新西蘭作為一個(gè)地震頻發(fā)的國(guó)家這些裝配式建筑經(jīng)歷了諸多次大震考驗(yàn)，如2016年11月新西蘭八級(jí)地震，未造成一人傷亡。

在國(guó)家大力推廣裝配式結(jié)構(gòu)的背景下，該國(guó)的裝配式結(jié)構(gòu)的理論體系及發(fā)展經(jīng)驗(yàn)著實(shí)值得我們學(xué)習(xí)。

新西蘭的裝配式混凝土建筑結(jié)構(gòu)在Paker教授以及Pauley教授的努力下形成了一套完備的理論體系并廣泛地應(yīng)用于工程實(shí)踐。

強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)能力設(shè)計(jì)中相當(dāng)主要的理念。但是，裝配式結(jié)構(gòu)主要由各結(jié)構(gòu)構(gòu)件相互拼接。拼接部位可能處于節(jié)點(diǎn)位置，也可能處于柱中、梁跨中部。

由于裝配式結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)主要在現(xiàn)場(chǎng)澆筑，操作面相對(duì)狹小，如何保證節(jié)點(diǎn)的承載能力成為了裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中相當(dāng)重要的問題。

1 梁柱節(jié)點(diǎn)

Park教授在他發(fā)表的論文“Seismic Design and Construction of Precast Concrete Buildings in New Zealand”中介紹了新西蘭框架結(jié)構(gòu)的三種節(jié)點(diǎn)連接形式。

System 1 采用現(xiàn)澆柱和疊合梁。System 2 采用疊合梁和預(yù)制柱。System 3 采用預(yù)制梁柱單元，單元之間通過梁跨中間的節(jié)點(diǎn)連接。

新西蘭框架結(jié)構(gòu)的一般原則是由邊框架（perimeter frame）提供足夠的強(qiáng)度和剛度來抵抗大部分的地震力，內(nèi)部框架（interior frame）承擔(dān)豎向荷載作用。

這些連接形式都進(jìn)行過試驗(yàn)的驗(yàn)證，確保在合理設(shè)計(jì)的條件下，柱筋的屈服量達(dá)到最小值，滿足能力設(shè)計(jì)的基本原則。

新西蘭常用的強(qiáng)柱-弱梁設(shè)計(jì)中，預(yù)制混凝土構(gòu)件和現(xiàn)澆混凝土的三種布置形式，形成韌性抗多層鋼筋混凝土框架（Figure 1.1）。

Figure 1.2將Figure 1.1中System2和System 3所使用的跨中連接細(xì)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)圖解。

Park教授不僅提出以上介紹的三種連接方式，他和他的團(tuán)隊(duì)還對(duì)此實(shí)施了6組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這三種連接方式應(yīng)用在框架結(jié)構(gòu)中都是安全可靠的。

▲Figure1.1預(yù)制混凝土構(gòu)件和現(xiàn)澆混凝土的三種布置形式

▲Figure 1.2 梁跨中節(jié)點(diǎn)詳圖

▲Figure 1.3 - Park教授在認(rèn)真測(cè)量實(shí)驗(yàn)樣本

1 梁柱節(jié)點(diǎn)System 1

System 1的預(yù)制混凝土梁?jiǎn)卧糜诹⒅g，梁底部縱筋用90度掛鉤在現(xiàn)澆核心區(qū)進(jìn)行錨固。

由于預(yù)制梁構(gòu)件伸出的梁底部縱筋需要錨固到柱子的核心區(qū)，因此柱的尺寸需要足夠大。應(yīng)用System 1連接形式的相應(yīng)施工圖詳見Figure 1.5和1.6。此外，類似System 1的連接形式也同樣被日本和羅馬尼亞等國(guó)家應(yīng)用著（Figure 1.7）。

▲Figure 1.4 - System 1的節(jié)點(diǎn)形式

▲Figure 1.5 - System1施工圖（一）

▲Figure 1.6 - System1施工圖（二）

▲Figure 1.7 – System 1在日本和羅馬尼亞的節(jié)點(diǎn)細(xì)節(jié)

▲Figure 1.8 – System 1在實(shí)驗(yàn)中的配筋構(gòu)造及詳細(xì)尺寸

▲Figure 1.9 - System 1在將現(xiàn)澆混凝土置于梁柱節(jié)點(diǎn)前

▲Figure 1.10 - System 1在實(shí)驗(yàn)中完全破損前，側(cè)向荷載-側(cè)向位移響應(yīng)及損傷圖

1 梁柱節(jié)點(diǎn)System2

System 2通常是將節(jié)點(diǎn)下柱的縱向鋼筋通過預(yù)制梁?jiǎn)卧呢Q向?qū)Ч芡钩觯谪Q向?qū)Ч苤泄酀{，并進(jìn)入上部柱(如Figure 1.12所示)。

圖中白色的塑料管就是起著將鋼筋順利插入豎向?qū)Ч艿淖饔谩．?dāng)柱中的縱向鋼筋與上部柱成功銜接上后，塑料管即被拆除。

System 2的優(yōu)點(diǎn)在于梁柱節(jié)點(diǎn)主要的鋼筋可以與預(yù)制混凝土梁?jiǎn)卧嘟Y(jié)合，梁的塑性鉸區(qū)域位于預(yù)制構(gòu)件內(nèi)，避免預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆混凝土之間的垂直冷焊。

此外，如果有必要，還可以加固預(yù)制混凝土梁?jiǎn)卧瑢撛诘乃苄糟q區(qū)域從柱面移開（詳見Figure1.15）。

▲Figure 1.11 - System 2節(jié)點(diǎn)形式

▲Figure 1.12 - System 2施工圖（一）

▲Figure 1.13 - System 2施工圖（二）

▲Figure 1.14 - System 2施工圖（三）

▲Figure 1.15 - 以地震荷載為主的抗彎矩框架的塑性鉸設(shè)計(jì)

▲Figure 1.16 - System 2在實(shí)驗(yàn)中的配筋構(gòu)造及詳細(xì)尺寸

▲Figure 1.17 - 現(xiàn)澆混凝土前System 2的梁跨中節(jié)點(diǎn)

▲Figure 1.18 - System 2在實(shí)驗(yàn)完全破損前，側(cè)向荷載-側(cè)向位移響應(yīng)及損傷圖

1 梁柱節(jié)點(diǎn)System 3

System 3的預(yù)制單元柱由縱向柱桿連接，柱桿突出到相鄰單元的鋼套管或管道中并進(jìn)行灌漿(如圖1.20和1.21)。梁在跨中采用就地澆鑄連接。

System 3的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于廣泛使用預(yù)制混凝土，并避免在建筑工地制造復(fù)雜的加固細(xì)節(jié)。一個(gè)可能的限制是預(yù)制構(gòu)件是重的，起重機(jī)的能力可能是一個(gè)重要的考慮因素。

▲Figure 1.19 - System 3節(jié)點(diǎn)形式

▲Figure 1.20 – System 3 施工圖

▲Figure 1.21 – System 3中用于柱-柱連接和板-板連接的鋼套管接頭和波紋金屬管道

▲Figure 1.22 – System 3在實(shí)驗(yàn)中的配筋構(gòu)造及詳細(xì)尺寸

▲Figure 1.23 - 現(xiàn)澆混凝土前System 3的梁跨中節(jié)點(diǎn)

▲Figure 1.24 - System 3在實(shí)驗(yàn)中完全破損前，側(cè)向荷載-側(cè)向位移響應(yīng)及損傷圖

2 梁板節(jié)點(diǎn)

目前，新西蘭大多數(shù)的建筑樓層樓板都是由橫跨梁或墻的預(yù)制混凝土單元組成。預(yù)制混凝土單元是先張法預(yù)應(yīng)力混凝土或鋼筋混凝土(實(shí)心板、空心板、肋板、單T或雙T)。預(yù)制混凝土板單元通常與上部現(xiàn)澆的樓板共同作用。

樓板除了承受重力荷載，還需要將風(fēng)和地震引起的內(nèi)力傳遞給豎向承重構(gòu)件。預(yù)制混凝土板單元上部現(xiàn)澆混凝土是實(shí)現(xiàn)這種傳力最好的方式。預(yù)制混凝土板單元如果沒有上部現(xiàn)澆混凝土，則依靠預(yù)制單元之間的鋼筋連接，這種鋼筋連接需要被特別設(shè)計(jì)和建造。

2.1 連接形式

根據(jù)新西蘭的指導(dǎo)原則，預(yù)制混凝空心板或者實(shí)心板與預(yù)制梁之間的三種連接形式如圖所示。三種類型的不同之處在于支座梁的深度。

▲Figure 2.1 –預(yù)制梁板的三種連接節(jié)點(diǎn)

2.2 支座

一個(gè)安全結(jié)構(gòu)基本要求之一就是預(yù)制混凝土樓板單元具有合理的支座。即在地震或者其他作用下引起的移動(dòng)導(dǎo)致支座長(zhǎng)度的減少，樓板不會(huì)發(fā)生倒塌。

▲Figure 2.2 –由于移動(dòng)引起的支座處的損壞

在大震期間，可能導(dǎo)致預(yù)制混凝土樓板單元移位的一個(gè)原因是鋼筋混凝土梁作為延性構(gòu)件，在形成塑性鉸的過程中容易伸長(zhǎng)，這將導(dǎo)致混凝土板單元之間的距離增加。

梁的伸長(zhǎng)是由于塑性鉸形成過程中鋼筋受拉屈服。由實(shí)驗(yàn)可知，塑性鉸的伸長(zhǎng)極限是2%到4%梁高。如果在梁伸長(zhǎng)方向施加約束，可以使梁受壓，從而提高梁的抗彎承載力并引起頂板破壞。

在設(shè)計(jì)跨距方向的支座長(zhǎng)度時(shí)，必須考慮到制造過程、安裝方法和其他結(jié)構(gòu)的精度所產(chǎn)生的公差。此外，還需考慮由混凝土收縮、徐變和溫度的長(zhǎng)期作用以及地震作用導(dǎo)致的體積變化所產(chǎn)生的公差。

▲Figure 2.3 溫差將會(huì)引起明顯的拱起。如果位移和內(nèi)力超過了限值，結(jié)構(gòu)將發(fā)生上圖所示的損壞。

▲Figure 2.4 暴露在陽光下的停車場(chǎng)結(jié)構(gòu)其溫差變化引起的雙T支座處的脫落

在新西蘭，停車樓的高樓層向上傾斜的部分更易受到溫度影響。推薦采用可以適當(dāng)滑動(dòng)的支座。

2.3 合理的支座形式

預(yù)制板的支座是否合理也引起了一部分討論。在1980年代，新西蘭設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)預(yù)制混凝土板的支座沒有具體要求。

現(xiàn)在根據(jù)新西蘭混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)NZS 310l:1995，不論是否有連續(xù)鋼筋或者現(xiàn)澆混凝土頂板，對(duì)于預(yù)制混凝土樓板單元及屋頂單元，構(gòu)件和支座都應(yīng)該確定好設(shè)計(jì)尺寸。

在建造公差的最不利組合下，支座邊到預(yù)制板端部的距離不小于凈跨的1/180和50mm；支座邊到預(yù)制梁或者肋形樓板端部的距離不小于凈跨的1/180和75mm，如下圖所示。

但是，如果有實(shí)驗(yàn)結(jié)果或者分析表明所選的支座是合理的，上述的距離要求可不滿足。

▲Figure 2.5 支座支撐長(zhǎng)度的要求

▲Figure 2.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明樓板上部鋼筋無法合理傳遞支座反力，如圖2.6所示。

一種可以減小支座長(zhǎng)度的方式是在支座梁與預(yù)制混凝土之間采用特殊鋼筋。這種特殊鋼筋在樓板單元失去支座長(zhǎng)度時(shí)，依然可以傳遞重力荷載。

本文來源建筑結(jié)構(gòu)