1891年, 巴黎Ed.Coigent公司首次在Biarritz的俱乐部建筑中使用预制混凝土梁^[1]。至今, 预制混凝土已经经历了140余年的发展历史。预制混凝土结构的大规模应用和发展始于20世纪50年代, 欧洲为解决“二战”之后的居住问题, 对预制混凝土结构进行了大量研究, 相关技术应用也得到迅速发展。60年代后预制混凝土结构遍及欧洲, 并扩展到美日等国家^[2]。同时期, 中国在原苏联的影响下, 也在全国建筑行业推行标准化、工业化和机械化, 发展预制构件和预制装配式建筑, 但是由于经济基础以及技术管理水平等方面的问题, 并未实现预制混凝土结构的快速发展与广泛应用^[3]。

总体而言, 预制混凝土结构主要包括框架结构体系、剪力墙结构体系和外墙体系3类^[4,5]。本文将针对这3类体系介绍国内外主要研究进展。在此基础上, 结合我国建筑工业化发展现状, 提出今后我国进一步开展预制混凝土结构研究的建议。

梁柱连接构造是影响预制混凝土框架结构受力性能的关键因素。按照梁柱连接构造的不同, 预制混凝土框架结构总体上可分为基于湿式连接的装配整体式混凝土框架结构体系和基于干式连接的装配式混凝土框架结构体系2类。

装配整体式混凝土框架结构体系主要是指梁柱通过现浇节点核心区或部分梁端进行连接的框架结构体系, 主要包括现浇柱-叠合梁体系和预制柱-叠合梁体系2类。

现浇柱-叠合梁体系是一种较为传统的装配整体式混凝土框架结构体系, 该体系的主要构造特点是框架梁采用叠合梁构造, 框架梁的预制部分在现场吊装就位后, 通过现浇框架柱和节点核心区形成结构体系^[6]。典型的现浇柱-叠合梁体系如图1所示^[7]。

采用上述连接构造的框架节点足尺模型以及框架结构大尺度模型的抗震性能试验研究表明^[7], 该体系具有良好的抗震性能, 刚度、承载力、延性与耗能等抗震性能指标与现浇混凝土框架结构体系相近。

预制柱-叠合梁体系是在现浇柱-叠合梁体系基础上将框架柱设计为预制柱形式的装配整体式混凝土框架结构体系, 该体系中, 预制柱可采用单层柱构造, 也可采用多层柱构造。当采用单层柱构造时, 预制柱的纵向钢筋一般采用套筒灌浆连接或螺栓连接, 早期还有采用焊接连接方式。

预制柱-叠合梁体系是目前我国应用最为广泛的预制混凝土框架结构体系之一。课题组自2008年以来开展了一系列采用不同构造方案的预制柱-叠合梁框架结构体系的抗震性能试验研究, 包括框架梁采用预应力和非预应力叠合梁方案、框架柱采用矩形柱或异形柱方案以及型钢混凝土构造方案等^[8,9,10]。此外, 相关学者针对法国世构体系和台湾润泰体系也开展了一系列试验研究^[11,12], 而新西兰的Park教授则针对一种采用U形叠合梁的预制柱-叠合梁体系开展了相关试验研究 (见图2) ^[13]。总体而言, 上述研究成果均表明, 采用可靠连接的预制柱-叠合梁体系具有与现浇混凝土框架结构体系相近的抗震性能。

装配式混凝土框架结构体系主要是指预制梁柱通过预应力筋、螺栓、焊接等干式连接构造形成整体的框架结构体系。其中, 焊接连接体系施工效率较低、质量难以保证, 且总体抗震性能不佳, 工程应用已越来越少。因此, 本文主要介绍预应力筋连接体系和螺栓连接体系。

预制梁柱仅通过预应力筋连接或通过预应力筋和普通钢筋混合连接的装配式混凝土框架结构体系均属此类。典型的预应力筋连接装配式混凝土框架结构体系包括美日联合研发的PRESSS体系 (见图3) ^[14]、日本的压着工法体系以及我国预压装配式体系。

针对预应力筋连接体系, 国内外已开展了一系列试验研究^[14,15]。预压装配式混凝土框架结构体系典型的滞回曲线如图4所示。总体而言, 该体系具有良好的整体性和变形恢复能力, 但在提升延性和耗能能力方面尚有待开展进一步研究。

螺栓连接操作简便、质量可靠且易于检测, 是一种具有良好应用前景的装配式混凝土框架结构体系。

针对该体系, 国内外已初步开展了相关研究工作, 并揭示了影响该体系抗震性能的关键因素^[16,17]。课题组针对该体系也开展了一系列大尺度模型的低周反复荷载试验研究^[18], 结果表明, 该体系总体抗震性能良好, 各项性能指标与现浇体系相近。典型的螺栓连接装配式混凝土框架结构体系的滞回曲线如图5所示。近年来, 国内外学者针对螺栓连接装配式混凝土框架结构体系的构造特点, 提出了在连接部位设置耗能元件以提升体系抗震性能的构造方案, 并开展了一些探索研究^[19,20]。

按照墙体构造的不同, 预制混凝土剪力墙结构体系主要分为预制实心剪力墙体系、叠合式剪力墙体系和预制夹心保温剪力墙体系3类。

预制实心剪力墙体系是指预制剪力墙为实心构造, 并通过水平接缝和竖向接缝将预制剪力墙连接形成整体的预制混凝土剪力墙体系。该体系中, 上、下层预制剪力墙的竖向钢筋连接构造是影响剪力墙受力性能的关键因素之一。目前, 工程中常用的连接构造主要包括套筒灌浆连接、浆锚搭接连接、螺栓连接、挤压套筒连接和环筋扣合锚接等。

套筒灌浆连接和浆锚搭接连接预制实心剪力墙体系是目前工程中应用最广泛的预制剪力墙结构体系。针对上述两种预制实心剪力墙, 国内外已开展了一系列抗震性能试验研究^[21,22]。在此基础上, 课题组和清华大学提出了一种采用单排套筒灌浆连接构造的预制实心剪力墙 (见图6) , 并通过试验证明了其具有与现浇剪力墙相近的抗震性能^[23]。此外, 课题组还提出了一种优化约束构造的单排浆锚搭接连接预制实心剪力墙, 试验结果表明该预制实心剪力墙同样具有良好的抗震性能^[24]。为了进一步拓展预制实心剪力墙结构在高烈度区的应用, 有学者还提出了一种预制型钢混凝土剪力墙体系^[25]。

螺栓连接预制实心剪力墙连接构造简单、施工速度快、连接质量可靠, 具有良好的应用前景。目前工程中采用的螺栓连接预制实心剪力墙主要包括两种, 即基于连接器的螺栓连接预制实心剪力墙 (见图7a) 和基于暗梁构造的螺栓连接预制实心剪力墙 (见图7b) ^[26,27]。系统的试验研究表明, 上述两种螺栓连接预制实心剪力墙均具有良好的抗震性能, 刚度、承载力、延性与耗能等抗震性能指标与现浇剪力墙相近。

挤压套筒连接是一种机械式钢筋连接方式。采用该连接构造的预制实心剪力墙可实现钢筋连接, 但仍有剪力墙底部后浇段需在现场浇筑。已有研究表明, 采用该连接构造的预制实心剪力墙总体性能良好^[28]。

环筋扣合锚接是指预制剪力墙水平接缝处上、下层墙体的竖向钢筋分别形成闭合环形并扣合搭接, 然后再后浇剪力墙底部预留的后浇段, 从而形成可靠连接的预制实心剪力墙, 如图8所示。针对这一预制实心剪力墙, 有学者已系统开展了抗震性能试验, 并提出有关设计方法^[29]。

叠合式剪力墙体系是指预制剪力墙采用双面叠合或单面叠合构造, 并在现场通过后浇叠合层形成整体的预制混凝土剪力墙结构体系, 如图9所示。该体系最早起源于德国, 在日本和我国均有成熟应用。已有研究表明, 叠合式剪力墙具有良好的整体性和抗震性能^[30,31], 但由于竖向连接钢筋位于中间叠合层内, 这导致水平接缝截面有效高度降低, 设计时应关注这一构造对剪力墙平面外受力性能的影响。

此外, 清华大学、北京工业大学与北京市建筑设计研究院还研发了一种预制圆孔板剪力墙^[32]。其主要构造特点是在预制剪力墙板中预留圆孔, 上、下层剪力墙通过在预留圆孔中设置连接钢筋并后浇混凝土连接成型。研究表明, 该体系具有与现浇剪力墙相近的抗震性能^[32]。

预制夹心保温剪力墙由内叶预制实心剪力墙、夹心保温层和外叶预制围护墙板组成。该体系的突出特点是保温、承重与装饰一体化, 由于将保温层内置于内、外叶预制墙体中间, 从而有效保护了保温体系, 可实现保温体系与主体结构同寿命。

课题组和清华大学在预制夹心保温剪力墙的抗震性能方面均开展了一系列试验研究^[33,34], 结果表明, 采用这一构造的预制剪力墙具有良好的抗震性能。预制夹心保温剪力墙与现浇对比试件的滞回曲线如图10所示。

预制夹心保温外墙在改善保温体系使用寿命、降低建筑全生命周期成本方面具有突出优势, 是目前我国预制混凝土建筑中普遍采用的预制外墙体系。因此, 本文将主要介绍预制夹心保温外墙的相关研究进展。

预制夹心保温外墙由内外叶预制墙板、夹心保温层和连接件组成。其中, 连接件是保证预制夹心保温外墙安全性的关键部件。目前, 工程中常用的连接件包括纤维增强塑料 (FRP) 连接件和不锈钢连接件2类, 如图11所示。

FRP连接件导热系数低、力学性能优良、耐久性较好, 在北美地区的预制夹心保温外墙中应用已超过30年。目前, 工程中常用的FRP连接件主要分为片状和棒状2类。在FRP连接件的抗拔和抗剪性能方面, 国内外已开展了一系列试验研究^[35,36], 结果表明, FRP连接件抗拔破坏以混凝土锚固破坏为主, 抗拔承载力计算方法已较为成熟;FRP连接件的抗剪破坏包括材料破坏和混凝土锚固破坏2种模式, 抗剪承载力计算方法尚有待进一步研究。总体而言, 片状和棒状FRP连接件均具有良好的抗拔和抗剪性能, 能满足设计要求。

而在配FRP连接件预制夹心保温外墙受力性能方面, 已有研究表明, 其受力性能的主要影响因素是FRP连接件的布置方案。合理的FRP连接件布置方案可保证预制夹心保温外墙具有良好的受力性能^[37]。需要补充的是, 从系统查阅的文献资料来看, 国外尚有一种W形FRP连接件, 但相关研究成果尚为空白, 因此本文未做专门介绍。

与FRP连接件相比, 不锈钢连接件具有更好的耐久性和抗火性能。此外, 不锈钢材料具有良好的延伸率, 有助于改善预制夹心保温外墙的延性和变形能力。工程中常用的不锈钢连接件主要有棒状、针状、片状、桶状和桁架式等几类。但从系统查阅的文献资料来看, 目前仅针对棒状和桁架式不锈钢连接件及其预制夹心保温外墙开展了相关研究。

在棒状和桁架式不锈钢连接件的抗拔和抗剪性能方面, 国内外相关研究结果表明:棒状不锈钢连接件的抗拔破坏以混凝土锚固破坏为主, 而桁架式不锈钢连接件的抗拔破坏则存在腹杆与弦杆焊点拉脱和腹杆拉断2种可能;2种连接件的抗剪破坏均以连接件材料破坏为主;2种连接件的抗拔和抗剪承载力均满足设计要求, 且具有较大的安全余量^[38]。在配不锈钢连接件预制夹心保温外墙受力性能方面, 已有研究表明, 墙体平面外抗弯承载力安全系数较高, 在设计弯矩下的挠度均小于规范限值^[38]。

本文较系统地介绍了2类典型的预制混凝土建筑结构体系 (即预制混凝土剪力墙结构体系和预制混凝土框架结构体系) 的构造特点以及国内外主要研究进展, 并以预制夹心保温外墙为重点介绍了预制混凝土建筑外墙体系的国内外主要研究进展。总体而言, 国内外针对预制混凝土建筑结构体系以及预制夹心保温外墙体系已开展了一系列研究工作并取得了一定的研究成果, 但我国在上述几方面的研究成果与国外发达国家相比还存在不小差距, 在新结构体系研发以及结构设计理论等方面尚有不少工作有待开展, 主要包括: (1) 连接构造简单、施工便捷、质量可靠的新型预制混凝土结构体系有待研发; (2) 适用于预制混凝土结构的减隔震技术体系有待研发, 从而为预制混凝土结构体系在高烈度区建筑以及超高层建筑中的应用提供依据; (3) 针对半刚性连接预制混凝土框架结构体系, 建立考虑连接构造影响的设计计算模型, 并提出有关设计方法。