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硕士学位论文 不同连接形式预制装配式钢筋混凝土构件 抗震性能研究 Research on Seismic Behavior of Pre-cast Reinforced Concrete Members with different connection s 专 业 土木工程 作 者 彭晓丹 导 师 余志武 教授 中南大学土木工程学院 2016 年 5 月 中图分类号 TU375 学校代码 10533 UDC 624 密级 公开 硕士学位论文 不同连接形式预制装配式钢筋混凝土构 件抗震性能研究 Research on Seismic Behavior of Pre-cast Reinforced Concrete Members with different connection s 作者姓名 彭晓丹 学科专业 土木工程 研究方向 结构工程 学院系所 土木工程学院 指导教师 余志武 教授 副指导老师 国 巍 副教授 论文答辩日期 答辩委员会主席 中 南 大 学 2016 年 5 月 I 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明， 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。 尽我所知， 除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、 使用学位论 文的规定 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印 件和电子版； 本人允许本学位论文被查阅和借阅； 学校可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用复印、 缩印或其它 手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名 导师签名 日期 年 月 日 日期 年 月 日 II 不同连接形式预制装配式钢筋混凝土构件 抗震性能研究 摘要由于住房需求的激增以及环境问题日益突出，对传统的粗放型 生产的建筑行业提出了转型要求。国家顺提出 “建筑工业化、住宅产 业化”的口号，积极推进预制建筑在我国的第二次革命。预制钢筋混 凝土剪力墙结构体系抗水平侧移刚度大， 比框架结构更适合我国住宅 产业化发展，同时兼具快速施工、高质量、低污染、低能耗等优点。 预制构件连接的可靠性，尤其是钢筋连接的有效性，是决定预制构件 整体性及其抗震性能的关键。因此，对预制构件连接形式的研究是目 前此领域的研究热点，同时也是普及预制装配式剪力墙结构，提升建 筑预制率的必由之路。 本文在课题组前期研究的基础上，对提出的新型连接方法 U 型 套箍连接进行改进和研究。在 U 型套箍连接的基础上，提出钢筋 U 型套箍连接并焊接、 钢筋冷挤压套筒连接两种不同预制构件连接方法， 制作预制混凝土柱进行节点抗震性能的试验，从破坏形态、钢筋应变 传递效果、位移能力及耗能能力等多方面对比，发现采用挤压套筒连 接的 U 型套箍改进型连接方法的连接效果可靠。为验证改进后连接 方法的有效性，设计 5 个剪力墙试件，包括 1 个现浇试件和 4 个带水 平缝的装配式剪力墙试件进行拟静力试验。从试验现象分析发现，全 截面 U 型套箍连接对于后浇混凝土强度提出更高要求，虽施工方法 简单， 但对临时固定装置依赖度高， 而采用冷挤压套筒连接边缘构件， 钢筋连接的连续性提高， 连接可靠， 同时解决了施工临时固定的问题。 最后，通过基于 ABAQUS 的数值模拟发现，在有限元分析中用 非线性弹簧单元考虑钢筋混凝土之间的粘结滑移效应， 使得有限元分 析结果基本与试验结果吻合， 也进一步明确了试件应力分布状况和试 件的破坏特征。 本文图 55 幅，表 18 个，参考文献 57 篇。 关键词预制装配式剪力墙；拟静力试验；U 型套箍；抗震性能； ABAQUS 分类号TU375 III Research on Seismic Behavior of Pre-cast Reinforced Concrete Members with different connection s ABSTRACTAs a consequence of rapidly increasing housing demand and environmental problems has becoming increasingly prominent, the traditional extensive production construction industry has to change its origin model of production. China has put forward the “industrial building, housing industry“ slogan timely, and actively promoting the second revolution of precast concrete building in our country. Precast concrete Shear Wall structural system has nice horizontal lateral stiffness, more suitable for the industrial development of Chinas housing than the frame structure, while it has the properties of both rapid construction, high-quality, low pollution, low energy consumption and other advantages. The reliability of connections of precast members, especially the effectiveness of rebar connections, is the key determinants of precast members integrity and its seismic perance. Therefore, the research are focused in connection area, but also only wall to put the precast concrete shear wall structure into application and enhance the rate of precast buildings. Based on our previous studies, we have been making improvements on the U-shaped ferrule connections properties and do further research. On the basis of the U-shaped ferrule connection, two different connection s was proposed, the U-shaped steel edge reinforcement welding connection or cold extrusion sleeve connection. The experiment of precast reinforced concrete column was conducted. Judged from failure modes, reinforced strain transferring effect, displacement and energy dissipation capacity and other aspects of the specimen, the improvements of extruded sleeve connection is reliable. In order to verify the effectiveness of enhanced connection, while acting as supplement of our previous research, 5 shear wall specimens was designed, including an in-situ specimens and 4 precast concrete shear wall specimens with horizontal seam. Quasi-static test was conducted. From the aspect of the test failure modes, fracture distribution and development law, specimens ductility and energy dissipation capacity of the specimens it is verified IV that total cross section of U-shaped connector ferrule are more reliable on the strength of post cast concrete. Although the construction is simple, it is highly depended on the temporary fixing s, while the use of cold extrusion sleeve member connected to the edge, to improve the continuity and reliability of steel connections was improved, while addressing the construction of temporary fixing problems at the same time. Finally, through numerical simulation based on ABAQUS, it is founded that in the finite element analysis, by using nonlinear spring elements with bond slip effect between the reinforced concrete, the finite element analysis results are basically in consistent with the experimental results. Through the simulation that the stress test distribution status and failure characteristics of the specimen was clarified. Key Words precast concrete shear wall; quasi-static test ; U-shaped joint ; seismic behavior ; ABAQUS ClassificationTU375 V 目 录 1 绪 论 .......................................................................................................................... 1 1.1 住宅产业化发展概况及现状 ......................................................................... 1 1.1.1 国外的发展及应用 .............................................................................. 1 1.1.2 国内的发展及应用 .............................................................................. 3 1.2 预制装配式钢筋混凝土剪力墙结构研究概况 ............................................. 5 1.2.1 国外研究现状 ...................................................................................... 6 1.2.2 国内研究现状 ...................................................................................... 8 1.3 本文主要研究内容 ....................................................................................... 11 2 不同连接形式的装配式钢筋混凝土构件抗震性能研究 ...................................... 13 2.1 装配式钢筋混凝土构件传统连接形式分析 ............................................... 13 2.2 新型连接形式的构造及性能分析 ............................................................... 13 2.3 不同连接形式抗震性能试验设计 ............................................................... 14 2.4 试验结果分析 ............................................................................................... 22 2.4.1 试验现象及试件破坏机理 ................................................................ 22 2.4.2 水平力-位移骨架曲线 ...................................................................... 27 2.4.3 水平力-位移滞回曲线 ...................................................................... 29 2.4.4 试件位移特征及刚度分布 ................................................................ 32 2.4.5 试件钢筋应变分析 ............................................................................ 35 2.4.6 刚度退化分析 .................................................................................... 37 2.4.7 试件耗能能力分析 ............................................................................ 38 2.5 本章小结 ....................................................................................................... 39 3 装配式剪力墙水平缝不同连接方法抗震性能试验研究 ...................................... 40 3.1 装配式剪力墙构件试验模型选取及试验目的 ........................................... 40 3.2 试件设计及制作 ........................................................................................... 40 3.3 试验制度与试验方案 ................................................................................... 42 3.4 材料性能试验 ............................................................................................... 43 3.5 试验结果分析 ............................................................................................... 43 3.5.1 试验现象及试件破坏机理 ................................................................ 43 3.5.2 水平力-位移骨架曲线 ...................................................................... 46 3.5.3 水平力-位移滞回曲线 ...................................................................... 48 3.5.4 试件钢筋应变分析 ............................................................................ 49 VI 3.5.5 试件位移特征及刚度变化分析 ........................................................ 50 3.5.6 剪力墙试件耗能能力比较 ................................................................ 52 3.6 本章小结 ....................................................................................................... 53 4 基于 ABAQUS 不同连接形式的装配式构件数值模拟 ....................................... 54 4.1 ABAQUS非线性有限元分析概述 ................................................................. 54 4.2 有限元模型的建立 ....................................................................................... 54 4.2.1 有限单元的选取及建模过程 ............................................................ 54 4.2.2 有限元分析材料本构模型 ................................................................ 55 4.2.3 钢筋混凝土有限元分析模型 ............................................................ 57 4.2.4 钢筋混凝土粘结滑移的有限元实现 ................................................ 57 4.3 新型节点有限元模拟 ................................................................................... 58 4.3.1 有限元模型及边界条件 .................................................................... 58 4.3.2 有限元模型滞回曲线对比 ................................................................ 58 4.3.3 有限元模型应力情况对比 ................................................................ 59 4.3.4 混凝土损伤发展情况 ........................................................................ 61 4.4 装配式剪力墙有限元模拟 ........................................................................... 61 4.4.1 有限元模型及边界条件 .................................................................... 61 4.4.2 有限元模型滞回曲线对比 ................................................................ 62 4.4.3 U 型套箍连接剪力墙应力情况分析 ................................................. 63 4.4.4 U 型套箍剪力墙混凝土损伤发展情况 ............................................. 63 4.5 本章小结 ....................................................................................................... 64 5 结论与展望............................................................................................................... 65 5.1 结论................................................................................................................ 65 5.2 展望................................................................................................................ 66 硕士学位论文 第一章 绪论 1 1 绪 论 近年我国处在改革开放的高速发展时期，我国的城镇化进程进一步加速，以大量 资金和土地投入为基础的建筑行业高速增长。与此同时，由于早年相对廉价的劳动力 成本，对结构使用性能以及环境保护的忽视，使得建筑行业成为劳动密集、高污染、 高能耗的产业。为响应建设“资源节约型、环境友好型”两型社会的政策要求，建筑行 业从粗放型的生产方式向产业化的集约型生产成为必然。 住宅产业化（Housing Industrialization）的概念最早在 1968 年由日本提出，即采 用工业化生产的方式生产住宅，以提高住宅生产的劳动生产率，降低成本[1]。我国早 在 1994 年国家“九五”科技工作计划中就建立了住宅产业化的发展框架，但由于预制 构件工厂的建造成本高，运输成本高及建筑抗震性能、使用性能不佳等因素制约，一 直没有得到普及[2]。进入 21 世纪，人口及环境带来的压力逐渐加剧，国家对建筑行 业提出了“建筑工业化、住宅产业化”的发展要求。 我国建筑行业传统的施工方式采用现浇方法现场施工，虽然结构可靠性高，但这 种施工方法存在着建安成本高、施工周期长、环境污染大的不足。而预制装配式混凝 土结构，将部分或全部结构构件在工厂制作、养护成型，在施工现场只需进行预制构 件的拼装，有效减小了现场施工的工序，提高施工效率，降低环境污染。装配式结构 符合住宅产业化的发展需求，在节能环保方面具有较大优势，国家政策大力扶持，提 出[3]以保障房推动住宅产业化的发展等激励和优惠措施。因此，有必要对制约装配式 结构广泛应用的抗震性能问题进行研究，为装配式结构的广泛应用提供借鉴。 1.1 住宅产业化发展概况及现状 1.1.1 国外的发展及应用 国外的住宅产业化始于二战结后，由于战乱对住房造成了严重的破坏，各国政府 要兴建大量住宅来满足国内民众的需求。 由于需求量的激增与劳动力和资源匮乏的矛 盾，对住宅产业的提出了新的要求住宅产业化。 1 日本 日本的住宅产业化源于二战期间的破坏， 日本政府为了解决战后居民的住房问题， 住宅产业化在日本得到了大量政策扶持，实现了[4]单纯从追求数量增长到数量与质量 并重到多方发展的一个转变。日本的住宅产业化发展依赖于资源的高度整合。70年代 日本住宅产业化的发展走向成熟，大型企业强强联合，开展材料、设备、部品标准、 住宅性能标准、结构材料安全标准等方面的研究推进工作。到80年代中期，日本采用 硕士学位论文 第一章 绪论 2 产业化方式生产的住宅已占竣工住宅总数的1520，住宅的使用性能和质量都得 到了很大的提高。90年代产业化住宅占竣工住宅总数的2528。由于建筑部品标 准化，预制构件通用性强，住宅建筑劳动生产率已达到人均年竣工面积110120平方 米。 图1-1日本新泻预预制框架结构 2 欧洲 住宅产业化在欧洲的产生和推行同样是在二战结束后， 一方面由于住房需求的激 增为住宅产业化的产生创造了客观环境， 另一方面由于技术的发展和革新为工业化的 住宅建造方式提供了技术基础。装配式住宅是欧洲住宅产业化的最集中体现，各国政 府通过不断的资金投入和技术研发，都已经形成了完整的住宅建设体系。 法国[5]住宅产业化的发展初期成果是装配式的大板建筑，由于这种结构形式建造 速度快，得到了很好的发展，法国经历了住宅产业化的“数量期”。随着经济技术的发 展，国内的需求逐渐呈现出多元化，此时法国的住宅产业化向着“高性能”发生转变， 以此满足不同人的需求。由于环境恶化和温室效应的加剧，对建筑尤其是住宅提出了 更高的要求， 为实现节能、 环保的可持续发展方式， 法国首先做了“绿色建筑”的尝试， 其住宅产业化进入了“高品质环保”的高级阶段。 丹麦的住宅产业化高度发展得益于将建筑模数法制化， 确定的建筑模数使得住宅 从预制部品的设计、部品制作、运输、现场施工等实现了无缝对接，在满足部品通用 性的前提下，实现了建筑造型的多样和个性化。丹麦标准业成为了国际标准化组织发 布 ISO 标准的蓝本。 3 加拿大 加拿大没有经历二战期间的破坏， 其住宅产业化的兴起方式与日本和欧洲都有着 明显的不同。加拿大不同与欧洲的大规模预制发展模式，其装配住宅主要以中低层的 木质装配住宅为主，着眼于建筑的舒适度、建筑造型，实现了太阳能、风能、地热能 运用，污水处理等多种环保节能的技术集成。 美国、瑞典等的住宅产业化发展程度也很高。从 20 世纪 90 年代开始，美国一直 推行产业化住宅的评定制度，可持续发展的住宅理念已经成为主导。在瑞典，住宅产 业化高度发展，全国有 80以上的新建住宅都采用通用的预制部品。 硕士学位论文 第一章 绪论 3 图 1-2 法国蒙皮利埃的预制建筑 图 1-3 加拿大栖息地预制建筑 综合各国住宅产业化的发展道路与发展方式，我们不难发现，住宅产业化的产生 和萌芽往往是由于对住房需求的激增。 各国住宅产业化的蓬勃发展都离不开国家政策 的扶持，在政策大力支持的背景下，加大资金和技术的投入以及时获得产出，成了住 宅产业化发展的共通之路。 1.1.2 国内的发展及应用 我国的住宅产业化起源于新中国成立后，城市住宅主要以砖混结构为主，多为 24 层的住宅，采用预制混凝土楼板作为水平承重构件。到 6070 年代，随着经济恢 复以及人口增长，对住宅的需求量激增。参考前苏联的发展模式，我国住宅行业也开 始尝试大量使用预制混凝土空心楼板及预制门窗构件， 起重机械等辅助施工设备开始 投入到生产中来，这是我国住宅产业化发展的最初模式。 预制装配式混凝土结构在随后的时间里得到了大量运用，但由于建造技术、建造 标准的滞后， 也暴露出了许多问题， 比如预制构件接缝性能差导致建筑防水性能不佳、 隔音效果差、抗震性能差[6]，严重影响了房屋的正常使用。同时，由于当时我国正处 于计划经济时代，装配式混凝土结构的成本普遍高于传统砖混结构的成本，国家并没 有出台鼓励、激励乃至一些限制性的措施鼓励住宅产业化，装配式结构的发展在相当 长一段时间内陷入了停滞。 90 年代初，我国住宅产业化迎来了第二次蓬勃发展的时期。在 1992 年联国环境 与发展大会之后，中国发布了中国 21 世纪议程，其中构思了住宅产业的基本思 路。随着改革开放的深入，国际技术交流更加深入，结合欧美等国家的住宅产业化发 展经验， 国务院八部委联合启动 “小康型城乡住宅科技产业工程” 列为重中之重的科 技项目，大力强调科技在住宅建造的推广、重视住宅部品化的建设，特别是厨房卫生 间的整体化系列化配置。期间，“住宅产业化”这一名词正式出现在我国的住宅科研及 规划设计领域。1996 年又分别颁布小康住宅规划设计导则和住宅产业现代化 试点工作大纲 ， 在全国各城市进行小康住宅小区示范建设， 与此同时选择十个省 （市） 作为住宅产业现代化建设的试点省市。 1998 年国务院办公厅转发了建设部等部委 关 硕士学位论文 第一章 绪论 4 于推进住宅产业现代化，提高住宅质量的若干意见（即 72 号文件），同年，我国 设立了 1998 年，我国构建了“住宅产业化建设办公室”，即住宅产业化促进中心，住 宅产业化正式上升至国家战略层面。 进入 21 世纪，国家相继出台了促进住宅产业化发展的扶植政策[7]。2002 年颁布 了国家住宅产业化基地实施大纲，将产业基地作为住宅产业化的发展载体，鼓励 企业进行技术创新，为成果转化提供便利，积极推进先进适用的新型住宅建筑体系和 住宅部品。政策颁布后，住宅产业化基地如雨后春笋般涌现，主要分为开发企业联盟 型（集团型）、部品生产企业型和综合试点城市型三大类别，截止 2015 年 6 月，国 家已先后批准住宅产业化基地 61 家，辐射到除西藏外的所有省级行政区域。 2013 年初，国务院转发了由国家发展改革委和住房建设部 1 号文件绿色建 筑行动方案将推动新型建筑工业化作为一项重要内容。2014 年国务院出台了 2014-2015 年节能减排低碳发展行动方案，明确“建筑工业化”在节能减排中的核 心地位，加大对建筑部品生产的扶持力度。2015 年 8 月，住建部发布工业化建筑 评价标准，旨在规范建筑工业化健康发展，促进建筑行业的转型升级。 国内 80的省市都出台了地方“红头文件”响应国家在住宅产业化方面的号召。 在 2006 年，深圳颁布深圳市经济特区循环经济促进条例，明确提出“大力发展节 能省地型住宅，积极推进住宅产业现代化。”的口号，深圳成为我国第一个国家住宅 产业化综合试点城市。2014 年 11 月，深圳市住建局颁布关于加快推进深圳住宅产 业化的指导意见试行，规定从 2015 年起，对新出让住宅用地项目和政府投资建 设的保障性住房项目统一要求，全部必须使用产业化方式建造，这是深圳从试点城市 向示范城市转变的积极努力。浙江省也是住宅产业化的先行者，在 2012 年颁布关 于推进新型建筑工业化的意见，明确了浙江省建筑产业现代化的发展目标，对新建 建筑的产业化施工面积提出明确计划和目标。2010 年，北京市住房和城乡建设委， 联合北京市规划委员会等部门联合下发了关于推进本市住宅产业化的指导意见的 通知，明确了对采用装配式施工的建设项目采取面积奖励的标准。同年还颁布了北 京市产业化住宅部品评审细则，统一了全市产业化住宅的评价标准。 我国建筑行业一直处于粗放式的发展阶段， 传统的现浇施工方法现场湿作业量大， 高污染、高能耗，手工作业量大，作业效率低下，施工周期长，质量难以得到保证。 近年来，随着环境污染的加剧和人工成本的快速增长，建筑行实现从传统粗放型生产 方式向集约型、工业化的生产方式转型成为了必然。我国目前已经做了许多尝试，并 取得了不错的成果。 万科是我国最大的住宅开发商，也是我国住宅产业化的先行者。万科对国内外成 熟的预制建筑技术及装配体系进行充分调研和方案的比选，考虑到国内的实际情况， 将预制混凝土结构作为万科住宅产业化的主要结构形式。在 1999 年，万科成立“建筑 研究中心，2003 年，万科发布了住宅使用标准和住宅性能标准，标志着万 硕士学位论文 第一章 绪论 5 科住宅产业化走上标准化之路。2007 年，万科住宅产业化经过了标准化部品研究与 应用、标准化项目设计研究与应用、工业化住宅技术研发与应用三个阶段，最终获得 建设部的许可，正式成为国家住宅产业化基地。