、日本和我國(guó)，在高烈度地震區(qū)采用較高預(yù)制率的結(jié)構(gòu)，也有一系列成功經(jīng)驗(yàn)。此外，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)在高層、大型、復(fù)雜的建設(shè)中得到不斷推廣。在這樣的行業(yè)背景下，預(yù)制構(gòu)件所帶來(lái)的影響并不能通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)性能、連接性能的深入研究就得到全面的解答，學(xué)者與工程師們對(duì)裝配式混凝土結(jié)構(gòu)有區(qū)別于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的體系性能、行為、機(jī)理日益關(guān)注，并針對(duì)以下方面進(jìn)行了研究：

(1)高預(yù)制率、多個(gè)部件采用全預(yù)制的結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)假設(shè)的適用性及其偏差程度，例如樓板面內(nèi)剛性、次梁不引起主梁扭轉(zhuǎn)、非結(jié)構(gòu)墻體對(duì)剛度的貢獻(xiàn)和對(duì)破壞模式的影響等等；

(2)等效現(xiàn)澆的裝配式節(jié)點(diǎn)，因其預(yù)制的精細(xì)以及高性能新材料等技術(shù)，能否形成高延性和構(gòu)件承載力的合理梯度，從而保證體系在大震下實(shí)現(xiàn)合理的出鉸機(jī)制；

(3)非等效現(xiàn)澆的新型裝配式節(jié)點(diǎn)性能如何影響到體系行為，例如采用預(yù)應(yīng)力和節(jié)段化降低殘余位移，再進(jìn)一步結(jié)合體外耗能件和二次剛度技術(shù)實(shí)現(xiàn)全過(guò)程損傷可控與快速修復(fù)。

以上方面的研究是裝配式混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)性能研究的必要延伸，節(jié)點(diǎn)性能的已有成果為其提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，然而以下方面的研究則拓展了裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系的前景：

(1)利用預(yù)制的便利在體系的局部形成復(fù)雜而性能卓越的子結(jié)構(gòu)，或增加一道防線，如節(jié)段式耗能搖擺墻、框架結(jié)構(gòu)中的軟鋼耗能跨等；

(2)總體而言，形成了鉆石型斜網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系、網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)體系等難以通過(guò)現(xiàn)澆工法實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，方便形成節(jié)段面和柔性層，拓寬減隔震裝置優(yōu)化布設(shè)的可行域。

這些新型體系的結(jié)構(gòu)性能，帶來(lái)了設(shè)計(jì)計(jì)算的挑戰(zhàn)，現(xiàn)行規(guī)范和現(xiàn)有計(jì)算手段不可能全面涵蓋以上體系，一種觀點(diǎn)是通過(guò)判斷、簡(jiǎn)化、歸并等效等前期處理將其合理納入現(xiàn)有計(jì)算設(shè)計(jì)流程，另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為應(yīng)根據(jù)其本身特點(diǎn)設(shè)定不同的計(jì)算設(shè)計(jì)方法。

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系具有生產(chǎn)效率高、建設(shè)周期短、產(chǎn)品質(zhì)量好、環(huán)境影響小和可持續(xù)發(fā)展能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，符合我國(guó)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和綠色發(fā)展的要求，已經(jīng)成為目前建筑業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然途徑，但其現(xiàn)階段的發(fā)展應(yīng)用也存在諸多問(wèn)題，面臨很多挑戰(zhàn)。針對(duì)現(xiàn)階段裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜繁多，發(fā)展應(yīng)用緩慢等突出問(wèn)題，本文選取裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)、裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)、空間盒式結(jié)構(gòu)與模塊建筑結(jié)構(gòu)四類最具代表性的裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系，主要介紹論述其體系形式、優(yōu)缺點(diǎn)、試驗(yàn)研究等內(nèi)容，呈現(xiàn)裝配式結(jié)構(gòu)體系方面最新研究進(jìn)展的主流脈絡(luò)和理論思路，期望為我國(guó)今后裝配式混凝土結(jié)構(gòu)體系的理論發(fā)展和工程應(yīng)用提供一定的參考。

1 裝配式框架結(jié)構(gòu)體系

1.1 體系簡(jiǎn)介及特點(diǎn)

裝配式框架受力較為清晰，力傳遞路徑明確，按照承重構(gòu)件的連接方法，可以將預(yù)制混凝土框架劃分為濕連接框架和干連接框架兩種類型。濕連接框架即將混凝土澆筑(水泥漿灌注)在框架結(jié)構(gòu)的預(yù)制構(gòu)件之間，從而形成的整體框架結(jié)構(gòu)。干連接框架即框架的預(yù)制構(gòu)件之間采用干式連接，整體框架通過(guò)螺栓連接或焊接植入鋼板或其他鋼部件的連接件從而形成。

1.2 研究現(xiàn)狀

裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)體系的研究主要集中在梁柱節(jié)點(diǎn)連接的性能，因?yàn)樵摬课患仁墙Y(jié)構(gòu)受力核心部位，又是區(qū)別于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的主要部分。預(yù)制混凝土框架一般有等效連接和整體裝配式兩種連接方式，前者包括預(yù)應(yīng)力拼接及后澆整體式連接等節(jié)點(diǎn)形式，后者包括焊接連接，螺栓連接等節(jié)點(diǎn)形式。一般通過(guò)數(shù)值模擬方法及其試驗(yàn)研究對(duì)裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究。

1.2.1 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)研究一般采用低周反復(fù)加載的方式，探尋裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)的滯回行為、耗能能力、破壞模式以及局部連接可靠性等。

(1)裝配整體式梁柱節(jié)點(diǎn)性能研究

蔡建國(guó)等[1]試驗(yàn)研究了從法國(guó)引進(jìn)的世構(gòu)體系的基本性能，低周反復(fù)試驗(yàn)表明，混凝土的開(kāi)裂以及壓碎主要集中于鍵槽部位，梁柱節(jié)點(diǎn)的滯回曲線飽滿，耗能能力較為理想。

Im等[2]研究了一種特別的裝配整體式結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)——梁端帶U形鍵槽的梁柱節(jié)點(diǎn)，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)現(xiàn)澆梁柱節(jié)點(diǎn)相比，梁端帶U形鍵槽的裝配整體式梁柱節(jié)點(diǎn)的性能沒(méi)有明顯差別，同時(shí)試驗(yàn)研究還發(fā)現(xiàn)，梁端帶U形鍵槽的裝配整體式梁柱節(jié)點(diǎn)性能可通過(guò)一些構(gòu)造措施來(lái)提高，如在裝配整體式結(jié)構(gòu)的預(yù)制梁端包裹角鋼及提高預(yù)制梁端附加鋼筋的配筋率等措施。

Eom等[3]對(duì)Im等所研究的梁端帶U型鍵槽的裝配整體式梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了進(jìn)一步研究，主要考慮了此類梁柱節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造特點(diǎn)，與現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域塑性鉸外移的設(shè)計(jì)思路相結(jié)合，提出了三種新型裝配整體式梁柱節(jié)點(diǎn)，通過(guò)塑性鉸外移，裝配整體式梁柱節(jié)點(diǎn)的延性及耗能能力等性能明顯提高。

部分學(xué)者提出了梁端不帶鍵槽的裝配整體式梁柱節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行了研究：

Yuksel等[4]對(duì)工業(yè)建筑使用的節(jié)點(diǎn)和住宅使用的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比研究，將U型鋼筋用于兩種節(jié)點(diǎn)的上端和底部受力筋，通過(guò)對(duì)低周反復(fù)試驗(yàn)獲得的節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、剛度及延性等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：工業(yè)和民用預(yù)制節(jié)點(diǎn)在層間位移角為2%時(shí)有飽滿的荷載位移曲線及良好的耗能能力。

(2)裝配式干連接梁柱節(jié)點(diǎn)性能研究

裝配式干連接梁柱節(jié)點(diǎn)主要分為焊接連接、螺栓連接、預(yù)應(yīng)力連接、預(yù)應(yīng)力耗能連接等幾種類型。

1)焊接連接，施工方便，無(wú)需濕作業(yè)，但是焊接處的韌性較差，在循環(huán)荷載作用下容易出現(xiàn)脆性破壞。

Ersoy等[5]針對(duì)框架梁跨中焊接連接節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行研究，試驗(yàn)研究表明，此類節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、剛度、耗能都近似于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)。

黃祥海[6]提出了一種新的節(jié)點(diǎn)形式——鋼板焊接暗牛腿節(jié)點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)以及有限元分析發(fā)現(xiàn)，這種新的節(jié)點(diǎn)形式變形能力良好，承載能力也更貼近于現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)。

2)螺栓連接，在構(gòu)件生產(chǎn)時(shí)，依據(jù)設(shè)計(jì)要求預(yù)留相關(guān)安裝孔洞，運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)后，通過(guò)螺栓將梁柱構(gòu)件進(jìn)行錨固連接。對(duì)構(gòu)件精度要求較高，螺栓孔洞處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中造成構(gòu)件破壞，耗能能力較差。

呂西林等[7]提出了一種新型梁柱節(jié)點(diǎn)形式——采用橡膠墊螺栓連接的節(jié)點(diǎn)形式，試驗(yàn)研究表明，此類節(jié)點(diǎn)在試驗(yàn)過(guò)程中表現(xiàn)出良好的工作性能，同時(shí)為防止梁柱間產(chǎn)生滑移，應(yīng)注意保證螺栓具有足夠的預(yù)緊力。

Vidjeapriya等[8]考慮鋼結(jié)構(gòu)連接方式，提出一種新型預(yù)制混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)——牛腿與加肋角鋼結(jié)合的節(jié)點(diǎn)，試驗(yàn)研究表明，現(xiàn)澆構(gòu)件與預(yù)制構(gòu)件相比，節(jié)點(diǎn)的極限承載力更高，約為25%，但構(gòu)件表現(xiàn)出的的延性和耗能能力卻較差。

3)預(yù)應(yīng)力連接，預(yù)制梁柱構(gòu)件在工廠生產(chǎn)時(shí)，預(yù)留預(yù)應(yīng)力筋孔道，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后，將鋼絞線穿過(guò)梁柱構(gòu)件，并進(jìn)行張拉從而使梁柱構(gòu)件拼裝在一起。由于預(yù)應(yīng)力的作用，節(jié)點(diǎn)一般殘余位移較小，有較好的自我恢復(fù)能力，但耗能能力較差。

Priestley等[9]提出了在預(yù)制梁-柱節(jié)點(diǎn)使用無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行裝配的概念，即在節(jié)點(diǎn)區(qū)及梁端一定范圍內(nèi)的預(yù)應(yīng)力筋無(wú)粘結(jié)。試驗(yàn)研究表明，該節(jié)點(diǎn)的自恢復(fù)能力很強(qiáng)，在強(qiáng)震作用后梁柱之間的預(yù)壓狀態(tài)保持良好。

Priestley等[10]分別對(duì)一個(gè)后張無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土梁柱中節(jié)點(diǎn)和邊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了低周往復(fù)荷載試驗(yàn)，結(jié)果表明該類節(jié)點(diǎn)具有較強(qiáng)的自恢復(fù)能力，在大震作用下，無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋不會(huì)因?yàn)槌霈F(xiàn)局部屈服而引發(fā)結(jié)構(gòu)倒塌。

董挺峰等[11]通過(guò)試驗(yàn)研究了裝配式無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土框架節(jié)點(diǎn)，試驗(yàn)研究表明，該節(jié)點(diǎn)的自恢復(fù)能力很強(qiáng)，與現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)相比，耗能能力約為現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的60%～70%，整體上看試件比一般的鋼筋混凝土試件的破壞程度要小得多。

4)預(yù)應(yīng)力耗能連接，在預(yù)應(yīng)力連接基礎(chǔ)上，附加耗能裝置，在保證延性高、自復(fù)位良好等基礎(chǔ)上，提高了節(jié)點(diǎn)的耗能能力。

Cheok等[12]針對(duì)包含耗能鋼筋的預(yù)應(yīng)力裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行研究，試驗(yàn)研究表明，地震作用下此類節(jié)點(diǎn)的位移角與破壞模式可以滿足現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)的要求，甚至表現(xiàn)比現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)更加優(yōu)秀。

Morgen[13]討論了采用摩擦阻尼器進(jìn)行耗能的裝配式節(jié)點(diǎn)形式的概念，試驗(yàn)研究表明，此類節(jié)點(diǎn)的耗能能力以及自恢復(fù)能力都很優(yōu)越，并且該節(jié)點(diǎn)使用的摩擦阻尼器便于更換以及修復(fù)，有利于節(jié)點(diǎn)的維護(hù)。

(3)裝配式混凝土框架性能研究

Priestley等[10]基于預(yù)制混凝土框架結(jié)構(gòu)的位移討論了一種新的設(shè)計(jì)方法。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的基本規(guī)律為：首先確定結(jié)構(gòu)的屈服層間位移和位移延性系數(shù)；進(jìn)而得出與位移延性系數(shù)有關(guān)的阻尼比；然后通過(guò)對(duì)彈性位移反應(yīng)譜進(jìn)行分析，得到結(jié)構(gòu)的自振周期；再依次算出結(jié)構(gòu)的割線剛度和需求抗力；最后根據(jù)所算出的結(jié)構(gòu)需求抗力進(jìn)行設(shè)計(jì)。

Cheok等[14]進(jìn)行地震模擬試驗(yàn)，模擬在地震作用下采用混合型梁柱節(jié)點(diǎn)形式的預(yù)制框架，對(duì)其性能進(jìn)行研究，具體步驟為：在計(jì)算程序IDARC中建立一系列采用混合型梁柱節(jié)點(diǎn)形式的、具有典型層高的二維框架模型；對(duì)模型進(jìn)行靜力彈塑性分析(Pushover分析)，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與現(xiàn)澆框架相比，采用混合型梁柱節(jié)點(diǎn)形式的預(yù)制框架在破壞形式和基底抵抗剪力方面有著相近的性能。

加利福尼亞大學(xué)1995年[15]進(jìn)行擬動(dòng)力試驗(yàn)，研究五層預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)在地震作用下的性能。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，普通后澆節(jié)點(diǎn)與預(yù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)相比，耗能、強(qiáng)度損失、殘余變形和損壞程度均有所增加，同時(shí)，基于位移的設(shè)計(jì)方法的可靠性也得到了試驗(yàn)的有效驗(yàn)證。

在國(guó)內(nèi)，薛偉辰等[16]進(jìn)行了預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土空間結(jié)構(gòu)的擬靜力試驗(yàn)研究，研究對(duì)象為采用預(yù)應(yīng)力拼接的體育館看臺(tái)空間框架結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)表明此類結(jié)構(gòu)有較大的安全儲(chǔ)備和變形能力，結(jié)構(gòu)整體位移延性系數(shù)可達(dá)到2.04。

柳炳康等[17]進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，先后研究了1榀一層2跨、1榀二層2 跨預(yù)壓裝配式混凝土框架的性能。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，預(yù)壓裝配式混凝土框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的受力狀態(tài)為雙向受壓，該節(jié)點(diǎn)的抗裂性和抗震性能優(yōu)越。

1.2.2 數(shù)值模擬方法

現(xiàn)階段絕大部分裝配式混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能數(shù)值模擬所采用的分析方法與現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)相同，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能數(shù)值模擬按照其所建模型單元的不同，分為基于梁柱桿系單元和基于三維實(shí)體單元的分析方法。

(1)基于梁柱桿系單元的分析方法

Weldon等[18]利用DRAIN-2DX軟件對(duì)裝配式混凝土連梁進(jìn)行研究，分析其在側(cè)向荷載作用下的非線性反應(yīng)，分別采用纖維梁?jiǎn)卧⒏郊拥膹澢凹羟袕椈赡M連梁、連梁與剪力墻拼接部分的局部變形，最后獲得了所研究連梁的彎矩-轉(zhuǎn)角的全過(guò)程曲線。

陳適才等[19]利用OpenSees建立了一種新型裝配式混凝土節(jié)點(diǎn)數(shù)值模型，通過(guò)在梁端附加一種特殊的截面——零長(zhǎng)度截面(ZeroLength Section)，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系也采用傳統(tǒng)的鋼筋應(yīng)力-滑移關(guān)系來(lái)替代，研究表明了結(jié)構(gòu)的裝配部位出現(xiàn)粘結(jié)滑移現(xiàn)象對(duì)結(jié)構(gòu)承載力、延性等性能的影響。

(2)基于三維實(shí)體單元的分析方法

Kulkarni等[20]通過(guò)DIANA對(duì)裝配式混凝土鋼板的連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，針對(duì)此類節(jié)點(diǎn)的滯回性能進(jìn)行分析，分別采用平面應(yīng)力單元、桁架單元模擬混凝土和連接鋼板、鋼筋。

薛偉辰等[21]利用ANSYS對(duì)裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，分析結(jié)構(gòu)的非線性全過(guò)程，將鋼筋和混凝土單元單獨(dú)建模，研究與Kaya試驗(yàn)相同，僅對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了單調(diào)加載。

Zoubek等[22]采用ABAQUS對(duì)一種特殊的裝配式混凝土節(jié)點(diǎn)形式——暗銷連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，試驗(yàn)采用Park-Kent模型代替混凝土和灌漿的本構(gòu)關(guān)系，梁、柱、暗銷和灌漿的建模單元采用C3D8R實(shí)體單元，利用桁架單元模擬鋼筋。

Kremmyda[23]采用ABAQUS對(duì)一種插筋式的裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行研究，模擬該節(jié)點(diǎn)的滯回行為，拼接縫的剪切行為通過(guò)設(shè)置接觸界面性質(zhì)來(lái)體現(xiàn)。

1.3 發(fā)展方向

隨著裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用和研究的深入，其縮短工期、減少人工、降低費(fèi)用、綠色環(huán)保且質(zhì)量可靠的優(yōu)勢(shì)將得以展現(xiàn)，隨著建筑產(chǎn)業(yè)的升級(jí)，裝配式框架結(jié)構(gòu)將在我國(guó)大范圍推廣應(yīng)用。但現(xiàn)階段裝配式混凝土結(jié)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)整體性差、設(shè)計(jì)規(guī)范欠缺、僅僅局限于抗震設(shè)防烈度較低的區(qū)域等問(wèn)題，在一定程度上限制了其發(fā)展。針對(duì)以上問(wèn)題，未來(lái)可以著重從以下幾個(gè)方面作為研究的出發(fā)點(diǎn)：

(1)針對(duì)裝配整體式混凝土框架結(jié)構(gòu)，提出新的預(yù)制梁柱構(gòu)件連接方式使裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)達(dá)到或超過(guò)現(xiàn)澆的梁柱節(jié)點(diǎn)性能，將進(jìn)一步促進(jìn)裝配式混土框架結(jié)構(gòu)在中高烈度地震區(qū)域的推廣應(yīng)用；

(2)預(yù)壓裝配式或干式連接等連接節(jié)點(diǎn)，其設(shè)計(jì)方法和性能評(píng)估不適用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)范，根據(jù)不同的預(yù)制構(gòu)件連接特點(diǎn)建立相應(yīng)的設(shè)計(jì)分析方法也是將來(lái)一個(gè)重要的發(fā)展方向；

(3)新材料新技術(shù)的應(yīng)用，由于裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工不同于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，其具有較強(qiáng)的設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性，因此，ECC材料、形狀記憶合金和新型耗能裝置等新材料和新技術(shù)的應(yīng)用，將極大地凸顯裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

2 裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)體系

2.1 體系簡(jiǎn)介及特點(diǎn)

剪力墻結(jié)構(gòu)是除了框架外另一種主要的結(jié)構(gòu)形式，其抗側(cè)剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于框架，在高層建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用極為廣泛。隨著建筑工業(yè)化的浪潮席卷而來(lái)，剪力墻結(jié)構(gòu)的預(yù)制裝配化有著十分重要的意義，其大規(guī)模的使用有利于促進(jìn)我國(guó)的建筑工業(yè)化和住宅產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。

與裝配式框架結(jié)構(gòu)需要重點(diǎn)研究梁柱節(jié)點(diǎn)不同，裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)的研究重點(diǎn)是解決剪力墻的水平和豎向接縫問(wèn)題。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了各種預(yù)制裝配剪力墻結(jié)構(gòu)體系，并為解決剪力墻的水平和豎向接縫問(wèn)題進(jìn)行了廣泛而細(xì)致的研究。

2.2 研究現(xiàn)狀

國(guó)外常用的幾種裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)形式主要包括：無(wú)粘結(jié)后張拉預(yù)制剪力墻、大板結(jié)構(gòu)體系、夾芯板剪力墻。在國(guó)內(nèi)，目前研究熱點(diǎn)主要是濕法連接預(yù)制裝配剪力墻體系，包括采用搭接連接、套筒漿錨連接、套箍連接等不同連接方法的預(yù)制剪力墻，此外，國(guó)內(nèi)對(duì)于疊合剪力墻也進(jìn)行了大量的研究，工程應(yīng)用也較多。而對(duì)于后張無(wú)粘結(jié)預(yù)制裝配剪力墻以及干法連接預(yù)制裝配剪力墻的研究均處于起步階段，研究進(jìn)度落后于國(guó)外。

2.2.1 疊合板式預(yù)制裝配剪力墻

疊合板式剪力墻結(jié)構(gòu)，如圖1，結(jié)構(gòu)體系中同時(shí)包括預(yù)制疊合構(gòu)件與全現(xiàn)澆構(gòu)件，實(shí)質(zhì)上是一種半裝配式剪力墻結(jié)構(gòu)。國(guó)外已是一項(xiàng)十分成熟的技術(shù)，在中國(guó)研究方興未艾。

圖1 疊合板式剪力墻構(gòu)造

現(xiàn)有研究結(jié)果表明[24～26]，與現(xiàn)澆剪力墻的性能相比，疊合板式剪力墻在開(kāi)裂、破壞形態(tài)等性能方面較為相近，但在承載力、延性和變形能力等方面較為不足，其具體表現(xiàn)為：疊合面抗剪強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求、無(wú)任何滑移現(xiàn)象發(fā)生，疊合板有良好的整體工作性能。

2.2.2 濕法連接預(yù)制裝配剪力墻

(1)約束漿錨鋼筋搭接連接

將內(nèi)表面粗糙的孔洞預(yù)留在預(yù)制混凝土構(gòu)件預(yù)埋鋼筋底端旁，在預(yù)制混凝土構(gòu)件吊裝安裝后，將被連接鋼筋插入預(yù)留的孔洞內(nèi)并留有一定的長(zhǎng)度以便于兩根鋼筋的搭接，再將灌漿料灌入預(yù)留孔洞內(nèi)，凝結(jié)硬化后預(yù)埋鋼筋與被連接鋼筋即可連為一體，如圖2。

這項(xiàng)連接技術(shù)合理可靠，節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能較為優(yōu)異，但對(duì)施工精度要求較高，吊裝難度大，構(gòu)件在生產(chǎn)、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)輸過(guò)程中難免會(huì)導(dǎo)致預(yù)留鋼筋位置偏移而使墻板吊裝困難[27～29]。

(2)金屬波紋管預(yù)留孔漿錨連接

主要墻體的豎向鋼筋連接方式采用漿錨連接，通過(guò)在金屬波紋管上預(yù)留孔洞實(shí)現(xiàn)，如圖3。將后澆節(jié)點(diǎn)預(yù)留在縱向預(yù)制剪力墻與橫向預(yù)制剪力墻的連接處，在后澆節(jié)點(diǎn)處使附加鋼筋相互交錯(cuò)，并將附加鋼筋提前埋設(shè)在縱、橫向預(yù)制剪力墻內(nèi)，通過(guò)設(shè)計(jì)確定附加鋼筋的數(shù)量、間距、直徑等數(shù)據(jù)，以達(dá)到與原截面預(yù)制剪力墻配筋相同的效果，最后在連接部位進(jìn)行澆筑，即形成剛性連接節(jié)點(diǎn)；水平構(gòu)件與豎向構(gòu)件節(jié)點(diǎn)采用預(yù)留鋼筋疊合現(xiàn)澆連接，形成整體的新型預(yù)制裝配剪力墻結(jié)構(gòu)體系(New Precast Concrete，NPC)[30～32]。

圖3 金屬波紋管預(yù)留孔漿錨連接

(3)套筒漿錨連接

套筒灌漿連接即在對(duì)接套筒插入鋼筋，如圖4，然后將預(yù)先配備好的無(wú)收縮高強(qiáng)度灌漿材料注入灌漿機(jī)，等待一段時(shí)間，灌漿材料硬化，從而使對(duì)接套筒與筒內(nèi)鋼筋緊密連接。豎向鋼筋間的應(yīng)力通過(guò)套筒內(nèi)表面與鋼筋表面之間的粘結(jié)力得以有效地傳遞，同時(shí)，由一定比例的水泥、膨脹劑、細(xì)骨料以及高性能外加劑組成的高強(qiáng)度灌漿材料所具有的高強(qiáng)性與無(wú)收縮性也發(fā)揮了重要的作用。

圖4 套筒漿錨連接

由于在預(yù)制剪力墻中通過(guò)套筒漿錨連接可以使豎向鋼筋間的應(yīng)力得到有效傳遞，與剪力墻的現(xiàn)澆構(gòu)件相比，預(yù)制構(gòu)件的破壞形態(tài)、剛度和耗能能力都很相近，因此，預(yù)制剪力墻的受壓承載力符合設(shè)計(jì)要求，可按照現(xiàn)行規(guī)范對(duì)其進(jìn)行計(jì)算[33,34]。

2.2.3 無(wú)粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力預(yù)制剪力墻

無(wú)粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝剪力墻體系(圖5)是由后張預(yù)應(yīng)力預(yù)制墻板通過(guò)水平節(jié)點(diǎn)和豎向節(jié)點(diǎn)連接建造而成。處于樓層處水平節(jié)點(diǎn)與豎向節(jié)點(diǎn)分別處于樓層與相鄰墻板間，分別使用不與混凝土粘結(jié)的后張拉鋼筋、不連續(xù)的延性連接器進(jìn)行豎向剪力的傳遞以及地震能量的消耗。

圖5 無(wú)粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力預(yù)制剪力墻

特別地，一些特殊的無(wú)粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土剪力墻在地震作用下表現(xiàn)出層間搖擺的特性，也可歸類為搖擺墻結(jié)構(gòu)。國(guó)外已有相關(guān)研究，如Kurama等設(shè)計(jì)的增設(shè)粘滯阻尼器的搖擺墻框架結(jié)構(gòu)，Sofia Gavridou等進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的四層預(yù)制框架剪力墻結(jié)構(gòu)等。

研究結(jié)果表明，無(wú)粘結(jié)后張預(yù)應(yīng)力剪力墻具有足夠的強(qiáng)度和延性，自復(fù)位能力尤其優(yōu)秀。此外，有學(xué)者進(jìn)一步采用低碳鋼和無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋混合以增大剪力墻的耗能能力。該體系在國(guó)外進(jìn)行了大量研究，并編寫(xiě)了相關(guān)規(guī)范[35～37]。國(guó)內(nèi)只有同濟(jì)大學(xué)、東南大學(xué)等少數(shù)單位進(jìn)行了探索性研究[38,39]。

2.2.4 干法連接預(yù)制裝配剪力墻

預(yù)制剪力墻結(jié)構(gòu)水平接縫的干式連接方案，即采用高強(qiáng)度螺栓或者預(yù)埋鋼板焊接作為剪力墻水平和豎向的連接方式，如圖6。該種連接方式完全擺脫濕作業(yè)，發(fā)揮裝配式的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，連接部位受力機(jī)理明確。

圖6 干法連接預(yù)制裝配剪力墻構(gòu)造

現(xiàn)有研究表明，干法連接預(yù)制裝配剪力墻試件發(fā)生彎曲破壞，耗能能力優(yōu)于裝配整體式和現(xiàn)澆剪力墻，抗震性能很好。國(guó)內(nèi)主要有同濟(jì)大學(xué)薛偉辰、東南大學(xué)邱洪興團(tuán)隊(duì)(圖7)進(jìn)行了相關(guān)研究[40,41]。

圖7 干法連接預(yù)制裝配剪力墻低周往復(fù)試驗(yàn)

2.3 發(fā)展方向

綜合文獻(xiàn)的研究現(xiàn)狀來(lái)看，預(yù)制裝配剪力墻結(jié)構(gòu)體系具有抗震性能良好、抗側(cè)剛度大等優(yōu)勢(shì)，但也存在連接部位薄弱等需要解決的問(wèn)題。隨著預(yù)制裝配剪力墻結(jié)構(gòu)體系性能的研究深入及大量工程實(shí)踐，其抗側(cè)剛度大、抗震性能好的優(yōu)勢(shì)將得以展現(xiàn)，以后將在高層和超高層結(jié)構(gòu)中大規(guī)模推廣應(yīng)用。同時(shí)針對(duì)其現(xiàn)階段存在的問(wèn)題，后續(xù)研究可以圍繞以下兩個(gè)方面進(jìn)行：

(1)研究新的預(yù)制裝配剪力墻水平和豎向連接技術(shù)，重點(diǎn)解決預(yù)制拼裝剪力墻結(jié)構(gòu)在水平和豎向接縫處較為薄弱的問(wèn)題，以及提高預(yù)制墻抗側(cè)剛度使其達(dá)到等同現(xiàn)澆剪力墻。

(2)研發(fā)新的預(yù)制裝配剪力墻結(jié)構(gòu)體系，其結(jié)構(gòu)性能并不追求等同現(xiàn)澆，而是滿足在地震作用下低損傷、自復(fù)位、可修復(fù)的新型高性能預(yù)制裝配剪力墻體系。

3 裝配式空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系

3.1 體系簡(jiǎn)介及特點(diǎn)

裝配式空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系是一種我國(guó)完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型結(jié)構(gòu)體系，它擁有跨越能力強(qiáng)、構(gòu)件尺寸小、節(jié)約材料、節(jié)省層高等優(yōu)點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系而言有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，非常切合我國(guó)節(jié)約土地、促進(jìn)環(huán)境友好建設(shè)的發(fā)展方針，是一種極有發(fā)展前景的新型結(jié)構(gòu)體系。

裝配式空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系主要包含裝配式空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、裝配式空腹夾層板結(jié)構(gòu)、裝配式盒式結(jié)構(gòu)，下面就這三種結(jié)構(gòu)形式，對(duì)現(xiàn)有研究進(jìn)行歸納總結(jié)。

3.1.1 裝配式空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

馬克儉等[42]考慮到當(dāng)時(shí)平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及組合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的不足，提出了一種新型空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)的裝配整體式施工方法。鋼筋混凝土空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，由鋼筋混凝土空腹桁架(圖8)交叉組成，桁架一般采用雙向正交的交叉形式。鋼筋混凝土空腹桁架的上、下弦桿一般選用矩形截面，豎桿一般選用方形截面。將新型空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)運(yùn)用于兩個(gè)實(shí)際工程中，發(fā)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)可以節(jié)約混凝土用量25%～30%，自重減輕40%，同時(shí)撓度等技術(shù)指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求，且簡(jiǎn)化計(jì)算方法及施工方案切實(shí)可行，證明新型空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有極高的實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)效益。

圖8 空腹桁架構(gòu)造

3.1.2 裝配式空腹夾層板結(jié)構(gòu)

研究人員對(duì)裝配式空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深入的研究之后，提出了一種新型結(jié)構(gòu)——裝配式空腹夾層板結(jié)構(gòu)(圖9)。與裝配式空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相比，空腹夾層板結(jié)構(gòu)在網(wǎng)格劃分上的基本要求基本相同，即每個(gè)柱網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)格數(shù)量不應(yīng)少于5×5，網(wǎng)格尺寸a=1500～2000 mm，保證其力學(xué)特性符合空間“網(wǎng)格板”的要求。圖10為空腹夾層板的剖面構(gòu)造，預(yù)制板與上肋通過(guò)預(yù)留鋼筋連接共同工作?？崭箠A層板厚度h在(1/30～1/35)L(L為跨度)之間，一般與實(shí)心平板的厚度相等，其上、下肋截面b1×h1中要求b1>h1，豎桿截面一般仍為b1×b1且h2/b1≤1，力學(xué)特性改變?yōu)椤皦K體單元”。通過(guò)對(duì)空腹夾層板進(jìn)行受力性能和經(jīng)濟(jì)性能的分析，在同等結(jié)構(gòu)響應(yīng)下，空腹夾層板結(jié)構(gòu)可比傳統(tǒng)梁板結(jié)構(gòu)節(jié)省20%左右的材料用量，且可降低0.3 m左右的層高，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖10 空腹夾層板剖面構(gòu)造

3.1.3 裝配式盒式結(jié)構(gòu)

空間網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)是在空腹夾層板的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)的大尺寸框架柱改為小柱距(2～4 m)的密柱，同時(shí)在層間添加層間梁(圖11，12)。由于結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度與柱子的線剛度、計(jì)算長(zhǎng)度緊密關(guān)聯(lián)，盒式結(jié)構(gòu)通過(guò)密梁密柱的布置，增大了梁柱的線剛度，減小了各自的計(jì)算長(zhǎng)度，使得結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度有了明顯提高，構(gòu)件尺寸得以大幅度縮減，同時(shí)由于使用了空腹夾層板，結(jié)構(gòu)自重大幅度下降，且可以節(jié)省層高，具有很好的實(shí)用價(jià)值及經(jīng)濟(jì)效益。

圖11 鋼空間網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)

圖12 鋼空間網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)構(gòu)圖/mm

3.2 研究現(xiàn)狀

韋明輝等[43]對(duì)空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了縮尺模型試驗(yàn)，重點(diǎn)研究其可靠性及理論計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。通過(guò)模型試驗(yàn)證明，新型空腹網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的性能可靠度高、空間剛度大、內(nèi)力重分布性能好，且理論計(jì)算方法可靠。

馬克儉等[44]對(duì)空腹夾層板的穩(wěn)定性及平面內(nèi)剛度進(jìn)行了理論推導(dǎo)，表明其具有很大的平面剛度及整體穩(wěn)定性能，可以沿用剛性樓板假定進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。

張華剛等[45]對(duì)空腹夾層板的力學(xué)性能進(jìn)行了理論推導(dǎo)。通過(guò)連續(xù)化分析，引入了擬夾層板的分析方法，使用了三個(gè)廣義位移解出了空腹夾層板的高階偏微分基本方程，對(duì)空腹夾層板的受力性能和特點(diǎn)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

段渝忠等[46]對(duì)空腹夾層板進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究其節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)。試驗(yàn)記錄了從結(jié)構(gòu)開(kāi)始加載到結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的全過(guò)程的數(shù)據(jù)，獲得了結(jié)構(gòu)的荷載-變形曲線。試驗(yàn)研究表明，結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)為彎曲破壞，具有良好的延性以及較大的安全冗余度。

孫濤[47]較為完整地研究了空間鋼網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)的構(gòu)造、力學(xué)特性、受力特征、計(jì)算及設(shè)計(jì)方法。

彭登等[48]針對(duì)空間網(wǎng)格盒式筒中筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，研究此類結(jié)構(gòu)在特定建筑——超高層建筑中的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)盒式筒中筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性時(shí)程分析，發(fā)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)剛度大，地震下效應(yīng)均勻且較小，同時(shí)結(jié)構(gòu)自重輕，在超高層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用較為理想。

張震等[49]針對(duì)多層大跨度結(jié)構(gòu)中的空間網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，研究他們的受力性能?；谟邢拊浖治鰧?duì)比了兩棟分別采用盒式結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)的3層大跨度(21.6 m)結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能，發(fā)現(xiàn)盒式結(jié)構(gòu)在抗側(cè)剛度、地震響應(yīng)、材料用量、受力分布等方面均優(yōu)于傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)。

3.3 發(fā)展方向

隨著空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系性能的研究深入及大量工程實(shí)踐，其剛度大、抗震性能好、跨越能力強(qiáng)、節(jié)省材料的優(yōu)勢(shì)將得以展現(xiàn)，以后多層大跨度結(jié)構(gòu)及高層結(jié)構(gòu)將成為一種很有優(yōu)勢(shì)的結(jié)構(gòu)形式，但盒式結(jié)構(gòu)由于節(jié)點(diǎn)及構(gòu)件數(shù)量較多，現(xiàn)場(chǎng)澆筑工序較多，降低了其實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。基于以上問(wèn)題空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展方向可從以下幾個(gè)方面著手：

(1)將其與建筑工業(yè)化技術(shù)相結(jié)合，解決空間網(wǎng)格盒式結(jié)構(gòu)體系由于節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件多帶來(lái)的模板需求量大及現(xiàn)澆工序繁瑣的問(wèn)題。同時(shí)開(kāi)發(fā)適用于盒式結(jié)構(gòu)的特有裝配式施工方法，進(jìn)一步彌補(bǔ)盒式結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆復(fù)雜的弱點(diǎn)，提高其實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，使其具有更好的工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

(2)將新結(jié)構(gòu)體系運(yùn)用到高層結(jié)構(gòu)中去，利用其剛度大、抗震能力強(qiáng)、跨越能力好的優(yōu)勢(shì)，改善現(xiàn)有結(jié)構(gòu)性能，達(dá)到結(jié)構(gòu)大空間靈活劃分居室的目的，并大幅度提高結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性能。

4 裝配式模塊化結(jié)構(gòu)體系

4.1 體系簡(jiǎn)介及特點(diǎn)

模塊建筑是一種高度集成的預(yù)制裝配體系[50,51]，其特點(diǎn)是在三維的預(yù)制模塊單元(類似于集裝箱)中，集成建筑外墻、裝修、管線設(shè)備等。生產(chǎn)完畢后，運(yùn)往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行吊裝拼接，如圖13所示。其預(yù)制裝配體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)與使用功能兩方面：不僅結(jié)構(gòu)部分施工便捷，還免去了后期的裝修等工作，這是它相對(duì)于其他裝配技術(shù)的最大不同。

圖13 模塊建筑體系

模塊的生產(chǎn)從單純模仿集裝箱結(jié)構(gòu)逐步趨向于多元化，包括大開(kāi)間但較柔的角柱模塊，以及較封閉但較剛的鋼板剪力墻模塊等，如圖14所示。

圖14 模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的部分類型示例

堆放式的模塊本身應(yīng)足以承受累積性的豎向荷載。然而，更重要的是承受水平荷載的結(jié)構(gòu)方案：當(dāng)設(shè)計(jì)側(cè)向力較小時(shí)，模塊自身結(jié)構(gòu)足以抗側(cè)；在高層結(jié)構(gòu)中，或者高烈度地震區(qū)，需要外加抗側(cè)力體系或減隔震措施?，F(xiàn)分述如下：

(1)純模塊體系：通過(guò)模塊自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗側(cè)，因不需附加其他抗側(cè)結(jié)構(gòu)，具有較快的建造速度。多用于非抗震區(qū)且層數(shù)在八層及八層以下的建筑。

(2)模塊-外加抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系：在高層建筑中或高烈度地區(qū)，需要外加抗側(cè)力結(jié)構(gòu)抵抗風(fēng)荷載和地震作用。包括：外加混凝土核心筒[52]、外加框架[53,54]、外加框架-支撐體系等[54]。

(3)減隔震模塊結(jié)構(gòu)體系：在對(duì)抗震有更高要求的地區(qū)，采用減震隔震的措施進(jìn)一步消耗地震能量。包括：底部隔震模塊結(jié)構(gòu)、懸掛式模塊結(jié)構(gòu)(次結(jié)構(gòu)模塊化的懸掛結(jié)構(gòu))[55]等。

以上第二種體系較為常見(jiàn)，其中層內(nèi)傳遞水平力的方案是結(jié)構(gòu)抗側(cè)的重點(diǎn)。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以假設(shè)樓板在平面內(nèi)剛度無(wú)限大，然而在模塊建筑中，上述假設(shè)不一定成立。現(xiàn)有的層內(nèi)傳力組織方案可分為以下三類：(1)通過(guò)疊合樓板的等效連接以及整體裝配式連接等方式，利用整塊樓板進(jìn)行層內(nèi)傳力；(2)通過(guò)人為設(shè)定傳力路徑，如通過(guò)特殊的走廊模塊將力傳遞給抗側(cè)力體系；(3)各模塊均與抗側(cè)力體系直接相連。

模塊建筑還具有“簇梁簇柱”的特征，即各模塊拼接后，相鄰模塊的框架梁柱形成更大的但是松散的梁柱組合體，具有與傳統(tǒng)框架不同的結(jié)構(gòu)特性。

4.2 研究現(xiàn)狀

各國(guó)高校與研究機(jī)構(gòu)提出多種適用于不同場(chǎng)合的模塊結(jié)構(gòu)體系，并進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)研究。

加拿大西安大略大學(xué)的Annan等[56]提出了一種帶支撐的純模塊結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)的某些外周模塊的一側(cè)帶有對(duì)心鋼支撐，平面內(nèi)若干關(guān)鍵點(diǎn)采用在模塊框架梁上加焊連接角鋼，通過(guò)角鋼上的螺栓進(jìn)行連接的方式使層內(nèi)模塊形成整體，如圖15所示。其層間連接采用模塊柱端板焊接的方式。這樣的體系能夠應(yīng)用于抗震區(qū)的低層建筑。

圖15 帶支撐純模塊結(jié)構(gòu)體系

為研究模塊柱端板焊接對(duì)上述體系性能的影響，Annan等[56]對(duì)“雙頂梁”帶支撐框架進(jìn)行了低周往復(fù)試驗(yàn)，如圖16所示。其破壞形式是焊接處柱端發(fā)生受彎破壞。與普通鋼框架相比，剛度退化明顯，但滯回曲線更加飽滿，承受20個(gè)循環(huán)并達(dá)到3.5%的層間位移角。此結(jié)構(gòu)形式的抗震性能得到了初步證明。

圖16 帶支撐純模塊結(jié)構(gòu)低周往復(fù)試驗(yàn)

Honga等[57]提出了帶有高細(xì)長(zhǎng)比夾心鋼板的模塊，旨在為多層純模塊結(jié)構(gòu)增加首道防線，如圖17所示。雙層鋼板與內(nèi)芯波紋板采用焊接連接，模塊層間連接分別在夾心板端部和模塊柱端部的位置。試驗(yàn)包括夾心板本身、純模塊與兩層帶夾心鋼板模塊的滯回性能。結(jié)果顯示：(1)面板與內(nèi)芯脫開(kāi)后發(fā)生局部屈曲，此時(shí)，夾心板失效；(2)模塊柱端產(chǎn)生塑性鉸，純模塊的失效；(3)夾心鋼板端部出鉸早于模塊柱端出鉸，實(shí)現(xiàn)了首道防線的作用，滯回曲線飽滿，耗能與延性良好。

圖17 帶有高細(xì)長(zhǎng)比夾心鋼板模塊低周往復(fù)試驗(yàn)

天津大學(xué)陳志華提出新型的模塊連接方式[58]，由中部的銷軸體保證層內(nèi)傳力，由模塊梁端的螺栓保證層間傳力，在墻體角部預(yù)留操作空間，方便現(xiàn)場(chǎng)拼接，如圖18所示。針對(duì)此連接的十字節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行單調(diào)及低周往復(fù)試驗(yàn)：(1)滯回曲線飽滿，耗能能力良好；(2)破壞模式是綜合性的，包括銷軸體裂縫、梁裂縫、腋撐端部的撕裂或斷裂，以及柱端的局部屈曲等；(3)連接的冗余度較高，體系始終有良好的整體性。此項(xiàng)技術(shù)適用于多層純模塊結(jié)構(gòu)體系。

圖18 帶有銷軸體的模塊結(jié)構(gòu)示意

此外，Park等[59]針對(duì)模塊建筑的“簇柱”特點(diǎn)，提出了將底層簇柱焊接于同一塊底板上，放置于帶有波紋管內(nèi)壁的基礎(chǔ)杯口中進(jìn)行后澆的基礎(chǔ)形式，并對(duì)底層柱頂端加載進(jìn)行低周往復(fù)試驗(yàn)證明其良好性能。

4.3 發(fā)展方向

隨著模塊結(jié)構(gòu)體系性能研究的深入、設(shè)計(jì)方法通用化，以及模塊生產(chǎn)效率提高，其高速高集成的優(yōu)勢(shì)將得以更好發(fā)揮，廣泛地應(yīng)用于多高層住宅、酒店和辦公樓。但現(xiàn)階段模塊結(jié)構(gòu)也存在施工困難、模塊質(zhì)量難以保證及標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展緩慢等問(wèn)題。為了解決模塊結(jié)構(gòu)的現(xiàn)存問(wèn)題，其未來(lái)發(fā)展方向一般認(rèn)為有以下幾個(gè)方面：

(1)與減隔震技術(shù)結(jié)合：利用每個(gè)模塊自成結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化得出減隔震裝置的新型布設(shè)方式，提升模塊結(jié)構(gòu)的性能。

(2)超高品質(zhì)模塊：利用工廠環(huán)境進(jìn)行精細(xì)化生產(chǎn)，使模塊本身具有超高品質(zhì)，同時(shí)以實(shí)際建筑要求制定其標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)流程。例如：高集成度智能設(shè)備、高耐火性能、自帶減振措施降低人致振動(dòng)與設(shè)備振動(dòng)以保證舒適度等。

(3)專門化的施工系統(tǒng)：針對(duì)模塊的吊裝與就位，開(kāi)發(fā)出專門化的施工系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)類似于軌道化的自動(dòng)提升與就位功能，將進(jìn)一步發(fā)揮其高速的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

本文從體系形式、優(yōu)缺點(diǎn)、試驗(yàn)研究、分析與設(shè)計(jì)方法、工程案例等方面論述了裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)、裝配式混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)、空間盒式結(jié)構(gòu)與模塊建筑結(jié)構(gòu)等幾類適用于多高層工業(yè)與民用建筑的裝配式建筑結(jié)構(gòu)體系。以上體系能充分發(fā)揮預(yù)制裝配的核心優(yōu)勢(shì)，而且具有較強(qiáng)的適用性，以及預(yù)制結(jié)構(gòu)特有的一些體系性能特點(diǎn)。較廣泛的工程應(yīng)用與學(xué)術(shù)界的持續(xù)關(guān)注證明了以上體系的綜合效益；此外，得益于其較廣的涵蓋面，以上體系仍具有充分的創(chuàng)新空間。

綜合現(xiàn)有成果，預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)的體系性能研究大致有以下三個(gè)焦點(diǎn)：(1)對(duì)適合裝配化的結(jié)構(gòu)形式形成成套技術(shù)體系，以框架結(jié)構(gòu)為例，除了框架梁柱節(jié)點(diǎn)，還關(guān)注梁與板的連接、柱與基礎(chǔ)的連接、預(yù)制板的面內(nèi)面外性能、樓梯性能、預(yù)制非結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其對(duì)主體結(jié)構(gòu)的性能影響等；(2)針對(duì)常見(jiàn)結(jié)構(gòu)體系中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，采用預(yù)制的手段達(dá)到等同或不同于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的體系性能，甚至向超過(guò)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)體系性能的方向發(fā)展，例如采用高性能材料、各類消能減振裝置、預(yù)應(yīng)力、節(jié)段化等技術(shù)，達(dá)到更好的塑性鉸分布、梯度耗能、自復(fù)位、低殘余位移等效果；(3)利用預(yù)制技術(shù)克服一些現(xiàn)實(shí)考慮的固有限制，拓寬結(jié)構(gòu)方案的可行域，對(duì)常見(jiàn)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)一步優(yōu)化，形成新型結(jié)構(gòu)體系。

隨著上述研究焦點(diǎn)帶來(lái)體系層面的性能提高和創(chuàng)新，相應(yīng)的分析與設(shè)計(jì)方法將面臨不斷革新。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者們從構(gòu)件、連接到體系等不同層面作出了大量的假設(shè)—驗(yàn)證—簡(jiǎn)化、歸并等方面的貢獻(xiàn)，針對(duì)具體的預(yù)制體系提供了一系列的設(shè)計(jì)方法并頒布了若干標(biāo)準(zhǔn)，但是體系創(chuàng)新與裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的標(biāo)準(zhǔn)化仍然持續(xù)存在矛盾與挑戰(zhàn)。