全装配预应力混凝土模块结构体系可行性研究

1. 技术背景

近年来，全国各地正在大力推广装配式建筑，目前应用较多的为装配式混凝土建筑和装配式钢结构建筑。装配式混凝土建筑中，研究和应用最多的结构体系为装配整体式混凝土剪力墙结构体系，该体系受力性能等同现浇，但现场仍存在大量湿作业，预制率及工业化程度有限。装配式钢结构体系主要用于公共建筑中，结构体系较为成熟，但外围护系统的耐久性及使用性能仍有待进一步研究和提高；此外钢结构体系在成本方面也不占优势。

装配式模块化箱型建筑是一种工业化程度更高的装配式建筑，其以单个房间为单元，在工厂生产，形成模块，再运至现场进行安装，可实现全部工厂生产、全部现场装配。模块化建筑的结构体系按模块材料主要分为钢模块结构体系和混凝土模块体系。钢模块结构体系相对比较成熟，多应用于多层的临时建筑、住宅、办公楼及酒店建筑中。对于高层建筑，根据受力需要，可在结构中布置钢框架、混凝土核心筒或剪力墙等，以保证结构的抗侧刚度和抗震性能。

钢模块结构体系虽有不少优点，但仍存在钢结构体系固有的防火、防腐、隔音、围护结构、成本控制等问题。混凝土模块结构体系是另一种选择，其可避免钢结构模块的固有问题，与国内目前大力推广装配式混凝土剪力墙结构住宅体系的思路一致。

针对适用范围广且可用于高层建筑的混凝土模块体系的研究和应用还很少，新加坡发展了PPVC技术（全称Prefabricated Prefinished Volumetric Construction）（图1），在住宅中主要采用混凝土模块，其将整间房间在工厂制作，同时完成结构与装修部分，形成独立模块，然后再现场拼装形成整体结构。但PPVC体系中模块之间的连接节点仍然采用钢筋插入并灌浆的方式，施工复杂且质量难以保证。

(a)模块吊装

(b)连接节点

图1  新加坡PPVC混凝土模块结构体系

与新加坡不同，我国需要考虑抗震设计，采用PPVC技术难以满足要求，想要推广应用，则必须对混凝土模块结构体系的连接方式和抗震性能进行详细研究。

基于此，模块科技（北京）有限公司提出了一种可用于高层建筑的混凝土模块结构体系（图2），其核心技术是将铁路中用于连接预制节段梁的后张预应力连接方式，跨界应用于装配式建筑。中国建筑科学研究院有限公司受委托对该结构体系进行了一系列研究工作，本文介绍结构体系的可行性研究部分。

图2  全装配预应力混凝土模块结构体系

2.结构方案

2.1 预制混凝土模块

为便于制作，典型预制模块由四面竖板和一面底板组成，其中竖板作为墙体，底板作为楼板（图3）。模块中墙体顶部和底部设置键槽，内墙外侧底部设置键槽，此外可根据建筑设计要求留设门窗洞口等。模块中外墙厚度一般不小于200mm，内墙厚度不小于120mm，楼板厚度不小于130mm，具体尚需根据结构受力需要计算确定。模块混凝土强度等级不低于C40，钢筋一般采用HRB400级。

图3  典型预制混凝土模块构造示意

2.2  墙体连接方式

上下层模块通过后张预应力方式连接，具体为：安装时上下层模块墙体接触部位预先涂抹胶粘剂，然后将上层模块吊装入位，与下层模块紧密接触，待所有模块安装就位后，沿竖向穿设预应力筋并张拉，使上下层模块连接为整体（图4）。

接缝处抗弯依靠预应力束受拉和混凝土受压，接缝处上下模块无普通钢筋连接，类似于竖向分布钢筋不连接，边缘构件采用预应力筋的剪力墙。

接缝抗剪机制为键槽抗剪+压力摩擦抗剪+抗剪螺栓抗剪（必要时）。具体为模块墙体底部和顶部分别设置匹配的凹槽和凸键，安装后凸键进入凹槽，凹槽为贯通式，主要承受墙体接缝的面内剪力；安装时预先在键槽范围涂刷胶粘剂，模块安装挤紧形成胶缝，最后穿设和张拉预应力。除键槽抗剪外，界面上还存在由重力荷载和预加力产生的压力，由于有胶粘剂，压力可产生摩擦抗剪作用。此外，接缝受力较大时还可设置抗剪螺栓，形成销栓抗剪机制。相邻模块墙体在竖向相接部位不做特殊处理，可视为墙体竖向接缝不连接。

图4  竖向预应力连接示意

2.3 楼板连接方式

同层模块在楼板位置通过后张预应力方式连接，具体为：安装时模块楼板接触部位预先涂抹胶粘剂，然后将模块吊装入位，与相邻模块紧密接触，待同层所有模块安装就位后，沿水平穿设预应力筋并张拉，使同层模块连接为整体（图5）。

接缝在预加力作用下的局部抗拉主要依靠胶接缝自身的抗拉强度和预应力束的受拉承载力。当接缝不开裂时，主要依靠胶接缝自身的抗拉强度，接缝开裂后完全由预应力束承担拉力。

同层相邻模块在与楼板位置对应的墙体侧面设置专用于抵抗剪力的键槽，该键槽可以同时抵抗面内剪力和面外剪力。当个别部位键槽抗剪能力不足时，可补充设置抗剪螺栓，形成键槽抗剪+抗剪螺栓抗剪机制。

图5  水平预应力连接示意

3. 研究方法

首先根据理论分析拟定设计方法；然后对结构进行弹性计算，确定模块布置及预应力束布置等；再对结构进行弹塑性计算；通过判断弹性和弹塑性计算结果，判断结构是否满足现行规范的抗震设计要求，验证结构方案和拟定的设计方法的可行性。

根据现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010（2016年版）和现行行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010确定结构弹性及弹塑性计算的具体内容、计算指标及结果评价方法。

以某酒店建筑项目（图6）为例进行计算分析，该项目中，模块内墙厚120mm，外墙厚200mm，楼板厚130~150mm，层高3m，混凝土强度等级为C60，钢筋采用HRB400钢筋，预应力筋采用1×7股、直径15.2mm、1860MPa级的钢绞线。

图6  某酒店建筑项目模块结构平面布置图

4. 计算分析

4.1 结构弹性计算

按8度区、27层81m高建模（图 7a），进行多遇地震作用下的弹性计算。主要计算内容如下：

(a)弹性计算模型

(b)弹塑性计算模型

图7  模块结构计算模型

4.1.1  结构模态

结构前三阶振型依次为Y向平动振型、X向平动振型和扭转振型，结构周期比为0.72，不大于0.9，满足设计要求。

4.1.2  结构变形

结构在多遇地震作用下的弹性层间位移角：X向、Y向最大层间位移角分别为1/2610（发生在第9层）和1/1502（发生在第20层），均明显小于限值1/1000，满足设计要求。

4.1.3 墙体预应力束布置及接缝验算

墙体预应力束的布置原则为接缝整体受压（轴力为压力）且受剪承载力满足要求，经试算可得到预应力束布置。模型中预应力束由多根钢绞线组成，集中配置在墙体端部和洞口两侧（布置原则类似于剪力墙边缘构件）。按上述预应力束计算后，对墙体接缝进行面内受剪承载力验算，验算时考虑键槽和轴压力的抗剪贡献。在确定的预应力束布置下，接缝承载力满足设计要求（图8）。

图8  典型部位墙体接缝验算结果

4.1.4  墙体构件验算

对墙体的轴压比、稳定性、剪压比按现行规范进行验算。轴压比、剪压比及外墙的稳定性均满足现行规范设计要求。对内墙的稳定性，由于为两个模块的内墙共同构成，导致底部楼层的墙体稳定性验算不满足要求，因此建议在双墙之间增设螺栓作为拉结件，使二者在压力作用下协同受力，提高稳定承载力。

4.1.5  连梁验算

连梁剪压比及配筋均满足现行规范对现浇连梁的相关要求。

4.2  结构弹塑性计算

在弹性计算的基础上，建立反映连接方式和构件配筋的较真实的计算模型（图7b），进行弹塑性时程分析。计算包括目前抗震设计所要求的多遇地震、设防地震和罕遇地震共三个水准地震作用，以全面分析和评价结构抗震性能。

经试算，采用无粘结预应力连接方式时，8度区39m模型和7度区60m模型均可满足抗震设计要求。此处仅给出7度60m模型的主要计算结果。

4.2.1  层剪力

设防地震作用下X向、Y向基底剪力约为多遇地震基底剪力的2.60倍和2.79倍；罕遇地震作用下X向、Y向基底剪力约为多遇地震基底剪力的4.04倍和5.06倍，处于正常范围。

4.2.2  层间位移角

地震波按双向输入。多遇地震作用下X向、Y向最大层间位移角分别为1/4798和1/2217，小于限值1/1000。设防地震作用下X向、Y向最大层间位移角分别为1/1725和1/1175，小于限值1/330。罕遇地震作用下X向、Y向最大层间位移角分别为1/605和1/501，小于限值1/120。结构弹塑性变形满足设计要求（图9）。

图9  弹塑性分析层间位移角

4.2.3 预应力束应力分析

计算得到多遇地震作用下墙体预应力束的最大拉应力为1006MPa，小于0.9倍的预应力筋抗拉强度设计值，满足弹性设计要求；罕遇地震作用下的墙体预应力束的最大拉应力为1045MPa，小于0.85倍的预应力筋极限强度标准值，满足不屈服设计要求（图10）。

（a）罕遇地震-X主向

（b）罕遇地震-Y主向

图10  弹塑性分析预应力束应力

4.2.4 墙体接缝验算

验算罕遇地震作用下的墙体水平接缝面内受剪承载力。验算时：1）取接缝受力较大的典型模块进行验算；2）按单个模块验算，且取同方向墙体作为整体进行验算；3）当受剪承载力不足时，考虑增加抗剪螺栓，给出所需的抗剪螺栓数量。

由验算结果可知，罕遇地震作用下在极少数墙体局部增加抗剪螺栓的条件下，墙体水平接缝面内受剪承载力可达到设定的不屈服的性能目标（图11）。

图11  典型模块墙体接缝验算结果

4.2.5 楼板接缝验算

验算多遇地震、罕遇地震作用下的受拉承载力、面内及面外受剪承载力。

受拉验算：验算时首先找到模型中接缝处连接单元（无预应力作用）的最大拉力，将其与预应力作用下的该处连接单元的压力叠加考虑，根据预应力作用原理，得到接缝处混凝土的应力和预应力束的应力，判断是否满足设计要求。由验算结果可知，多遇地震下接缝可以实现不受拉；罕遇地震作用下，接缝在预应力作用下可满足不屈服的设计要求。

面内及面外受剪验算：对模型中接缝处连接单元剪力较大的部位进行验算，面内剪力按实际接缝长度范围进行验算，面外剪力取约1m范围进行验算。由验算结果可知，多遇地震作用下，各接缝面内及面外受剪承载力可满足弹性设计要求，罕遇地震作用下，可满足不屈服的设计要求。

4.2.6 结构破坏情况

计算得到结构在多遇地震、设防地震及罕遇地震作用下的破坏情况。以下以罕遇地震作用为例给出结构的破坏情况（图12）。

图12  罕遇地震作用下结构破坏情况

可见，除个别角部外墙发生重度损坏外，东、西外墙主要发生轻微损坏，南、北外墙主要发生轻度损坏，连梁主要发生中度或重度损坏，结构总体损坏程度满足抗震设计要求。

5. 结论

通过上述研究验证了所提全装配预应力混凝土模块结构体系的可行性，基本确定了该结构体系的结构方案和设计方法，研究成果已通过专家论证，主要结论如下：

1）结构方案受力合理，具有可行性和可操作性。在合理设计的前提下，可以达到预期目标，能够满足现行规范的抗震设计要求，可以保证结构安全。

2）拟定的设计方法概念清晰、便于操作，可用于实际工程设计。

总体而言，本结构体系为我国装配式建筑结构体系的发展和创新提供了新思路，可以预期，在进行大量推广应用后，可以充分发挥全装配混凝土结构在节能减排、施工效率、建造成本等方面的显著优势，为新型建筑工业化事业的发展添砖加瓦。

本 篇 作 者

周 剑，1989年1月出生，2015年硕士毕业于清华大学土木工程系，负责和参加多项装配式结构研发、咨询及设计工作，作为主要起草人参编CECS等团体标准4项，发表学术论文十多篇，申请专利十余项。

关 注 我 们

建筑工业化事业部由建筑、结构、建材、产品、软件等领域顶级专家及专业技术人员组成，依托中国建筑科学研究院和建研科技股份有限公司多年来在装配式建筑领域标准规范、国家课题、技术研发、产品研发等方面的科研成果，致力提供装配式建筑领域的全过程技术服务和综合解决方案，包括新型技术体系研发、工程设计咨询、产品研发及销售、软件开发等，为客户创造最大价值。

联 系 方 式：

地  址：北京市朝阳区北三环东路30号、中国建筑科学研究院C座19层

电   话：86-10-64517935

联系人：张盈

邮   箱：[e-mail]