装配式建筑抗震问题的再思考
2017-12-28 09:52:53

 两次地震相差1个月,虽然日本岩手地震释放的能量远小于汶川地震,但死伤人数相差之大,令人震惊。

        中国参会代表:重点介绍钢筋混凝土结构建筑、砖混结构建筑,强调只要按抗震要求设计,钢筋混凝土结构建筑、砖混结构建筑可以抗震。
        外方参会代表:重点介绍新型建筑结构体系(包括钢结构建筑、木结构建筑)及减隔震技术。
        汶川地震中房屋倒塌的教训
        汶川地震共倒塌房屋700万余间,其中80%是农房。
        农村地区建筑物损毁要远高于城市建筑物。很多农村的房屋倒塌率在90%以上。
        农村房屋建造不重视圈梁、构造柱。在地震时,这种房屋往往在摇晃后,楼板脱落造成整体垮塌。
        农民建房一直以自建为主,从设计、施工到灾害保险等几乎所有环节,都处于无人监督、随意建设的状况,农村建筑呈现出整体上的“不设防”格局。
        资料来源:地震发生时国内媒体的报道:
        北川县城房屋倒塌很严重。
        汶川县城房屋倒塌极其严重,其中约三分之一房屋严重受损;映秀镇有不少房屋在地震中倾斜,局部房屋大面积垮蹋;耿达乡倒房率在40%以上;
        绵竹市拱星镇倒房较多,绵竹市区东北部、兴隆镇、富新镇、五福镇、齐天镇、柏隆镇的倒房率约20%至40%, 绵竹市区东西部、什坊市倒房率在20%以下;
        青川县再遭余震重创,房屋大面积倒塌;
        茂县太平乡倒房率约在10%至20%,部分区域倒房率在20%至50%;叠溪镇倒房率较低,在10%至20%之间。
        几点思考(一)
        1. 地震死伤,绝大多数是被垮塌房屋压死的、或被破损房屋砸伤的。
        2. 中国地震死伤人数较多,说明建筑质量,中国相比发达国家差。特别是农村地区的建筑质量尤其差。
        3. 中国大量采用砖混结构、或钢筋混凝土结构建造住宅,重量大,地震力也大,加上施工质量难于确保, 地震时,住宅垮塌较多。
        4. 砖混结构若没有设置圈梁、构造柱,就形不成结构的整体性,抗震性能差,又没有冗余度,抵抗不了连续倒塌,地震一来,很容易整体垮塌。
        美国住宅建设的经验借鉴
        住宅产业作为美国国内经济的重要支柱,对拉动经济发展起举足轻重的作用。拥有住房的人,要比租房者有更强的责任感,更关心自己的社区。稳定的社区植根于大量自有住房者的群体之中, 因此鼓励一切有能力的人买房是政府住宅政策的基石。
        住宅建设:①大量建设装配式住宅;② 形成集设计、制作、安装、装修为一体的住宅产业;③以住房建设促进社区发展;④通过政府调节,保证居住政策上的公平。
        木结构在北美应用较多。4层及4层以下的木结构建筑,在美国、加拿大很流行。多用于公寓、住宅等。(1)正交胶合木,胶合梁和柱,强度很大。可用于木桁架屋顶,实现大跨度。(2)钢筋混凝土核心筒+木框架+木楼板,可建设高层建筑。
        胶合木与成材相比,强度大,而且结构均匀,内应力小,不易开裂和翘曲变 形;还有较高的耐火性能, 可解决部分大跨度、耐候 防蛀问题。
        这种材料非常轻便和坚固, 而且由于抗剪能力提高, 对抗震更有利,也更能支 撑起大楼的重量。美国现 代化的林业工程,采用叠 合层技术,能够帮助木材 发挥更大的强度,更稳定 的性能。
        无论是在美国的东部还是西部,均可见到大量的木结构住宅。
        集成住宅:在美国,住宅建设衍生出集设计、制作、安装、装修、整体厨卫为一体的集成住宅产业,工厂化生产,工地现场安装。原来量大面广的是木结构,但随着木材价格的上涨,美国加大了钢结构住宅的推广。目前,钢结构住宅,已经成为集成住宅市场的主力。
        超高层住宅:美国对超高层住宅的建设一直很慎重。规划建设之前, 需综合评估文、教、体、卫、商业等配套要求,交通设施要求(道 路、停车位等),以及市政设施要求。美国超高层住宅的建设主要集中在几个大都市区。超高层住宅主要采用钢结构。
        几点思考(二)
        1. 发达国家的居民住宅以低层、多层为主,且大力推广装配式木结构住宅、轻钢结构住宅,对增强房屋抗震能力,十分有利。
        2. 装配式木结构、轻钢结构,重量轻,吸收地震力小,地震时更不易垮塌。
        3. 结构是由不同功能的基本构件通过可靠连接组成的、能够长期安全可靠的承受各种荷载和作用的、合理的整体系统。装配式木结构、轻钢结构,只要连接节点可靠, 就有很好的整体性。
        4. 中国人普遍不认同木结构作为住宅,不是因为缺少木材,而是因为历史上兵荒马乱,烧杀抢掠,木制房屋不安全。这种观念应改变。
        低层及多层装配式木结构住宅
        我国已具备发展现代木结构的条件。木结构的特点:重量轻、抗震性能好。可循环、可再生。没有永久性建筑垃圾。绿色、低碳、环保。中国也不缺木材。人工林的蓄积量达到一定比例,应该开采,如果不及时开采,它会倾倒、腐烂,甚至在一定条件下可能发生自燃。
        高层钢结构住宅体系+BIM技术
        总的结构造价增加很少。除了材料直接费用外,构件加工、运输、施工模板等减少的间接经济效益也明显。
        提高结构性能。结构构件匀质性好,使各构件受力均匀合理,确保结构的安全可靠。结构断面明显减小,减轻了结构自重,有利于结构抗震和基础设计。
        提高建筑使用空间。总建筑面积和建筑总高度不变,由于减小了构件尺寸,而增大了使用面积。
        缩短施工周期。机械化施工,可以大大缩短施工周期。地下室用逆作法施工,可进一步缩短工期。
        整体浴室(住宅产业化配套部件)
        整体框架(含防水盘、壁板、顶板),一体化设计并经精密数控标准化生产,集合卫浴设施以及上下水系统、电路系统,有机融合淋浴、洗漱、如厕三大功能。
        优点:①质量稳定;②安装速度快;③滴水不漏,防水盘一次成型,绝不渗漏;④优质材料,表面不藏污垢,方便清洗;⑤综合成本低。
        高端高层钢结构住宅--厦门帝景苑
        全国最高的全钢结构住宅大楼。5幢,62层,建筑高度258米。
        高档内外装修,外围护全部采用幕墙
        普通高层钢结构住宅
        钢结构主体:钢框架-支撑体系。可拆卸钢筋桁架组合楼板、PC外墙、陶粒板或轻质砼条板内墙、钢楼梯(加混凝土垫层)。
        几点思考(三)
        1.中国已具备发展装配式木结构住宅的条件。重量轻、抗震能力强,尤其适合别墅区或农房建设,宜推广。
        2.厦门本土生产的轻钢结构住宅,整体性好。出口巴西、新西兰等地,历经地震考验。
        3.美国发展高层钢结构住宅的经验值得借鉴,钢结构强度高、断面小、自重轻、抗震性能好。适合工厂化生产,在现场装配,栓接或焊接,能熔成一体,保持了结构的整体性。
        4.高层钢结构住宅应尽快形成体系,集装配式墙板、楼板、整体厨卫为一体。高档住宅外墙可以用幕墙,普通住宅外墙可用预制PC墙板。
        预制装配式钢筋混凝土结构
        全国各地对预制装配式钢筋混凝土建筑的推广应用非常重视。设计、施工、构件生产厂家的积极性也很高,形势一片大好。
        在大好形势下,特别要注意设计、施工、和构件制作质量。要避免因为技术和人才跟不上建设规模,而出现质量安全问题。
        套筒灌浆技术:将套筒一端的钢筋在预制工厂通过螺纹完成机械连接,另一端钢筋在施工现场通过灌浆进行连接。
        框架结构做预制装配相对容易,但是装配式框架结构的推广力度并不大。目前,更多地从最难的剪力墙结构体系来着力推动,因此,碰到的困难和挑战也就增加了许多。
        连接钢筋又多又密,特别是剪力墙结构,一根钢筋若存在一 点点小偏差,多根钢筋的累计偏差就不会太小,现场安装时,那么多钢筋同时要对上套管, 就有很高的难度。
        几点思考(四)
        1.预制装配式混凝土结构的整体性。预制构件是在工厂制作好,运输到现场进行装吊拼接,如果连接部位存在偏差,安装后会出现整体性差等问题,影响结构抗震性能。
        2.预制装配式混凝土结构的节点。对装配式混凝土结构,节点性能是影响结构抗震性能的关键,在构造措施合理的情况下,其节点耗能性能可等同于现浇节点。但是若没有设计好,预制结构的节点往往是薄弱环节,容易造成节点破坏和整体倒塌。
        3.预制装配式混凝土结构的节点连接。预制构件的节点连接是装配式混凝土结构的薄弱环节,成熟可靠的节点连接技术是保证装配式结构整体性、安全性的关键。和现浇结构相比,预制结构钢筋连接部位较小,其钢筋锚固在构件中,不能灵活调整,连接相对困难。若连接不好,易酿成安全隐患。
        推广装配式+ 减隔震技术
        四川雅安地震,芦山县人民医院门诊综合楼在地震中表现出良好的隔震效果,经历7.0级强震后,除了少许墙面乳胶漆层脱落,建筑内部梁柱和墙构件竟没有出现任何裂纹,就连窗户的玻璃没有任何毁坏,成为震后地震区抢救伤员的主要医院之一。
        截至2014年,日本共有各类隔震建筑8600幢,其中有不少是装配式建筑。隔震建筑在日本的历次地震中表现良好。台湾的办公建筑、居住建筑也应用装配式+ 减隔震技术。
        装配式砼结构的节点连接存在薄弱环节,为了提升结构的抗震能力,节点连接构造的研究,应与减隔震技术应用结合起来。
        装配式减隔震抗震技术,在日本应用很多。隔震:不让地震力直接传递给建筑物,可减轻地震的摇晃约1/3左右,对钢筋混凝土结构较为有利; 减震:通过减震器对地震力产生阻尼,可减轻地震的摇晃约3/4左右, 对钢结构尤为适合。采用减隔震技术,可能会使装配式建筑的节点连接 变得相对简单。
        我们在学习国外装配式技术的同时,也要把减隔震这样的先进技术结合进来。把采用减隔震技术的装配式结构体系,作为装配式建筑的创新技术。
        在国内,减隔震技术也已经得到应用,在一些常规的建造中,也积累了不少经验,推广应用到装配式建筑,会相对容易。厦门市已施工完成多 个减隔震项目,并进行了最大水平位移值的实际隔震结构动力特性试验, 收到了良好的效果。
        近五年厦门市施工完成的隔震建筑项目
        厦门湖里实验幼儿园框架结构,三层局部四层,高度15.05m,建筑面积为3586㎡。
        地面下检修层作为隔震层,层高2100mm,控制净高不小于1200mm,这样方便于检修和地震后的隔震支座更换。隔震层设有46个橡胶隔震支座,其中26个400mm直径普通橡胶支座(LRB)和20个500mm直径铅芯橡胶支座(LNR)。
        屈曲约束支撑:受拉与受压时均能达到屈服而不发生屈曲失稳的轴力构件。
        在地震作用下,采用屈曲约束支撑减震结构,其Y方向最大层间位移角较原结构方案减小了14%,满足规范的层间位移角1/750的限值要求,其他各项指标也均能够 满足现行规范的控制要求。
        结束语
        木结构重量轻、抗震性能好,尤其适用于低层、多层住宅。
        高层钢结构建筑,跨度大、断面小、抗震优,宜推广。
        轻钢结构,抗震能力强,可借鉴发达国家的经验,重点发展集设计、制作、安装、装修、整体厨卫为一体的集成住宅。
        预制装配式砼结构,应重视节点设计、连接,加强整体性。
        装配式砼结构的节点连接存在薄弱环节,为了提升结构的抗震能力,节点连接构造的研究,可与减隔震技术结合考虑。

 

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