装配式框架结构的适用高度研究_盛朝晖.pdf

书书书第 37 卷第 1 期粉 煤 灰 综 合 利 用Vol37No12023 年2 月FLY ASH COMPEHENSIVE UTILIZATIONFeb2023建筑结构装配式框架结构的适用高度研究Study on Applicable Height of Fabricated Frame Structure盛朝晖，焦东，游文斐(河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸 056038)摘要:现阶段对于装配式框架结构适用高度的规范及相关研究较少，为推动高层装配式框架结构体系的发展，采用 ANSYS 有限元软件分别对现浇框架结构和装配式框架结构六种不同层数的工况进行自振周期、弹塑性层间位移角、最大位移及经济性进行讨论对比。结果表明:在 7 度设防烈度地区框架结构的最大适用高度为18 层(64.8 m)，装配式框架结构的适用高度为 17 层(61.2 m)，对超限的 18 层(64.8 m)装配式建筑增设支撑时，可使结构满足规范所规定的层间位移要求，进一步提升适用高度。关键词:装配式框架结构;适用高度;结构抗震;时程分析中图分类号:TU375.4文献标志码:A文章编号:10058249(2023)01000107DOI:1019860/jcnkiissn10058249202301001SHENG Chaohui，JIAO Dong，YOU Wenfei(College of Civil Engineering，Hebei University of Engineering，Handan，056038，China)Abstract:At this stage，there are few specifications and related studies on the applicable height of fabricated structures.In order topromote the development of high-rise fabricated frame structure system，ANSYS finite element software is used to discuss and comparethe natural vibration period，elastic-plastic interlayer displacement angle，maximum displacement and economy of six different layers ofcast-in-situ frame structure and fabricated frame structure.The results show that at 7 degrees the maximum applicable height of framestructure in area is 18 floors(64.8 m)，and the applicable height of fabricated frame structure is 17 floors(61.2 m).When addingsupport to the over limit 18 floors(64.8 m)fabricated building，the structure can meet the interlayer displacement requirementsspecified in the code and further improve the applicable height.Keywords:fabricated frame structure;applicable height;structure seismic;time history analysis作者简介:盛朝晖(1969)女，博士，副教授，研究方向:建筑工程。通信作者:焦东(1996)男，硕士研究生，研究方向:结构抗震研究。收稿日期:202112250前言传统的现浇框架结构建造效率低、资源浪费严重，对环境影响程度较大1，且近年来，在环保压力不断加大、城镇化及房地产产业发展的推动下，装配式建筑进入高速发展及创新期2。众多工业化程度较高的发达国家均已研发出装配式建筑专用体系3。我国政府陆续颁布了一系列政策以推动装配式建筑的更好、更快发展，力图逐2粉煤灰综合利用37 卷建筑结构年稳步提升装配式建筑的市场占比45。李然等6 的研究表明，带有竖向和水平接缝的装配式墙体具有较好的承载力和延性;吕英婷等7 的研究表明，不同轴压比、面积的组合柱在装配式建筑震后具有快速修复和恢复的能力。这些研究多集中于节点连接形式、构件新材料等方面，对于装配式框架结构适用高度没有涉及。刘伏良8 分析了装配式建筑在高层建筑施工应用中存在的问题，并提出了解决问题的对策建议。欧盟的研究团队9 对某预制框架结构进行了动力加载的试验，得出预制框架结构的抗震性能相较现浇形式差别不大，但结构的自振周期及产生的变形较大，且构件延性较小。王波等10 的研究表明，屈曲约束支撑装配式混凝土框架具有良好的耗能能力和延性，能够有效地提高装配式混凝土框架的抗震性能，改善其失效模式。程建伟等11 提出了外剪内框装配式混合结构体系的概念，介绍了这种新型结构体系的优点及适用范围。目前，学者对于装配式建筑的研究多集中于构件节点，而对于装配式框架结构的适用高度问题研究还较少，而建筑高度是控制性详细规划和城市设计中的一项重要指标，被用于控制城市形态和建造容量，以保护城市风貌，建构城市特色，保证环境质量12。因此对于装配式建筑高度问题的研究同样重要，这也是目前建筑业结构调整和转型升级的必然途径。本文通过工程案例对比装配式框架结构与现浇框架结构的自振周期、弹性层间位移角、弹塑性层间位移角、经济性等方面来研究装配式框架结构的适用高度问题，对于装配式建筑的推广及规范的完善提供参考借鉴。1工程案例概况本工程为现浇框架结构，位于 7 度抗震设防地区，设计地震分组为二组，场地类别为类，抗震设防类别为丙类，抗震等级为二级。结构为34 跨，跨度均为 6 m，楼层的高度均为 3.6 m，整体结构布置规整，平面图如图 1 所示。图 1结构平面布置图Fig.1Structural layout plan图 2有限元模型图Fig.2Finite element model diagram2建立模型有限元模型如图 2 所示。以 13 层(46.8 m)现浇框架结构作为原始工况(即工况一)，JGJ 32010 高层建筑混凝土结构技术规程中规定，框架柱的最小截面尺寸不宜小于 400 mm，柱截面宽度不宜小于 350 mm，柱净高与截面长边尺寸比宜大于 4，为保证结构的材料得到充分发挥，受力性能达到最好，截面尺寸的确定须由跨度、轴压比并结合工程经验来确定，并根据田雁新等13 对于类似工程中截面尺寸方案的优化分析，最终选取为 700 700 和 650 650 两种尺寸的柱截面、300500 的梁截面为最优尺寸。因为本文研究的主要为适用高度问题，因此对于提升层数后的结构，如果按照初始工况的截面尺寸进行分析，结构很难保证安全性，因此根据 GB 500112010 建筑1 期盛朝晖等:装配式框架结构的适用高度研究3建筑结构抗震设计规范6.3.7 中提到，柱截面尺寸调整时，多层结构宜 23 层调整一次，高层结构宜结合混凝土强度进行调整，一般以 50 mm 为最小增加尺寸。因此，结合结构本身高度情况、经济性及规范的要求，并力求减小因尺寸改变而对最终结果造成的影响，最后决定层高每增加一层时柱截面尺寸均增加50 mm。由于柱净高与截面长边尺寸之比大于 4，结构柱子所能采取的最大尺寸为900 mm900 mm，如果继续增加尺寸，会形成“强柱弱梁”，造成剪切破坏。各工况的混凝土楼板厚度均为 100 mm，均采用 C30 混凝土，其余参数见表 1。表 1工况参数表Table 1Working condition parameter table工况层数(高度)层号框架柱框架梁尺寸/mm混凝土等级尺寸/mm混凝土等级工况一13 层(46.8 m)15613700700650650C30C30300500300500C30C30工况二14 层(50.4 m)15614750750700700C30C30300500300500C30C30工况三15 层(54.0 m)16715800800750750C35C35300550300550C30C30工况四16 层(57.6 m)16716850850800800C35C35300550300550C30C30工况五17 层(61.2 m)17817900900850850C40C40300600300600C30C30工况六18 层(64.8 m)17818900900900900C40C40300600300600C30C303结构可行性分析3.1自振周期对比图 3 为装配式框架结构各工况自振周期。由图 3 可知，随着现浇框架结构和装配式框架结构高度的增加，其自振周期均逐步增大，且前三阶的变化较为显著，说明层数的增加对于结构低阶阵型影响较大，对于高阶阵型影响较小，且不起主要作用，较高阶振型自振周期差距不大。自振周期变大，结构偏柔，地震时就会产生较大的层间位移。为使结构的刚度增加，于是工况三、工况五在增大框架柱截面尺寸的同时也增大了框架梁尺寸，故高度虽较于工况二、工况四变高，但自振周期呈小幅度减小，表明结构布置较为合理，在地震激励下的扭转效应较小。装配式框架结构的前三阶模态自振周期均大于同等层数现浇框架结构，且周期增长率均处于8%10%的范围内，与相关研究情况较吻合。(a)现浇框架结构各工况自振周期(b)装配式框架结构各工况自振周期图 3现浇框架结构与装配式框架结构各工况自振周期Fig.3Natural vibration period of frame structure andfabricated structure under various working conditions3.2弹塑性层间位移角对比对两种结构加载 310 cm/s2的 ELCENTO 波、Taft 波及南京波进行时程分析，最大弹塑性层间位移角对比情况见表 2。当加载 ELCENTO 波时，现浇框架结构的最大弹塑性层间位移角出现在总层数为 16 层(57.6 m)的结构中，为 1/110;装配式框架结构的最大弹塑性层间位移角出现在总层数为13 层(46.8 m)的结构中，为1/98;加载 Taft波时，现浇框架结构和装配式框架结构的最大弹塑性层间位移角均出现在总层数为18 层(64.8 m)的结构中，分别为 1/103 和 1/87;加载南京波时，现浇框架结构和装配式框架结构的最大弹塑性层间位移角均出现在总层数为 14 层(50.4 m)的结构中，分别为 1/117 和 1/103。不同高度时的两种4粉煤灰综合利用37 卷建筑结构结构 在 大 震 作 用 下 的 位 移 角 最 大 值 均 小 于GB 500112010 建筑抗震设计规范中 1/50 的要求。因装配式框架整体刚度弱于现浇形式，故各工况的最大弹塑性位移角均大于现浇形式。表 2弹塑性层间位移角Table 2Elastoplastic interlaminar displacement angle结构总层数/层ELCENTO 波Taft 波南京波现浇装配式增幅/%现浇装配式增幅/%现浇装配式增幅/%131/1231/9825.51/1311/11118.01/1211/1128.1141/1211/10317.41/1161/10115.21/1171/10313.6151/1141/10014.11/1141/1067.51/1301/11414.0161/1101/1018.91/1411/10234.11/1401/12115.7171/1151/10113.91/1391/10729.91/1291/11017.3181/1121/1038.71/1031/8718.31/1251/11310.63.3弹性层间位移角对比对两种结构加载 55 cm/s2的 ELCENTO 波、Taft 波及南京波进行时程分析，两种结构的最大弹性层间位移角见表 3。在小震弹性阶段，加载ELCENTO波时，现浇框架结构的最大弹性层间位移角出现在总层数 16 层(57.6 m)的结构中，为1/620;装配式框架结构的最大弹性层间位移角出现在总层数 13 层(46.8 m)的结构中，为1/563;加载南京波时，两种结构的最大弹性层间位移角均出现在总层数 14 层(50.4 m)的结构中，分别为1/661和 1/582;加载 Taft 波时，两种结构的最大弹 性 层 间 位 移 角 均 出 现 在 总 层 数 18 层(64.8 m)的结构中，分别为 1/582 和 1/489;但装配式框架结构的最大弹性层间位移角已超出规范中1/550的要求，不满足“小震不坏”的抗震性能，难以保障结构在遭遇地震时的安全性，故此高度下的装配式框架结构已不具适用性。由于装配式框架整体刚度低于现浇框架，故最大弹性层间位移角在各工况下均大于现浇框架结构。表 3弹性层间位移角Table 3Elastic interlayer displacement angle结构总层数ELCENTO 波Taft 波南京波现浇装配式增幅/%现浇装配式增幅/%现浇装配式增幅/%131/697 1/56323.81/739 1/62717.91/680 1/6307.9141/684 1/58317.31/655 1/57214.51/661 1/58213.5151/643 1/56513.81/645 1/5958.41/733 1/64513.8161/620 1/5679.31/827 1/57533.81/788 1/68015.9171/648 1/58011.71/788 1/60230.81/725 1/62216.6181/630 1/5788.91/582 1/48919.11/706 1/62413.13.4最大位移对比如图 4 所示，现浇框架结构和装配式框架结构的最大位移在大震作用和小震作用时的变化趋势基本一致。三种地震波中，ELCENTO 波对两种结构产生的最大位移均大于 Taft 波和南京波，表明ELCENTO波对结构的危害程度最大，需着重防范。且同种波形下，装配式框架结构的最大位移均略大于现浇框架结构的最大位移。随着结构总高度的增加，最大位移也呈逐步增加的趋势，但增幅均在合理范围内，表明结构受力变形性能良好。(a)现浇框架结构小震作用下最大位移(b)现浇框架结构大震作用下最大位移1 期盛朝晖等:装配式框架结构的适用高度研究5建筑结构(c)装配式框架结构小震作用下最大位移(d)装配式框架结构大震作用下最大位移图 4现浇框架结构与装配式框架结构最大位移对比Fig.4Comparison of maximum displacement betweenframe structure and fabricated structure3.5经济性分析为避免盲目增强结构性能，使得工程的经济效益降低，将以各工况的经济性作为限制条件，确保结构构件的截面尺寸及材料强度等级能够根据不同工况的高度及结构整体性能来合理选取，达到充分利用的程度。工程项目的总造价由多种繁杂的费用构成，为使研究过程更为高效，选取三个占比较大的主要材料(钢筋、混凝土、砌体)的单位造价作为评判依据。表 4 为参考类似实际工程的投资成本及工程造价经验，给出的主要经济指标的控制成本。表 4经济指标及投资控制成本Table 4Economic indicators and investment control costs钢筋/(元/kg)混凝土强度等级/(元/m3)C30C35C40砌体砌块/(元/m3)控制成本/(元/m3)5.06405415430200600图 5 所示为不同层数的装配式及现浇框架结构的三种主材增长情况:钢筋、混凝土、砌体用量随着总层数的增加呈增长趋势，且增长幅度基本一致，框架结构总层数为 15 层(54.0 m)、17层(61.2 m)的材料用量上涨较为显著，原因是上述两种工况同时增大了框架梁、框架柱的截面尺寸，使材料用量增长幅度较大。装配式框架结构因部分构件预制的原因，主材用量均小于现浇框架结构;当考虑装配化施工与预制费用，装配式框架结构主材造价则高于现浇框架结构。同等高度下，现浇框架结构虽成本低于装配式框架结构，但装配式框架结构施工更高效、节能环保，更符合当下的政策要求。(a)钢筋用量(b)混凝土用量(c)砌体用量6粉煤灰综合利用37 卷建筑结构(d)主材造价图 5装配式及现浇框架结构主要经济指标对比图Fig.5Comparison of main economic indicators offabricated and cast-in-place frame structures4支撑对装配式框架结构的影响装配式框架结构的高度提升至 18 层(64.8 m)时，其最大弹性位移角为 1/489，超过 GB 500112010 建筑抗震设计规范中 1/550 的限值，安全性难以保障，故结构在此高度下不具适用性。对此，拟在结构纵、横向边跨的中间跨处加设“X”形中心支撑，研究通过增设支撑进一步提升装配式框架结构的适用高度是否可行。“X”形中心支撑具有对称性、且受力均匀，因此选用“X”形支撑加固结构。在模型纵、横向边跨的中间跨处加设“X”形中心支撑。支撑选用工字型钢，截面面积为 86.1 cm2，钢材选用 Q235。4.1自振周期对比由表 5 可知，当装配式框架结构加设“X”形支撑后，前十阶自振周期均出现 23%44%的显著下降。支撑的增设使结构的抗侧刚度显著提升，并与框架结构协同作用，形成双重抗侧力，改善了结构的位移与变形。表 5自振周期对比Table 5Comparison of natural vibration period阶数原始装配式框架结构带支撑装配式框架结构减小比率/%12.011.542321.961.144131.660.934340.640.472650.620.364260.540.304470.350.252880.340.194490.300.1743100.230.16304.2层间位移角对比当 18 层(64.8 m)装配式框架结构未增设支撑时，因弹性位移角超限，结构在该高度下不具适用性。分别对未设支撑与增设“X”形支撑的装配式框架结构加载峰值为 55 cm/s2及 310 cm/s2的ELCENTO 波、Taft 波及南京波开展时程分析，得出弹性位移角，如图 6 所示。当增设“X”形支撑后，装配式框架结构的侧移得到有效控制，其最大弹性层间位移角由 1/489 减至为 1/661，降幅为 26%，达到规范限值要求，且经济效益较佳。(a)未设支撑时的位移角曲线(b)增设 X 形支撑后的位移角曲线图 6装配式框架结构增设支撑前后的弹性层间位移角曲线Fig.6Elastic storey displacement angle curve of prefabricated framestructure before and after adding support4.3位移响应对比表 6 为 18 层(64.8 m)装配式框架结构在增设“X”形中心支撑与未加支撑的结构位移对比情况。由表 6 可知，加支撑后抗侧力显著提升，最大位移相较未增设支撑时的最大降幅为 51.3%，1 期盛朝晖等:装配式框架结构的适用高度研究7建筑结构有效避免了结构构件因变形过大而开裂破坏，同时保障了结构在使用过程中的舒适性。表 6位移响应对比Table 6Displacement response comparison项目多遇地震(55 cm/s2)罕遇地震(310 cm/s2)El Centro波Taft 波南京波El Centro波Taft 波南京波无支撑结构位移/m0.06945 0.05789 0.04757 0.39142 0.32629 0.26811带支撑结构位移/m0.03376 0.04247 0.03594 0.19029 0.23941 0.20256位移降幅/%51.326.724.451.326.724.45结论(1)当 现 浇 框 架 结 构 的 层 数 增 至 18 层(64.8 m)时，其在小震及大震响应下的最大侧移分别为 0.05931、0.33428 m;最大弹性位移角为1/582，达限值的 95%;弹塑性位移角为 1/103，达到限值的 49%;此时主要材料(钢筋、混凝土及砌体)的单位造价达控制成本的 98.4%，考虑到经济性及此时柱子已达到最大可用尺寸，因此不适宜通过增大截面尺寸来增加层高，故高宽比不大于3 的现浇框架结构在7 度设防烈度地区的最大适用高度约为 18 层(64.8 m)。(2)当装配式框架结构的层数增至 18 层(64.8 m)时，其在小震及大震响应下的最大侧移分别为 0.06945、0.39142 m;最大弹性层间位移角由 17 层(61.2 m)时的 1/580 增大至 1/489，已超出多遇地震下 1/550 的变形要求，达限值的112%，无法保障结构在遭遇震害时的安全性，由于装配式框架结构成本要高于同层数现浇框架结构，因此考虑到经济性和安全性都不宜再增大梁柱截面来提高结构的抗侧能力。因此高宽比不大于3 的装配式框架结构在7 度设防烈度地区的最大适用高度约为 17 层(61.2 m)。(3)当装配式框架结构在现有条件下高度已达最大时，可考虑在结构上合理增设支撑，通过增设支撑的方式提升结构的抗侧刚度;使结构的抗震性能指标满足要求，从而进一步提升装配式框架结构的适用高度。(4)当高度相同时，装配式框架结构的主要指标成本较现浇形式有略微增加，因此现浇框架结构形式所需建设成本更低;但采用装配式形式则可缩短项目建设周期，节省时间成本，并且顺应当下的环保要求。因此，应根据实际需求合理选用结构施工形式。参考文献 1 庄存波，刘检华，隋秀峰，等.工业互联网推动离散制造业转型升级的发展现状、技术体系及应用挑战 J.计算机集成制造系统，2019，25(12):30613069.2 马容全.装配式建筑的发展现状与未来趋势 J.施工科技(中英文)，2021(7):6468.3 张洁茹.预制装配式建筑在中国市场的投资风险分析 J.财经界(学术版)，2014(7):99.4 住房和城乡建设部科技与产业化发展中心等.装配式建筑发展行业管理与政策指南 M.北京:中国建筑工业出版社，2018.5 武振.走新型工业化道路推进住宅产业现代化科学发展 J.住宅产业，2013(5):1518.6 李然，田春雨，马云飞.竖向接缝钢锚环灌浆连接装配式多层剪力墙抗震性能试验研究 J.建筑结构学报，2020，41(S2):12313.7 吕英婷，郭子雄，黄婷婷，等.装配式震损可更换组合柱抗震性能试验研究 J.土木工程学报，2020，53(4):110+22.8 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