Review and Prospect of Research and Application of Pre-Cast Structures
This paper reviews domestic and foreign research progress in the field of pre-cast structure including pre-cast structure seismic resistance system research, pre-cast structure component connection research, application research of energy dissipation and seismic isolation technology in pre-cast structure, etc. and discusses application situation of pre-cast structure in domestic and foreign countries. It is indicated in the research that pre-cast structure is a structural style appropriate for making architectural industrialized production green and low-carbon, which has a broad prospect of application. Pre-cast structure needs to be further researched in the aspects of seismic resistance system and component connection. Energy dissipation and seismic isolation technologies and control technology can also be introduced into pre-cast structure. In the meantime, in order to promote application of pre-cast structure, suggestions are brought up, such as: to strengthen government’s supporting measures, etc.
Pre-Cast Structure
装配式结构是一种非常适合建筑工业化生产的结构形式,其在国内外的发展也走过了曲折的道路,随着发展循环经济和低碳社会的迫切需要以及研究理论和技术的不断成熟,装配式结构再一次回归到人们的视线
装配式结构按其材料来分可主要分为装配式混凝土结构、钢结构和木结构。而装配式混凝土结构又主要分为装配式框架结构、装配式剪力墙结构和装配式框架——剪力墙结构;钢结构主要为多高层钢结构骨架 + 预制墙板,近年来还兴起了多层冷弯薄壁钢结构体系;木结构多为低层多层体系。从目前国外情况来看,以上体系均有所发展,目前国内应用较多的为钢结构体系,其次是冷弯薄壁钢结构体系,装配式混凝土结构体系也即将成为热点。
不同于传统的全现浇结构,装配式结构为工厂生产出构件然后运输到工地现场安装,因而具有以下特点:1) 适合建筑工业化生产。工业化生产机械化程度高、效率高,产品质量好。2) 施工工期短。减少了现浇结构支模、拆模和混凝土养护时间,施工速度大大加快,减少了对周边生活的影响。3) 低碳环保。在提倡节约型社会的今天,装配式结构现场垃圾少、对环境污染少,节能指标高。
早期国内外建设的一些装配式混凝土结构在地震考验中表现出了一些薄弱环节,如1999年土耳其Adapazari地震中,装配式混凝土框架结构发生了构件连接失效和结构整体倒塌
装配式结构独特的构建方式使其在抗震能力方面具有一定的优势。相比传统的钢筋混凝土结构和钢结构,装配式结构在抗震方面表现出更好的性能,主要体现在以下几个方面。装配式结构采用模块化设计和安装,能够更加灵活地适应不同的抗震设计要求。装配式结构可以通过设计和调整构件的数量和位置,来增加结构的抗震性能。在地震频发的地区,可以根据具体情况增加结构的抗震支撑能力,以提高整体的抗震性能。而传统的建筑结构往往难以满足这种灵活性的设计要求,需要通过增加材料和改变结构形式等方式来增加抗震性能,成本和难度较大。
此外,装配式结构采用轻质材料和新型结构连接技术,能够减小结构的自重,降低地震荷载对结构的影响。装配式结构常采用钢结构、轻钢龙骨、轻质隔墙等轻质材料,不仅可以减小结构的自重,减少了地震荷载对结构的影响,还具有更好的变形能力和吸能性能,提高了结构的抗震性能。而传统的建筑结构多采用钢筋混凝土或钢结构,自重相对较大,地震荷载对结构的影响较大,抗震性能相对较低。
而目前国内外也对装配式结构的抗震性能展开了大量研究。加州大学圣地亚哥分校的Charles Lee Powell结构试验室进行了一个5层预制混凝土结构体系在强震作用下的抗震性能试验,模型设计按基于位移的抗震设计理论进行
装配式结构构件连接的研究还需考虑到连接件的设计。在设计中需要根据具体的结构荷载和使用环境,选择合适的连接件形式。同时还需要考虑连接件的材料和制造工艺,以保证连接件的可靠性和经济性。在实际应用中,由于连接件通常是在工厂中预制完成的,在设计时需要考虑到工厂和施工现场的协同工作,以保证连接件能够顺利被安装到构件中。
1) 拼缝式连接
拼缝式连接是装配式结构中最为常见的连接方式,其主要特点是通过构件之间的榫卯、榫槽等形式进行连接。在实际应用中,拼缝式连接通常用于墙板、地板等构件的连接,其连接强度高、稳定性好、适用范围广。同时,拼缝式连接也存在一些缺点,如施工难度大、成本高等问题。
2) 榫卯式连接
榫卯式连接是一种利用榫头和榫座互相套合的连接方式。这种连接方式适用于柱、梁等承重构件的连接,其主要特点是连接牢固、安全可靠。但是,榫卯式连接也存在一些问题,如加工精度要求高、施工难度大等。
3) 螺栓连接
螺栓连接是一种利用螺栓将构件固定在一起的连接方式。这种连接方式适用于大型构件的连接,其主要特点是施工方便、连接牢固、适用范围广。但是,螺栓连接也存在一些问题,如螺栓锈蚀、松动等安全隐患。
4) 焊接连接
焊接连接是一种利用电弧焊、气焊等方法将构件焊接在一起的连接方式。这种连接方式适用于钢结构、混凝土结构等不同材料的连接,其主要特点是连接牢固、强度高。但是,焊接连接也存在一些问题,如焊缝质量难以保证、施工难度大等。
5) 粘接连接
粘接连接是一种利用黏合剂将构件粘合在一起的连接方式。这种连接方式适用于特殊材料、特殊构件的连接,其主要特点是连接牢固、适用性广。但是,粘接连接也存在一些问题,如耐久性差、环境适应性差等。
除了连接方式和连接件的设计外,装配式结构构件连接的研究还需考虑到连接的稳定性和可靠性。在装配式结构中,由于构件的加工和连接在不同的环节进行,需要保证连接的稳定性,特别是在连接处的受力情况需要得到合理的设计和分析。此外,装配式结构的连接需要考虑到施工现场的环境对连接的影响,例如温度、湿度、土壤条件等都会对连接的稳定性造成影响。在装配式结构构件连接的研究中,还需要将先进的成品房和智能化制造技术引入到连接件的设计和制造中。这对于提高连接件的质量和稳定性具有重要意义。同时,结合信息化技术和建筑模拟技术,可以对连接件在不同受力情况下的性能进行模拟和测试,以保证连接件的稳定性和可靠性。
为了验证不同连接方式的可行性和稳定性,国内外学者进行了大量的性能试验。这些试验主要包括拉伸试验、剪切试验、扭转试验、疲劳试验等,旨在评估构件连接的强度、刚度、变形性能等指标。日本建筑协会(AIJ)主要对后张有粘结预应力预制框架结构进行了试验和理论研究,设计了一系列框架节点试件,包括一些有粘结预应力钢筋混凝土框架的中节点、边节点和一个用于对比的无粘结预应力节点
除了传统的抗震方法在装配式结构中的研究,消能减震和隔震技术思想也可以引用入到装配式结构的抗震研究当中来
各科研单位、高校还对装配式结构的其他性能如外墙保温、水密性、防火、施工技术等进行了广泛研究。佘立永、肖岩等通过对一实体装配式竹结构房屋进行了防火试验研究,同时对一轻钢活动房做了火灾对比试验,试验中对房屋的墙体的内外温差进行了测量,用以分析墙体的保温性能
装配式结构的发展起源于二战以后,走在研究和应用前列的是北美、西欧、日本、新西兰。在美国,Ben C. Gerwick在1991年PCI年会上把预制混凝土结构的发展视为美国乃至全球建筑业发展的新契机。西欧也在装配式结构体系上稳步发展,涌现了一批技术先进的企业。地处大地震带上的新西兰也在装配式预应力混凝土结构上有广泛应用并取得良好效果。同样处于大地震带上的日本则在装配式结构体系上发展较快,大成建设、前田建设、鹿岛建设、日本建筑研究所等都在装配式结构研究和应用上有所突破,如目前大成建设刚刚建成的58层的预制装配式混凝土结构不但成功在高烈度地区建成了超高层建筑,还应用了隔震和消能减震等先进技术,在装配式结构发展过程中迈出了重要一步。
我国装配式结构的发展始于20世纪50年代,在70~80年代达到应用的小高峰期,当时的应用主要是预制混凝土厂房、砖混中采用预制板及多层预制混凝土大板结构,后来还开发了预制装配式框架体系、升板体系、南斯拉夫体系等
通过以上对国内外装配式结构研究和应用的探讨,再结合目前的有关文献
1) 在技术研究方面,继续加大对新型抗震体系的整体破坏机制、承载能力、刚度退化、变形恢复能力等抗震性能的研究以及节点连接的深入研究
2) 之前由于体制、标准的缺失,装配式结构在国内的发展遇到了很多阻力,一些地方如上海、山东、江苏、安徽、深圳等都纷纷出台了相关的技术、经济政策,如江苏省2005年修编完成了《预应力混凝土装配式框架结构技术规程》,对推动当地的装配式结构发展起到了重要作用;而国家建筑工业行业标准《装配式混凝土结构技术规程》2011年已经面世,这对装配式结构的发展来说无疑是一个利好消息,我们期待着国家标准的出台并期望有更多相应配套的标准和技术措施问世。
3) 受国情的影响,装配式结构目前在我国还处于初步摸索阶段,政府的政策扶持,将有利于产业化的发展。国家应继续建立住宅化产业基地,提高住宅标准化、工业化水平,培育能力强的龙头企业发挥示范、辐射作用,鼓励房地产开发企业与生产、科研部门、高校组成联合体,形成“产、学、研”结合的体系,不断推进装配式体系的发展。
随着装配式结构的理念和世界各国专家、学者对装配式结构研究和应用的深入,使得装配式结构有了广阔的发展前景,装配式结构必将在推动人类建筑变革中起到重要作用。