预制课堂 | 薛伟辰：装配整体式混凝土住宅结构体系研究进展

我国是一个能耗大国，节能减排是我国实现社会经济可持续发展的重要措施。在 2009 年哥本哈根气候变化大会上，中国政府郑重承诺，“到 2020 年单位国内生产总值二氧化碳排放比 2005 年下降40% ～ 45%”。据资料统计[1]，在当前我国社会总能耗中，建筑能耗超过了 30%。发达国家的长期实践表明，发展住宅产业化、推广应用装配整体式混凝土住宅是实现建筑节能的最有效途径之一。

我国政府高度重视住宅产业化发展。2013 年 1 月 1 日，国务院发布的国办发〔2013〕1 号文件要求，“十二五”期间要着力推广预制装配式住宅体系。2011 年《北京市“十二五”时期民用建筑节能规划》（京建发〔2011〕408 号）指出“要以保障性住房为重点，全面推进住宅产业化，2015 年建设比例应达 30% 以上”。2013年上海市《关于本市进一步推进装配式建筑发展若干意见》（沪府办〔2013〕52 号）要求“鼓励采用预制混凝土住宅，各区县落实建设比例，2014 年不少于 25%，2015年不少于 30%”。因此，大力发展住宅产业化、开发装配整体式混凝土住宅具有广阔的应用前景。

按照结构体系的不同，装配整体式混凝土结构主要包括装配整体式混凝土框架结构体系、装配整体式混凝土剪力墙体系和预制混凝土夹心保温外墙体系三类[2]。目前，课题组已针对这三类装配整体式混（京建发〔2011〕408 号）指出“要以保障性住房为重点，全面推进住宅产业化，2015 年建设比例应达 30% 以上”。2013年上海市《关于本市进一步推进装配式建筑发展若干意见》（沪府办〔2013〕52 号）要求“鼓励采用预制混凝土住宅，各区县落实建设比例，2014 年不少于 25%，2015年不少于 30%”。因此，大力发展住宅产业化、开发装配整体式混凝土住宅具有广阔的应用前景。

按照结构体系的不同，装配整体式混凝土结构主要包括装配整体式混凝土框架结构体系、装配整体式混凝土剪力墙体系和预制混凝土夹心保温外墙体系三类[2]。目前，课题组已针对这三类装配整体式混凝土结构体系开发了多种适用于住宅的预制构造方案，并开展了一系列研究工作。本文将以上述三类装配整体式混凝土结构体系为主要对象，对其主要预制构造方案与抗震性能研究进展做一简要的介绍。

一、装配整体式混凝土框架结构体系

现浇柱叠合梁框架。现浇柱叠合梁框架是一种较为传统的装配整体式混凝土框架结构体系。其中，框架梁采用叠合式构造，框架柱采用现浇混凝土构造。

2006 ～ 2008 年，课题组与万科企业股份有限公司联合开发了两种采用不同预制梁截面形式和节点核心区连接构造的现浇柱叠合梁框架方案，并开展框架足尺节点模型和大尺度框架整体模型的抗震性能试验研究（见图 1）[3,4]。研究表明：

(1) 采用两种不同构造方案的现浇柱叠合梁框架在大部分梁端出现塑性铰后发生一层柱脚压溃破坏。两种框架均实现了混合铰破坏机制，滞回曲线均较饱满，表现出良好的抗震性能。

(2) 两种现浇柱叠合梁框架均表现出良好的位移延性，延性系数达到3.5 ～5.5。

(3) 两种现浇柱叠合梁框架的承载力、耗能能力和刚度退化规律较为接近，且与现浇混凝土框架结构相近。现浇柱叠合梁框架结构可实现与现浇混凝土框架结构等同设计。

预制柱叠合梁框架。预制柱叠合梁框架是在现浇柱叠合梁框架基础上发展出来的一种预制率较高的装配整体式框架结构体系。该体系中，框架梁、柱均在工厂预制，并在现场通过现浇节点核心区和楼盖叠合层混凝土形成整体结构。

2010 年，课题组开发了一种采用U形截面预制梁、预制柱纵向钢筋采用钢套筒连接的预制柱叠合梁框架结构。足尺节点模型和大尺度框架整体模型的抗震性能试验结果表明[5]：

(1) 框架试件的破坏过程为梁端首先出现塑性铰，待多层梁端均出现塑性铰后一层框架柱脚逐渐屈服并最终压溃，最终破坏时框架节点核心区基本完好。该框架结构的破坏机制为混合铰机制。图 2 所示为预制柱叠合梁框架整体模型在水平低周反复荷载作用下的最终破坏形态。

(2) 该框架的层间和整体滞回曲线饱满（见图3），表现出良好的耗能能力。承载力、延性（整体延性系数达到4.0 ～ 4.5）和刚度退化规律等抗震性能指标与现浇混凝土框架较为接近。

(3) 总体而言，预制柱叠合梁框架结构的破坏形态、破坏机制、抗震性能指标等与现浇混凝土框架接近。这表明，预制柱叠合梁框架结构可参照现行的现浇混凝土框架结构设计方法进行设计。

预制型钢混凝土框架。预制型钢混凝土框架兼有钢框架连接简便、施工效率高、抗震性能好以及预制混凝土框架抗火性能和耐久性好、造价低廉、隔热、隔声效果好等优点，应用前景广阔。该体系在施工过程中通过型钢接头实现各预制构件的快速连接，无需设置支撑，并可多层连续施工，大幅节省了材料消耗、缩短了工期，特别适用于大开间住宅。

2012 年，课题组与北京市建筑工程研究院完成了预制型钢混凝土框架足尺节点模型和大尺度框架整体模型的抗震性能试验[6]，如图 4 所示。结果表明：

(1) 预制型钢混凝土框架的最终破坏以梁端形成塑性铰、一层框架柱脚压溃为标志，如图 5 所示。框架的破坏机制为混合铰破坏机制。

(2) 预制型钢混凝土框架的滞回曲线与现浇型钢混凝土框架相似，二者均具有良好的耗能能力。此外，二者的承载力、延性和刚度退化规律也较为接近。这表明二者可实现等同设计，即预制型钢混凝土框架结构可采用现浇型钢混凝土框架的设计方法进行设计。

预制混凝土异形柱框架。预制混凝土异形柱框架结构是一种新型预制混凝土框架结构。它采用异形截面（包括 T 形、L形 、十字形等）柱代替普通预制混凝土框架结构中的矩形截面柱；叠合梁由预制矩形梁、预制板和现浇板组成，如图6 所示。预制混凝土异形柱框架中，叠合梁的梁宽、异形柱的柱肢厚度基本与墙等厚，室内不凸出梁柱，不仅增加了使用面积而且室内布置灵活。

2012 年，课题组通过足尺节点模型和大尺度框架整体模型的低周反复荷载试验，对预制混凝土异形柱框架结构的抗震性能进行了较为系统的研究[7]，结果表明：

(1) 预制混凝土异形柱框架的最终破坏形态与矩形柱框架相似，均以梁端形成塑性铰、一层柱脚压溃为标志。极限破坏时，框架节点核心区仅出现少量细小裂缝。预制混凝土异形柱框架结构的破坏机制为混合铰破坏机制。

(2) 预制混凝土异形柱框架的滞回曲线较为饱满（见图 7），表现出良好的耗能能力。框架整体延性较高，位移延性系数在 4.1 ～ 5.8 之间。

预制预应力混凝土框架。预制预应力混凝土框架具有整体性强、使用性能优越、施工速度快、工业化程度高等特点，在大开间住宅中具有广阔的应用前景。

2013 年，课题组与中国建筑第八工程局有限公司联合开发了一种采用预制柱叠合梁构造的预制预应力混凝土框架结构。图 8 所示为预制预应力混凝土框架节点足尺试验模型，已完成的低周反复荷载试验表明[8]：

(1) 预制预应力混凝土框架节点最终发生梁端弯曲破坏。极限破坏时，节点核心区仅出现几条细小裂缝，框架柱未开裂，节点核心区箍筋和框架柱纵筋均未屈服。

(2) 预制预应力混凝土框架节点的滞回曲线较为饱满（见图 9），这表明该节点具有良好的耗能能力和延性。

(3) 预制预应力混凝土框架节点的破坏形态、承载力、延性等指标与现浇预应力混凝土框架节点较为接近，二者可实现等同设计。

二、装配整体式混凝土剪力墙体系

钢套筒和预留孔道浆锚连接预制混凝土剪力墙。预制混凝土剪力墙体系是我国装配整体式混凝土住宅的主要结构体系，其中，预制混凝土剪力墙竖向钢筋的连接主要采用钢套筒连接和预留孔道浆锚连接两种。

2011 年以来，课题组与中南集团合作开展了一系列中等轴压比下（设计轴压比 0.4）、分别采用钢套筒连接和预留孔道浆锚连接的预制混凝土剪力墙足尺模型的低周反复荷载试验研究，如图 10 所示。重点研究了约束边缘构件和中间墙体竖向钢筋不同连接构造对预制混凝土剪力墙抗震性能的影响[9]。结果表明：

(1) 采用钢套筒连接和预留孔道浆锚连接的预制混凝土剪力墙均具有良好的抗震性能，其破坏形态与现浇混凝土剪力墙相似，均为墙体端部混凝土压碎、钢筋压屈。

(2) 预制混凝土剪力墙的承载力与现浇混凝土剪力墙接近，均能满足设计要求。其中，采用钢套筒连接的预制混凝土剪力墙的承载力略高于采用预留孔道浆锚连接的预制混凝土剪力墙。

(3) 预制混凝土剪力墙的滞回曲线与现浇混凝土剪力墙相似，在试验后期“捏拢”现象较为明显，如图 11 所示。采用两种连接构造的预制混凝土剪力墙的位移延性系数均在 2.0 ～ 2.6 之间，其刚度退化规律也较为一致。

SP 叠合板预制混凝土剪力墙。SP 板是一种先张法预应力混凝土空心板，具有承载力高、防水隔声、加工灵活、可随意切割、可实现较大跨度等优点。在预制混凝土剪力墙中采用 SP 板，并现场浇筑混凝土叠合层，可实现室内大空间，特别适用于大开间住宅。

2012 年，同济大学与上海建工集团联合开发了一种剪力墙竖向钢筋采用螺栓连接的 SP 叠合板预制混凝土剪力墙，并开展了足尺模型的低周反复荷载试验[10]，如图 12 所示。结果表明：

(1) SP 叠合板预制混凝土剪力墙的斜截面受剪承载力、正截面受弯承载力和水平缝受剪承载力均满足设计要求。

(2) SP 叠合板预制混凝土剪力墙的滞回曲线与现浇混凝土剪力墙较为接近（见图 13），预制剪力墙的承载力略高于现浇混凝土剪力墙。这表明 SP 叠合板预制混凝土剪力墙可采用与现浇混凝土剪力墙相似的方法进行设计计算。

预制混凝土夹心保温剪力墙。预制混凝土夹心保温剪力墙由内侧剪力墙体、外侧围护墙体、中间夹心保温层和连接件组成，是一种节能与承重一体化的剪力墙系，如图 14 所示。2012 年，课题组与中南集团合作开展了一批 FRP 连接件的预制混凝土夹心保温剪力墙足尺模型的低周反复荷载试验，对其抗震性能进行了较为系统的研究[11]。结果表明：

(1) 预制混凝土夹心保温墙体的破坏主要发生在端部。极限破坏时，剪力墙端部混凝土压溃，钢筋压屈，此时，FRP 连接件无损伤，外侧围护墙体也基本完好。

(2) 预制混凝土夹心保温剪力墙的承载力、延性、耗能能力和刚度退化规律与现浇混凝土剪力墙和非夹心预制混凝土剪力墙相近。图 15 所示为预制混凝土夹心保温剪力墙的滞回曲线。

三、预制混凝土夹心保温外墙体系

FRP 连接件。预制混凝土夹心保温外墙由内外叶混凝土墙板、中间夹心保温层和连接件组成。其中，连接件是连接内外叶混凝土墙板、并使其共同工作的关键部件。目前，在我国普遍采用的预制混凝土夹心保温外墙连接件为 FRP 连接件。

自 2007 年以来，课题组与北京万科企业有限公司联合开发了四种片状和棒状FRP 连接件（见图 16），开展了连接件抗拔和抗剪性能试验（见图 17），并在此基础上开展了模拟混凝土碱环境下 FRP 连接件的耐久性试验[12,13]。结果表明：

(1) 片状和棒状 FRP 连接件的抗拔破坏形态均为混凝土拔出破坏，连接件本身未发生断裂。两种连接件均具有较高的抗拔承载力，抗拔安全系数在 6.0 ～ 9.0 之间。

(2) 片状连接件的剪切破坏形态包括混凝土锚固破坏和连接件劈裂破坏（纤维层间断裂）两种。片状连接件在纵横两个方向的抗剪承载力相差较大，但均具有较高的安全系数。棒状连接件主要发生连接件劈裂破坏，其抗剪承载力低于片状连接件，但仍具有较高的安全系数。

(3) 夹心保温层厚度对连接件抗拔承载力影响不大，但随着保温层厚度的增大，片状和棒状 FRP 连接件的抗剪承载力均有所下降。

(4) 随着侵蚀时间的增加，FRP 连接件的抗拉强度、抗拉弹性模量、抗压强度、抗压弹性模量和层间剪切强度均有不同程度的下降。对应自然环境 50 和 100 年，FRP 连接件的抗拉强度环境影响系数建议分别取为 2.0 和 3.0、抗压强度环境影响系数分别取为 1.4 和 1.6、层间剪切强度环境影响系数分别取为 1.4 和 1.6。

预制混凝土夹心保温墙板。预制混凝土夹心保温外墙是一种自承重围护构件。为了研究该墙板在平面外荷载工况下的受力性能，课题组于 2011 年开始与上海城建物资有限公司合作开展了采用不同 FRP连接件（片状和棒状）、不同夹心保温层材料（XPS 和无机保温砂浆）以及不同夹心保温层厚度（50mm 和 70mm）的预制混凝土夹心保温墙板的平面外抗弯性能试验（见图 18）和抗火试验（见图 19）[14,15]。结果表明：

(1) 采用片状连接件和棒状连接件的预制混凝土夹心墙板均表现出良好的平面外受力性能，均具有较高的承载力和延性。图 20 所示为典型的预制混凝土夹心保温墙板荷载 - 跨中挠度曲线。

(2) 片状连接件的布置方向对墙板的受力性能无明显影响，但夹心保温层厚度对墙体的抗弯刚度与承载力影响较大。片状连接件与内外叶混凝土板之间的滑移小于棒状连接件，这说明采用片状连接件的剪力连接程度明显大于棒状连接件。

(3) 采用片状连接件和棒状连接件的预制混凝土夹心墙板均具有良好的抗火性能，满足现行规范的耐火极限要求。为保证安全，建议采用 FRP 连接件的预制混凝土夹心保温外墙的外叶墙厚度为 60mm，当墙体外侧采用瓷砖 / 石材等不燃材料饰面时可取 55mm。

本文中的主要结构体系已成功应用于上海浦江镇大型保障房社区、北京万科假日风景住宅小区、沈阳万科春河里商品房小区和江苏宜兴氿北花园住宅小区等全国多项装配整体式混凝土住宅工程。

作者系：同济大学建筑工程系 薛伟辰

参考文献：

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