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肖从真大师:高强混凝土装配式高层框架结构体系研究 2021-11-25

大力发展和推广应用高强混凝土材料满足我国可持续发展战略需求,促进建筑领域“双碳目标”的实现,已成为我国高层建筑领域的主要发展方向之一。基于应用高强材料的过程中经常面临的材料强度与延性难以统一协调的问题,阐述了高强混凝土在装配式高层建筑中的应用思路,结合装配式建筑的特点,提出了一种新型的高强混凝土装配式高层框架结构体系,该结构体系采用具有大变形能力的装配式节点和消能减震技术,并对该结构体系进行了抗震性能试验。结果表明:该结构体系具有良好的抗震性能,耗能系统工作良好,实现了整体结构预设的破坏模式,且能充分利用高强混凝土材料、消能减震技术的优势,形成具有高抗震安全性、高耐久性、施工便利的装配式高层建筑结构。


00


引  言


当前乃至今后相当长一段时间内,混凝土材料仍然会是我国高层建筑采用的最主要的结构材料。高强混凝土与普通强度混凝土相比,具有节材、可有效减小结构构件的截面尺寸、增加建筑的使用空间、改善建筑的使用功能、延长结构的使用寿命、缩短施工工期等优点[1]。此外,高强混凝土的推广应用与国家推行的装配式建筑政策也有很好的契合度[2]。因此,高层建筑中大力推广高强混凝土,具有重要的学术研究和工程应用价值。


目前,预制混凝土装配式结构体系的发展已经较为成熟,国内外学者对其进行了较为系统的研究[3-8]。同时,相应的设计规范《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ 1—2014)[9]已经颁布实行,此规范中针对框架结构、剪力墙结构、多层剪力墙结构等多种结构体系给出了详细的设计方法和施工要求。但现阶段的装配式混凝土结构为了满足现有的抗震规范体系实现延性设计,基本要按照等同现浇的原则进行设计,规范建议的混凝土梁柱节点、梁板节点均需要通过节点区现浇实现节点的可靠构造连接[10],现场施工无法彻底摆脱湿作业,施工周期优势不明显。


针对现有装配式建筑存在的问题,本文阐述了高强混凝土在装配式高层建筑中的应用思路,对高强混凝土装配式高层框架结构体系的组成进行了介绍,并对其进行了抗震性能试验研究。


01


高强混凝土在装配式高层建筑中的应用思路


目前我国《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)中规定,结构在满足承载力要求的同时,必须具备足够的变形能力。高强材料没有足够的延性,高强混凝土结构构件可能无法同时满足承载力和变形能力两个条件,因此,高强混凝土在高层建筑中的应用思路如图1所示。

△ 图1 高强混凝土在高层建筑中的应用思路

高强混凝土高层建筑结构如需达到抗震安全性要求,基本思路有两种,具体如下:


(1)提升结构自身的抗震能力


通过高强混凝土-钢组合结构体系来提升结构自身的抗震能力,充分发挥高强混凝土抗压强度高的特性,同时,利用钢材改善构件的延性,从而满足高强混凝土高层建筑结构体系的抗震安全性。目前,复杂高层及超高层建筑结构绝大部分采用此种结构体系,国内外对钢-混凝土组合结构构件及体系[11]有了较为深入的研究,本文不再赘述。


(2)增加消能减震装置提高结构抗震能力


区别于传统结构抗震设计思想,采用高强混凝土材料,可实现在提高构件长细比的同时,显著提高高强混凝土高层建筑结构的弹性极限应变,有效改善结构的极限弹性层间变形能力,使得构件中震弹性设计(甚至大震弹性设计)存在可能性。同时,在结构中设置具有较大耗能能力的消能减震装置,保证在大震或超越抗震设防烈度设计值的地震作用下,消能减震装置产生较大阻尼,集中耗能,降低结构地震响应,避免主体结构严重损伤。


因此,结合装配式建筑特点,高强混凝土在装配式高层建筑中发展方向如图2所示。

△ 图2 高强混凝土装配式高层建筑发展方向

02

高强混凝土装配式高层框架结构体系的组成


本文提出的高强混凝土装配式高层框架结构体系,由高强混凝土预制梁柱、大变形能力干式连接节点、耗能系统、楼盖系统等组成,可发挥高强混凝土、耗能系统、干式连接节点的强度高、耐久性好、安装快速、抗震性能好等优势,高强混凝土装配式高层框架结构体系如图3所示。

△ 图3 高强混凝土装配式高层框架结构体系

在竖向荷载作用下,高强混凝土装配式高层框架结构体系的荷载传递路径为:板→梁→柱→基础,构件均处于弹性状态,耗能构件不参与工作。


在风荷载作用下,高强混凝土装配式高层框架结构体系的荷载传递路径为:外围护系统→楼盖,再由楼盖系统按照刚度分配给框架和耗能构件。构件均处于弹性状态,耗能构件提供侧向刚度和承载力。


在地震作用下,高强混凝土装配式高层框架结构体系的层惯性力由楼盖系统分配给框架和耗能构件。框架构件系统提供侧向刚度和承载力,但是基本不提供耗能能力。小震、中震作用下框架构件系统保持不屈服,大震作用下需控制框架构件系统进入塑性的程度;在小震作用下耗能构件主要提供侧向刚度和承载力,中震、大震作用下提供承载力和附加阻尼,改变结构的动力特性,并耗散地震输入的能量。


03


高强混凝土装配式高层框架结构体系


抗震性能试验研究


3.1 试件设计


本次试验的框架为2榀单榀3跨2层高性能装配式框架,由于梁柱干式节点缩尺模型加工制作困难,且容易造成模拟失真,本试验基本采用半足尺试验设计。试验模型框架层高2.5m,两侧边跨跨度为5.0m,中间布置跨度为3.0m的耗能系统。框架柱截面尺寸为450mm×450mm,框架梁截面尺寸为250mm×450mm,两侧边跨框架梁设置宽度300mm的挑板,便于试验堆载和试验过程中上人观测;阻尼器基墙截面尺寸为200mm×750mm,高775mm,剪切型金属阻尼器高500mm。混凝土构件均在预制场预制,运至实验室进行安装,试验框架整体布置如图4所示。共设置了两组框架试验模型,均为高强螺栓干式连接梁柱节点,其中模型组KJ1与模型组KJ2的节点区螺杆无粘结长度分别为200,150mm,金属阻尼器屈服承载力分别为125,150kN,两组框架试验模型组的主要变量如表1所示。

△ 图4 试验框架整体布置

框架梁柱节点采用螺杆连接型干式节点,通过在框架梁端设置扩大头,实现梁柱的螺杆连接构造,试验框架梁柱节点构造如图5所示。通过在梁端扩大头内侧设置预埋角钢和柱外侧设置预埋钢板垫板,实现强节点区构造,避免试验过程中出现混凝土局压破坏。根据足尺节点试验情况反馈,梁柱拼装完成后,在框架梁顶面设置抗剪角钢件,实现节点区抗弯和抗剪作用的拆分,有效改善节点的受力状态。

△ 图5 试验框架梁柱节点构造设计

本试验设计的高强螺栓干式连接梁柱节点,梁端设置加宽扩大段,在扩大段侧面和预制柱内对应位置预埋钢套管,通过高强螺栓施加一定的预紧力实现节点连接,高强螺栓与套筒之间无粘结。


3.2 试验结果


混凝土框架整体的裂缝如图6所示,混凝土构件整体处于不屈服的状态,实现了高强混凝土装配式高层框架结构预设的损伤模式。

△ 图6 整榀框架的裂缝

阻尼器耗能系统在高强混凝土装配式高层框架结构体系中发挥了主要的滞回耗能作用,有效控制了框架梁柱构件的损伤发展,实现了阻尼器系统在高强混凝土装配式高层框架结构中的预设工作模式。阻尼器的屈服形态如图7所示。

△ 图7 阻尼器的屈服形态

试件的滞回曲线如图8所示,由图8可知:1)模型组KJ1框架结构的滞回曲线基本呈反S形,滞回曲线捏缩效应明显,滞回环形状不饱满。由于首层中间跨框架梁较早出现剪切破坏,往复加载过程中金属阻尼器的耗能机制未得到充分发挥,框架结构的整体耗能能力略差。2)模型组KJ2框架结构的滞回曲线基本呈梭形,滞回曲线饱满,表明整个往复加载过程中金属阻尼器处于稳定耗能状态,框架结构的整体耗能能力良好。

△ 图8 框架基底剪力-顶点位移滞回曲线

综上所述,试验结果表明:


(1)模型组KJ1试验中首层中间跨框架梁发生剪切破坏,金属阻尼器的后期屈服位移发展有限,其他框架梁柱构件未出现混凝土压溃或钢筋屈服现象,因此框架结构未实现有效的耗能机制,结构滞回曲线相对捏拢。模型组KJ2试验前对阻尼器相邻构件进行了加强设计,试验中所有的框架梁柱构件未出现混凝土压溃或钢筋屈服现象,剪切型金属阻尼器始终处于往复剪切耗能状态,整体框架结构形成了有效的耗能机制,结构滞回曲线较饱满。


(2)模型组KJ1试验加载终止时框架的基底水平承载力是峰值承载力的80%~90%,框架结构承载力的衰退稳定,平均延性系数均在3.6以上,结构延性性能良好;模型组KJ2试验加载至位移角约为1/50时,框架结构的承载力还未下降,受限于作动器加载能力的限制,拉压平均延性系数计算值均在2.56以上,终止加载时结构滞回曲线饱满,框架结构的承载力稳定性良好,结构的延性性能良好。


(3)试验框架加载终止时,模型组KJ1试验框架正向加载情况下首层、二层的层间极限位移角分别为1/50,1/80;反向加载情况下,首层、二层的层间极限位移角分别为1/54,1/82。模型组KJ2试验框架正向加载情况下首层、二层的层间极限位移角分别为1/49,1/84;反向加载情况下,首层、二层的层间极限位移角分别为1/41,1/60。由此可见,高强混凝土装配式高层框架结构具有较好的抗震性能,满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)对混凝土结构在罕遇地震作用下弹塑性层间位移角1/50的限值要求,符合大震不倒的位移要求。


(4)试验框架加载至极限状态时,模型组KJ1的等效黏滞阻尼系数在0.02~0.06左右,说明耗能系统工作不稳定;模型组KJ2的等效黏滞阻尼系数在0.06~0.08左右,说明耗能系统工作状态良好。通过确保耗能系统连接构件的加强设计,保证连接构件的设计承载力高于消能减震装置的屈服强化承载力,能够保证耗能系统处于良好的工作状态,实现高强混凝土装配式高层框架结构的良好耗能机制,从而实现整体结构预设的破坏模式。


04


结  论


(1)为了使高强混凝土高层建筑结构达到抗震安全性要求,两种基本设计思路分别为提升结构自身的抗震能力和增加消能减震装置提高结构抗震能力。结合装配式建筑的特点,采用高强混凝土预制竖向构件、普通混凝土水平构件,实现结构的中震(甚至大震)弹性设计,通过消能减震装置进行大震耗能,是高强混凝土在装配式高层建筑中的发展方向。


(2)本文提出的高强混凝土装配式高层框架结构体系,可充分利用高强混凝土材料、消能减震技术的优势,形成具有高抗震安全性、高耐久性、施工便利的装配式高层建筑结构。


(3)高强混凝土装配式高层框架结构体系整体结构抗震性能试验表明:该结构体系具有良好的抗震性能,屈服模式基本符合预设屈服模式,框架梁、柱构件的延性设计要求较普通框架均有所降低,有利于充分发挥高性能预制混凝土的性能优势。

来源:建筑结构(id:BuildingStructure)

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