肖從真，李建輝，程衛(wèi)紅，田春雨，魏 越，李寅斌，孫 超

(1 中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2 國家建筑工程技術(shù)研究中心，北京 100013)

0 引言

當(dāng)前乃至今后相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)，混凝土材料仍然會(huì)是我國高層建筑采用的最主要的結(jié)構(gòu)材料。高強(qiáng)混凝土與普通強(qiáng)度混凝土相比，具有節(jié)材、可有效減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸、增加建筑的使用空間、改善建筑的使用功能、延長結(jié)構(gòu)的使用壽命、縮短施工工期等優(yōu)點(diǎn)[1]。此外，高強(qiáng)混凝土的推廣應(yīng)用與國家推行的裝配式建筑政策也有很好的契合度[2]。因此，高層建筑中大力推廣高強(qiáng)混凝土，具有重要的學(xué)術(shù)研究和工程應(yīng)用價(jià)值。

目前，預(yù)制混凝土裝配式結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究[3-8]。同時(shí)，相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 1—2014)[9]已經(jīng)頒布實(shí)行，此規(guī)范中針對(duì)框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、多層剪力墻結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)體系給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方法和施工要求。但現(xiàn)階段的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)為了滿足現(xiàn)有的抗震規(guī)范體系實(shí)現(xiàn)延性設(shè)計(jì)，基本要按照等同現(xiàn)澆的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，規(guī)范建議的混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)、梁板節(jié)點(diǎn)均需要通過節(jié)點(diǎn)區(qū)現(xiàn)澆實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的可靠構(gòu)造連接[10]，現(xiàn)場(chǎng)施工無法徹底擺脫濕作業(yè)，施工周期優(yōu)勢(shì)不明顯。

針對(duì)現(xiàn)有裝配式建筑存在的問題，本文闡述了高強(qiáng)混凝土在裝配式高層建筑中的應(yīng)用思路，對(duì)高強(qiáng)混凝土裝配式高層框架結(jié)構(gòu)體系的組成進(jìn)行了介紹，并對(duì)其進(jìn)行了抗震性能試驗(yàn)研究。

1 高強(qiáng)混凝土在裝配式高層建筑中的應(yīng)用思路

目前我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)中規(guī)定，結(jié)構(gòu)在滿足承載力要求的同時(shí)，必須具備足夠的變形能力。高強(qiáng)材料沒有足夠的延性，高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件可能無法同時(shí)滿足承載力和變形能力兩個(gè)條件，因此，高強(qiáng)混凝土在高層建筑中的應(yīng)用思路如圖1所示。

圖1 高強(qiáng)混凝土在高層建筑中的應(yīng)用思路

高強(qiáng)混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)如需達(dá)到抗震安全性要求，基本思路有兩種，具體如下：

(1)提升結(jié)構(gòu)自身的抗震能力

通過高強(qiáng)混凝土-鋼組合結(jié)構(gòu)體系來提升結(jié)構(gòu)自身的抗震能力，充分發(fā)揮高強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度高的特性，同時(shí)，利用鋼材改善構(gòu)件的延性，從而滿足高強(qiáng)混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)體系的抗震安全性。目前，復(fù)雜高層及超高層建筑結(jié)構(gòu)絕大部分采用此種結(jié)構(gòu)體系，國內(nèi)外對(duì)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件及體系[11]有了較為深入的研究，本文不再贅述。

(2)增加消能減震裝置提高結(jié)構(gòu)抗震能力

區(qū)別于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)思想，采用高強(qiáng)混凝土材料，可實(shí)現(xiàn)在提高構(gòu)件長細(xì)比的同時(shí)，顯著提高高強(qiáng)混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)的彈性極限應(yīng)變，有效改善結(jié)構(gòu)的極限彈性層間變形能力，使得構(gòu)件中震彈性設(shè)計(jì)(甚至大震彈性設(shè)計(jì))存在可能性。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)中設(shè)置具有較大耗能能力的消能減震裝置，保證在大震或超越抗震設(shè)防烈度設(shè)計(jì)值的地震作用下，消能減震裝置產(chǎn)生較大阻尼，集中耗能，降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，避免主體結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p傷。

因此，結(jié)合裝配式建筑特點(diǎn)，高強(qiáng)混凝土在裝配式高層建筑中發(fā)展方向如圖2所示。

圖2 高強(qiáng)混凝土裝配式高層建筑發(fā)展方向

2 高強(qiáng)混凝土裝配式高層框架結(jié)構(gòu)體系的組成

本文提出的高強(qiáng)混凝土裝配式高層框架結(jié)構(gòu)體系，由高強(qiáng)混凝土預(yù)制梁柱、大變形能力干式連接節(jié)點(diǎn)、耗能系統(tǒng)、樓蓋系統(tǒng)等組成，可發(fā)揮高強(qiáng)混凝土、耗能系統(tǒng)、干式連接節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度高、耐久性好、安裝快速、抗震性能好等優(yōu)勢(shì)，高強(qiáng)混凝土裝配式高層框架結(jié)構(gòu)體系如圖3所示。

圖3 高強(qiáng)混凝土裝配式高層框架結(jié)構(gòu)體系

在豎向荷載作用下，高強(qiáng)混凝土裝配式高層框架結(jié)構(gòu)體系的荷載傳遞路徑為：板→梁→柱→基礎(chǔ)，構(gòu)件均處于彈性狀態(tài)，耗能構(gòu)件不參與工作。

在風(fēng)荷載作用下，高強(qiáng)混凝土裝配式高層框架結(jié)構(gòu)體系的荷載傳遞路徑為：外圍護(hù)系統(tǒng)→樓蓋，再由樓蓋系統(tǒng)按照剛度分配給框架和耗能構(gòu)件。構(gòu)件均處于彈性狀態(tài)，耗能構(gòu)件提供側(cè)向剛度和承載力。

在地震作用下，高強(qiáng)混凝土裝配式高層框架結(jié)構(gòu)體系的層慣性力由樓蓋系統(tǒng)分配給框架和耗能構(gòu)件。框架構(gòu)件系統(tǒng)提供側(cè)向剛度和承載力，但是基本不提供耗能能力。小震、中震作用下框架構(gòu)件系統(tǒng)保持不屈服，大震作用下需控制框架構(gòu)件系統(tǒng)進(jìn)入塑性的程度；在小震作用下耗能構(gòu)件主要提供側(cè)向剛度和承載力，中震、大震作用下提供承載力和附加阻尼，改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，并耗散地震輸入的能量。

3 高強(qiáng)混凝土裝配式高層框架結(jié)構(gòu)體系抗震性能試驗(yàn)研究

3.1 試件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)的框架為2榀單榀3跨2層高性能裝配式框架，由于梁柱干式節(jié)點(diǎn)縮尺模型加工制作困難，且容易造成模擬失真，本試驗(yàn)基本采用半足尺試驗(yàn)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂蚣軐痈?.5m，兩側(cè)邊跨跨度為5.0m，中間布置跨度為3.0m的耗能系統(tǒng)?？蚣苤孛娉叽鐬?50mm×450mm，框架梁截面尺寸為250mm×450mm，兩側(cè)邊跨框架梁設(shè)置寬度300mm的挑板，便于試驗(yàn)堆載和試驗(yàn)過程中上人觀測(cè)；阻尼器基墻截面尺寸為200mm×750mm，高775mm，剪切型金屬阻尼器高500mm?；炷翗?gòu)件均在預(yù)制場(chǎng)預(yù)制，運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行安裝，試驗(yàn)框架整體布置如圖4所示。共設(shè)置了兩組框架試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，均為高?qiáng)螺栓干式連接梁柱節(jié)點(diǎn)，其中模型組KJ1與模型組KJ2的節(jié)點(diǎn)區(qū)螺桿無粘結(jié)長度分別為200，150mm，金屬阻尼器屈服承載力分別為125，150kN，兩組框架試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒M的主要變量如表1所示。

圖4 試驗(yàn)框架整體布置

兩組框架試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒M的主要變量 表1

框架梁柱節(jié)點(diǎn)采用螺桿連接型干式節(jié)點(diǎn)，通過在框架梁端設(shè)置擴(kuò)大頭，實(shí)現(xiàn)梁柱的螺桿連接構(gòu)造，試驗(yàn)框架梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖5所示。通過在梁端擴(kuò)大頭內(nèi)側(cè)設(shè)置預(yù)埋角鋼和柱外側(cè)設(shè)置預(yù)埋鋼板墊板，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)節(jié)點(diǎn)區(qū)構(gòu)造，避免試驗(yàn)過程中出現(xiàn)混凝土局壓破壞。根據(jù)足尺節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)情況反饋，梁柱拼裝完成后，在框架梁頂面設(shè)置抗剪角鋼件，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)區(qū)抗彎和抗剪作用的拆分，有效改善節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)。

圖5 試驗(yàn)框架梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的高強(qiáng)螺栓干式連接梁柱節(jié)點(diǎn)，梁端設(shè)置加寬擴(kuò)大段，在擴(kuò)大段側(cè)面和預(yù)制柱內(nèi)對(duì)應(yīng)位置預(yù)埋鋼套管，通過高強(qiáng)螺栓施加一定的預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)連接，高強(qiáng)螺栓與套筒之間無粘結(jié)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

混凝土框架整體的裂縫如圖6所示，混凝土構(gòu)件整體處于不屈服的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)混凝土裝配式高層框架結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)的損傷模式。

圖6 整榀框架的裂縫

阻尼器耗能系統(tǒng)在高強(qiáng)混凝土裝配式高層框架結(jié)構(gòu)體系中發(fā)揮了主要的滯回耗能作用，有效控制了框架梁柱構(gòu)件的損傷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了阻尼器系統(tǒng)在高強(qiáng)混凝土裝配式高層框架結(jié)構(gòu)中的預(yù)設(shè)工作模式。阻尼器的屈服形態(tài)如圖7所示。

圖7 阻尼器的屈服形態(tài)

試件的滯回曲線如圖8所示，由圖8可知：1)模型組KJ1框架結(jié)構(gòu)的滯回曲線基本呈反S形，滯回曲線捏縮效應(yīng)明顯，滯回環(huán)形狀不飽滿。由于首層中間跨框架梁較早出現(xiàn)剪切破壞，往復(fù)加載過程中金屬阻尼器的耗能機(jī)制未得到充分發(fā)揮，框架結(jié)構(gòu)的整體耗能能力略差。2)模型組KJ2框架結(jié)構(gòu)的滯回曲線基本呈梭形，滯回曲線飽滿，表明整個(gè)往復(fù)加載過程中金屬阻尼器處于穩(wěn)定耗能狀態(tài)，框架結(jié)構(gòu)的整體耗能能力良好。

圖8 框架基底剪力-頂點(diǎn)位移滯回曲線

綜上所述，試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)模型組KJ1試驗(yàn)中首層中間跨框架梁發(fā)生剪切破壞，金屬阻尼器的后期屈服位移發(fā)展有限，其他框架梁柱構(gòu)件未出現(xiàn)混凝土壓潰或鋼筋屈服現(xiàn)象，因此框架結(jié)構(gòu)未實(shí)現(xiàn)有效的耗能機(jī)制，結(jié)構(gòu)滯回曲線相對(duì)捏攏。模型組KJ2試驗(yàn)前對(duì)阻尼器相鄰構(gòu)件進(jìn)行了加強(qiáng)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)中所有的框架梁柱構(gòu)件未出現(xiàn)混凝土壓潰或鋼筋屈服現(xiàn)象，剪切型金屬阻尼器始終處于往復(fù)剪切耗能狀態(tài)，整體框架結(jié)構(gòu)形成了有效的耗能機(jī)制，結(jié)構(gòu)滯回曲線較飽滿。

(2)模型組KJ1試驗(yàn)加載終止時(shí)框架的基底水平承載力是峰值承載力的80%～90%，框架結(jié)構(gòu)承載力的衰退穩(wěn)定，平均延性系數(shù)均在3.6以上，結(jié)構(gòu)延性性能良好；模型組KJ2試驗(yàn)加載至位移角約為1/50時(shí)，框架結(jié)構(gòu)的承載力還未下降，受限于作動(dòng)器加載能力的限制，拉壓平均延性系數(shù)計(jì)算值均在2.56以上，終止加載時(shí)結(jié)構(gòu)滯回曲線飽滿，框架結(jié)構(gòu)的承載力穩(wěn)定性良好，結(jié)構(gòu)的延性性能良好。

(3)試驗(yàn)框架加載終止時(shí)，模型組KJ1試驗(yàn)框架正向加載情況下首層、二層的層間極限位移角分別為1/50，1/80；反向加載情況下，首層、二層的層間極限位移角分別為1/54，1/82。模型組KJ2試驗(yàn)框架正向加載情況下首層、二層的層間極限位移角分別為1/49，1/84；反向加載情況下，首層、二層的層間極限位移角分別為1/41，1/60。由此可見，高強(qiáng)混凝土裝配式高層框架結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能，滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下彈塑性層間位移角1/50的限值要求，符合大震不倒的位移要求。

(4)試驗(yàn)框架加載至極限狀態(tài)時(shí)，模型組KJ1的等效黏滯阻尼系數(shù)在0.02～0.06左右，說明耗能系統(tǒng)工作不穩(wěn)定；模型組KJ2的等效黏滯阻尼系數(shù)在0.06～0.08左右，說明耗能系統(tǒng)工作狀態(tài)良好。通過確保耗能系統(tǒng)連接構(gòu)件的加強(qiáng)設(shè)計(jì)，保證連接構(gòu)件的設(shè)計(jì)承載力高于消能減震裝置的屈服強(qiáng)化承載力，能夠保證耗能系統(tǒng)處于良好的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)混凝土裝配式高層框架結(jié)構(gòu)的良好耗能機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)預(yù)設(shè)的破壞模式。

4 結(jié)論

(1)為了使高強(qiáng)混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)達(dá)到抗震安全性要求，兩種基本設(shè)計(jì)思路分別為提升結(jié)構(gòu)自身的抗震能力和增加消能減震裝置提高結(jié)構(gòu)抗震能力。結(jié)合裝配式建筑的特點(diǎn)，采用高強(qiáng)混凝土預(yù)制豎向構(gòu)件、普通混凝土水平構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的中震(甚至大震)彈性設(shè)計(jì)，通過消能減震裝置進(jìn)行大震耗能，是高強(qiáng)混凝土在裝配式高層建筑中的發(fā)展方向。

(2)本文提出的高強(qiáng)混凝土裝配式高層框架結(jié)構(gòu)體系，可充分利用高強(qiáng)混凝土材料、消能減震技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，形成具有高抗震安全性、高耐久性、施工便利的裝配式高層建筑結(jié)構(gòu)。

(3)高強(qiáng)混凝土裝配式高層框架結(jié)構(gòu)體系整體結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)表明：該結(jié)構(gòu)體系具有良好的抗震性能，屈服模式基本符合預(yù)設(shè)屈服模式，框架梁、柱構(gòu)件的延性設(shè)計(jì)要求較普通框架均有所降低，有利于充分發(fā)揮高性能預(yù)制混凝土的性能優(yōu)勢(shì)。