装配式混凝土结构体系研究进展

吴 刚， 冯德成， 徐 照， 缪昌文

(东南大学 a.混凝土及预应力混凝土教育部重点实验室；b.国家预应力工程技术研究中心；c.江苏省土木工程材料重点实验室，江苏 南京 210096)

随着我国近年来社会经济的快速发展与改变，传统建筑业面临以下严峻挑战：劳力短缺、成本提升、业主对工期和质量提出更高要求，以及绿色环保安全等方面的严格规定。相对于传统现浇型建筑，装配式建筑作为以上各个问题的更优解，得到了快速发展和广泛认可。工程界采用装配式技术取得良好效益，政府明确了建筑业未来方向在于“绿色、工业化、信息化”。进一步地，以上背景并不局限于国界，大体上逐步成为世界主流。

装配式建筑工法的完善使结构的预制率不断提升，目前已达到较高的水平，尤其是在欧洲出现了不少出色的全预制案例；在美国、日本和我国，在高烈度地震区采用较高预制率的结构，也有一系列成功经验。此外，装配式混凝土结构在高层、大型、复杂的建设中得到不断推广。在这样的行业背景下，预制构件所带来的影响并不能通过对节点性能、连接性能的深入研究就得到全面的解答，学者与工程师们对装配式混凝土结构有区别于现浇结构的体系性能、行为、机理日益关注，并针对以下方面进行了研究：

(1)高预制率、多个部件采用全预制的结构，传统假设的适用性及其偏差程度，例如楼板面内刚性、次梁不引起主梁扭转、非结构墙体对刚度的贡献和对破坏模式的影响等等；

(2)等效现浇的装配式节点，因其预制的精细以及高性能新材料等技术，能否形成高延性和构件承载力的合理梯度，从而保证体系在大震下实现合理的出铰机制；

(3)非等效现浇的新型装配式节点性能如何影响到体系行为，例如采用预应力和节段化降低残余位移，再进一步结合体外耗能件和二次刚度技术实现全过程损伤可控与快速修复。

以上方面的研究是装配式混凝土结构节点性能研究的必要延伸，节点性能的已有成果为其提供了坚实基础，然而以下方面的研究则拓展了装配式混凝土结构体系的前景：

(1)利用预制的便利在体系的局部形成复杂而性能卓越的子结构，或增加一道防线，如节段式耗能摇摆墙、框架结构中的软钢耗能跨等；

(2)总体而言，形成了钻石型斜网格结构体系、网格盒式结构体系等难以通过现浇工法实现的结构系统，方便形成节段面和柔性层，拓宽减隔震装置优化布设的可行域。

这些新型体系的结构性能，带来了设计计算的挑战，现行规范和现有计算手段不可能全面涵盖以上体系，一种观点是通过判断、简化、归并等效等前期处理将其合理纳入现有计算设计流程，另一种观点则认为应根据其本身特点设定不同的计算设计方法。

装配式混凝土结构体系具有生产效率高、建设周期短、产品质量好、环境影响小和可持续发展能力强等优点，符合我国产业升级和绿色发展的要求，已经成为目前建筑业结构调整和转型升级的必然途径，但其现阶段的发展应用也存在诸多问题，面临很多挑战。针对现阶段装配式混凝土结构体系复杂繁多，发展应用缓慢等突出问题，本文选取装配式混凝土框架结构、装配式混凝土剪力墙结构、空间盒式结构与模块建筑结构四类最具代表性的装配式建筑结构体系，主要介绍论述其体系形式、优缺点、试验研究等内容，呈现装配式结构体系方面最新研究进展的主流脉络和理论思路，期望为我国今后装配式混凝土结构体系的理论发展和工程应用提供一定的参考。

1 装配式框架结构体系

1.1 体系简介及特点

装配式框架受力较为清晰，力传递路径明确，按照承重构件的连接方法，可以将预制混凝土框架划分为湿连接框架和干连接框架两种类型。湿连接框架即将混凝土浇筑(水泥浆灌注)在框架结构的预制构件之间，从而形成的整体框架结构。干连接框架即框架的预制构件之间采用干式连接，整体框架通过螺栓连接或焊接植入钢板或其他钢部件的连接件从而形成。

1.2 研究现状

装配式混凝土框架结构体系的研究主要集中在梁柱节点连接的性能，因为该部位既是结构受力核心部位，又是区别于现浇结构的主要部分。预制混凝土框架一般有等效连接和整体装配式两种连接方式，前者包括预应力拼接及后浇整体式连接等节点形式，后者包括焊接连接，螺栓连接等节点形式。一般通过数值模拟方法及其试验研究对装配式梁柱节点进行研究。

1.2.1 试验研究

试验研究一般采用低周反复加载的方式，探寻装配式梁柱节点的滞回行为、耗能能力、破坏模式以及局部连接可靠性等。

(1)装配整体式梁柱节点性能研究

蔡建国等[1]试验研究了从法国引进的世构体系的基本性能，低周反复试验表明，混凝土的开裂以及压碎主要集中于键槽部位，梁柱节点的滞回曲线饱满，耗能能力较为理想。

Im等[2]研究了一种特别的装配整体式结构的梁柱节点——梁端带U形键槽的梁柱节点，试验研究发现，与传统现浇梁柱节点相比，梁端带U形键槽的装配整体式梁柱节点的性能没有明显差别，同时试验研究还发现，梁端带U形键槽的装配整体式梁柱节点性能可通过一些构造措施来提高，如在装配整体式结构的预制梁端包裹角钢及提高预制梁端附加钢筋的配筋率等措施。

Eom等[3]对Im等所研究的梁端带U型键槽的装配整体式梁柱节点进行了进一步研究，主要考虑了此类梁柱节点的构造特点，与现浇混凝土框架结构梁柱节点区域塑性铰外移的设计思路相结合，提出了三种新型装配整体式梁柱节点，通过塑性铰外移，装配整体式梁柱节点的延性及耗能能力等性能明显提高。

部分学者提出了梁端不带键槽的装配整体式梁柱节点并进行了研究：

Yuksel等[4]对工业建筑使用的节点和住宅使用的节点进行对比研究，将U型钢筋用于两种节点的上端和底部受力筋，通过对低周反复试验获得的节点的强度、刚度及延性等数据进行分析发现：工业和民用预制节点在层间位移角为2%时有饱满的荷载位移曲线及良好的耗能能力。

(2)装配式干连接梁柱节点性能研究

装配式干连接梁柱节点主要分为焊接连接、螺栓连接、预应力连接、预应力耗能连接等几种类型。

1)焊接连接，施工方便，无需湿作业，但是焊接处的韧性较差，在循环荷载作用下容易出现脆性破坏。

Ersoy等[5]针对框架梁跨中焊接连接节点的抗震性能进行研究，试验研究表明，此类节点的强度、刚度、耗能都近似于现浇节点。

黄祥海[6]提出了一种新的节点形式——钢板焊接暗牛腿节点，通过试验以及有限元分析发现，这种新的节点形式变形能力良好，承载能力也更贴近于现浇节点。

2)螺栓连接，在构件生产时，依据设计要求预留相关安装孔洞，运输到施工现场后，通过螺栓将梁柱构件进行锚固连接。对构件精度要求较高，螺栓孔洞处容易产生应力集中造成构件破坏，耗能能力较差。

吕西林等[7]提出了一种新型梁柱节点形式——采用橡胶垫螺栓连接的节点形式，试验研究表明，此类节点在试验过程中表现出良好的工作性能，同时为防止梁柱间产生滑移，应注意保证螺栓具有足够的预紧力。

Vidjeapriya等[8]考虑钢结构连接方式，提出一种新型预制混凝土梁柱节点——牛腿与加肋角钢结合的节点，试验研究表明，现浇构件与预制构件相比，节点的极限承载力更高，约为25%，但构件表现出的的延性和耗能能力却较差。

3)预应力连接，预制梁柱构件在工厂生产时，预留预应力筋孔道，运输至现场后，将钢绞线穿过梁柱构件，并进行张拉从而使梁柱构件拼装在一起。由于预应力的作用，节点一般残余位移较小，有较好的自我恢复能力，但耗能能力较差。

Priestley等[9]提出了在预制梁-柱节点使用无粘结预应力筋进行装配的概念，即在节点区及梁端一定范围内的预应力筋无粘结。试验研究表明，该节点的自恢复能力很强，在强震作用后梁柱之间的预压状态保持良好。

Priestley等[10]分别对一个后张无粘结预应力装配式混凝土梁柱中节点和边节点进行了低周往复荷载试验，结果表明该类节点具有较强的自恢复能力，在大震作用下，无粘结预应力筋不会因为出现局部屈服而引发结构倒塌。

董挺峰等[11]通过试验研究了装配式无粘结预应力混凝土框架节点，试验研究表明，该节点的自恢复能力很强，与现浇节点相比，耗能能力约为现浇节点的60%～70%，整体上看试件比一般的钢筋混凝土试件的破坏程度要小得多。

4)预应力耗能连接，在预应力连接基础上，附加耗能装置，在保证延性高、自复位良好等基础上，提高了节点的耗能能力。

Cheok等[12]针对包含耗能钢筋的预应力装配式梁柱节点的抗震性能进行研究，试验研究表明，地震作用下此类节点的位移角与破坏模式可以满足现浇节点的要求，甚至表现比现浇节点更加优秀。

Morgen[13]讨论了采用摩擦阻尼器进行耗能的装配式节点形式的概念，试验研究表明，此类节点的耗能能力以及自恢复能力都很优越，并且该节点使用的摩擦阻尼器便于更换以及修复，有利于节点的维护。

(3)装配式混凝土框架性能研究

Priestley等[10]基于预制混凝土框架结构的位移讨论了一种新的设计方法。该结构设计方法的基本规律为：首先确定结构的屈服层间位移和位移延性系数；进而得出与位移延性系数有关的阻尼比；然后通过对弹性位移反应谱进行分析，得到结构的自振周期；再依次算出结构的割线刚度和需求抗力；最后根据所算出的结构需求抗力进行设计。

Cheok等[14]进行地震模拟试验，模拟在地震作用下采用混合型梁柱节点形式的预制框架，对其性能进行研究，具体步骤为：在计算程序IDARC中建立一系列采用混合型梁柱节点形式的、具有典型层高的二维框架模型；对模型进行静力弹塑性分析(Pushover分析)，分析结果发现，与现浇框架相比，采用混合型梁柱节点形式的预制框架在破坏形式和基底抵抗剪力方面有着相近的性能。

加利福尼亚大学1995年[15]进行拟动力试验，研究五层预制混凝土结构在地震作用下的性能。试验研究发现，普通后浇节点与预应力节点相比，耗能、强度损失、残余变形和损坏程度均有所增加，同时，基于位移的设计方法的可靠性也得到了试验的有效验证。

在国内，薛伟辰等[16]进行了预制预应力混凝土空间结构的拟静力试验研究，研究对象为采用预应力拼接的体育馆看台空间框架结构，试验表明此类结构有较大的安全储备和变形能力，结构整体位移延性系数可达到2.04。

柳炳康等[17]进行低周反复荷载试验，先后研究了1榀一层2跨、1榀二层2 跨预压装配式混凝土框架的性能。试验结果发现，预压装配式混凝土框架节点核心区的受力状态为双向受压，该节点的抗裂性和抗震性能优越。

1.2.2 数值模拟方法

现阶段绝大部分装配式混凝土结构进行抗震性能数值模拟所采用的分析方法与现浇混凝土结构相同，装配式混凝土结构的抗震性能数值模拟按照其所建模型单元的不同，分为基于梁柱杆系单元和基于三维实体单元的分析方法。

(1)基于梁柱杆系单元的分析方法

Weldon等[18]利用DRAIN-2DX软件对装配式混凝土连梁进行研究，分析其在侧向荷载作用下的非线性反应，分别采用纤维梁单元、附加的弯曲及剪切弹簧模拟连梁、连梁与剪力墙拼接部分的局部变形，最后获得了所研究连梁的弯矩-转角的全过程曲线。

陈适才等[19]利用OpenSees建立了一种新型装配式混凝土节点数值模型，通过在梁端附加一种特殊的截面——零长度截面(ZeroLength Section)，结构的应力-应变关系也采用传统的钢筋应力-滑移关系来替代，研究表明了结构的装配部位出现粘结滑移现象对结构承载力、延性等性能的影响。

(2)基于三维实体单元的分析方法

Kulkarni等[20]通过DIANA对装配式混凝土钢板的连接节点进行研究，针对此类节点的滞回性能进行分析，分别采用平面应力单元、桁架单元模拟混凝土和连接钢板、钢筋。

薛伟辰等[21]利用ANSYS对装配式混凝土框架结构进行研究，分析结构的非线性全过程，将钢筋和混凝土单元单独建模，研究与Kaya试验相同，仅对结构进行了单调加载。

Zoubek等[22]采用ABAQUS对一种特殊的装配式混凝土节点形式——暗销连接节点进行有限元分析，试验采用Park-Kent模型代替混凝土和灌浆的本构关系，梁、柱、暗销和灌浆的建模单元采用C3D8R实体单元，利用桁架单元模拟钢筋。

Kremmyda[23]采用ABAQUS对一种插筋式的装配式梁柱节点进行研究，模拟该节点的滞回行为，拼接缝的剪切行为通过设置接触界面性质来体现。

1.3 发展方向

随着装配式混凝土框架结构的推广应用和研究的深入，其缩短工期、减少人工、降低费用、绿色环保且质量可靠的优势将得以展现，随着建筑产业的升级，装配式框架结构将在我国大范围推广应用。但现阶段装配式混凝土结构存在结构整体性差、设计规范欠缺、仅仅局限于抗震设防烈度较低的区域等问题，在一定程度上限制了其发展。针对以上问题，未来可以着重从以下几个方面作为研究的出发点：

(1)针对装配整体式混凝土框架结构，提出新的预制梁柱构件连接方式使装配式梁柱节点达到或超过现浇的梁柱节点性能，将进一步促进装配式混土框架结构在中高烈度地震区域的推广应用；

(2)预压装配式或干式连接等连接节点，其设计方法和性能评估不适用现有的设计规范，根据不同的预制构件连接特点建立相应的设计分析方法也是将来一个重要的发展方向；

(3)新材料新技术的应用，由于装配式混凝土结构的设计施工不同于现浇结构，其具有较强的设计性和创新性，因此，ECC材料、形状记忆合金和新型耗能装置等新材料和新技术的应用，将极大地凸显装配式混凝土结构的优越性。

2 装配式剪力墙结构体系

2.1 体系简介及特点

剪力墙结构是除了框架外另一种主要的结构形式，其抗侧刚度远远大于框架，在高层建筑结构中应用极为广泛。随着建筑工业化的浪潮席卷而来，剪力墙结构的预制装配化有着十分重要的意义，其大规模的使用有利于促进我国的建筑工业化和住宅产业化的发展。

与装配式框架结构需要重点研究梁柱节点不同，装配式剪力墙结构的研究重点是解决剪力墙的水平和竖向接缝问题。多年来，国内外学者研究了各种预制装配剪力墙结构体系，并为解决剪力墙的水平和竖向接缝问题进行了广泛而细致的研究。

2.2 研究现状

国外常用的几种装配式剪力墙结构形式主要包括：无粘结后张拉预制剪力墙、大板结构体系、夹芯板剪力墙。在国内，目前研究热点主要是湿法连接预制装配剪力墙体系，包括采用搭接连接、套筒浆锚连接、套箍连接等不同连接方法的预制剪力墙，此外，国内对于叠合剪力墙也进行了大量的研究，工程应用也较多。而对于后张无粘结预制装配剪力墙以及干法连接预制装配剪力墙的研究均处于起步阶段，研究进度落后于国外。

2.2.1 叠合板式预制装配剪力墙

叠合板式剪力墙结构，如图1，结构体系中同时包括预制叠合构件与全现浇构件，实质上是一种半装配式剪力墙结构。国外已是一项十分成熟的技术，在中国研究方兴未艾。

图1 叠合板式剪力墙构造

现有研究结果表明[24～26]，与现浇剪力墙的性能相比，叠合板式剪力墙在开裂、破坏形态等性能方面较为相近，但在承载力、延性和变形能力等方面较为不足，其具体表现为：叠合面抗剪强度满足设计要求、无任何滑移现象发生，叠合板有良好的整体工作性能。

2.2.2 湿法连接预制装配剪力墙

(1)约束浆锚钢筋搭接连接

将内表面粗糙的孔洞预留在预制混凝土构件预埋钢筋底端旁，在预制混凝土构件吊装安装后，将被连接钢筋插入预留的孔洞内并留有一定的长度以便于两根钢筋的搭接，再将灌浆料灌入预留孔洞内，凝结硬化后预埋钢筋与被连接钢筋即可连为一体，如图2。

这项连接技术合理可靠，节点力学性能较为优异，但对施工精度要求较高，吊装难度大，构件在生产、养护、运输过程中难免会导致预留钢筋位置偏移而使墙板吊装困难[27～29]。

(2)金属波纹管预留孔浆锚连接

主要墙体的竖向钢筋连接方式采用浆锚连接，通过在金属波纹管上预留孔洞实现，如图3。将后浇节点预留在纵向预制剪力墙与横向预制剪力墙的连接处，在后浇节点处使附加钢筋相互交错，并将附加钢筋提前埋设在纵、横向预制剪力墙内，通过设计确定附加钢筋的数量、间距、直径等数据，以达到与原截面预制剪力墙配筋相同的效果，最后在连接部位进行浇筑，即形成刚性连接节点；水平构件与竖向构件节点采用预留钢筋叠合现浇连接，形成整体的新型预制装配剪力墙结构体系(New Precast Concrete，NPC)[30～32]。

图3 金属波纹管预留孔浆锚连接

(3)套筒浆锚连接

套筒灌浆连接即在对接套筒插入钢筋，如图4，然后将预先配备好的无收缩高强度灌浆材料注入灌浆机，等待一段时间，灌浆材料硬化，从而使对接套筒与筒内钢筋紧密连接。竖向钢筋间的应力通过套筒内表面与钢筋表面之间的粘结力得以有效地传递，同时，由一定比例的水泥、膨胀剂、细骨料以及高性能外加剂组成的高强度灌浆材料所具有的高强性与无收缩性也发挥了重要的作用。

图4 套筒浆锚连接

由于在预制剪力墙中通过套筒浆锚连接可以使竖向钢筋间的应力得到有效传递，与剪力墙的现浇构件相比，预制构件的破坏形态、刚度和耗能能力都很相近，因此，预制剪力墙的受压承载力符合设计要求，可按照现行规范对其进行计算[33,34]。

2.2.3 无粘结后张预应力预制剪力墙

无粘结后张预应力预制混凝剪力墙体系(图5)是由后张预应力预制墙板通过水平节点和竖向节点连接建造而成。处于楼层处水平节点与竖向节点分别处于楼层与相邻墙板间，分别使用不与混凝土粘结的后张拉钢筋、不连续的延性连接器进行竖向剪力的传递以及地震能量的消耗。

图5 无粘结后张预应力预制剪力墙

特别地，一些特殊的无粘结后张预应力预制混凝土剪力墙在地震作用下表现出层间摇摆的特性，也可归类为摇摆墙结构。国外已有相关研究，如Kurama等设计的增设粘滞阻尼器的摇摆墙框架结构，Sofia Gavridou等进行振动台试验的四层预制框架剪力墙结构等。

研究结果表明，无粘结后张预应力剪力墙具有足够的强度和延性，自复位能力尤其优秀。此外，有学者进一步采用低碳钢和无粘结预应力筋混合以增大剪力墙的耗能能力。该体系在国外进行了大量研究，并编写了相关规范[35～37]。国内只有同济大学、东南大学等少数单位进行了探索性研究[38,39]。

2.2.4 干法连接预制装配剪力墙

预制剪力墙结构水平接缝的干式连接方案，即采用高强度螺栓或者预埋钢板焊接作为剪力墙水平和竖向的连接方式，如图6。该种连接方式完全摆脱湿作业，发挥装配式的优势。同时，连接部位受力机理明确。

图6 干法连接预制装配剪力墙构造

现有研究表明，干法连接预制装配剪力墙试件发生弯曲破坏，耗能能力优于装配整体式和现浇剪力墙，抗震性能很好。国内主要有同济大学薛伟辰、东南大学邱洪兴团队(图7)进行了相关研究[40,41]。

图7 干法连接预制装配剪力墙低周往复试验

2.3 发展方向

综合文献的研究现状来看，预制装配剪力墙结构体系具有抗震性能良好、抗侧刚度大等优势，但也存在连接部位薄弱等需要解决的问题。随着预制装配剪力墙结构体系性能的研究深入及大量工程实践，其抗侧刚度大、抗震性能好的优势将得以展现，以后将在高层和超高层结构中大规模推广应用。同时针对其现阶段存在的问题，后续研究可以围绕以下两个方面进行：

(1)研究新的预制装配剪力墙水平和竖向连接技术，重点解决预制拼装剪力墙结构在水平和竖向接缝处较为薄弱的问题，以及提高预制墙抗侧刚度使其达到等同现浇剪力墙。

(2)研发新的预制装配剪力墙结构体系，其结构性能并不追求等同现浇，而是满足在地震作用下低损伤、自复位、可修复的新型高性能预制装配剪力墙体系。

3 装配式空间网格结构体系

3.1 体系简介及特点

装配式空间网格结构体系是一种我国完全拥有自主知识产权的新型结构体系，它拥有跨越能力强、构件尺寸小、节约材料、节省层高等优点，相较于传统结构体系而言有非常明显的优势，非常切合我国节约土地、促进环境友好建设的发展方针，是一种极有发展前景的新型结构体系。

装配式空间网格结构体系主要包含装配式空间网架结构、装配式空腹夹层板结构、装配式盒式结构，下面就这三种结构形式，对现有研究进行归纳总结。

3.1.1 装配式空间网架结构

马克俭等[42]考虑到当时平板网架结构及组合网架结构的不足，提出了一种新型空间网架结构及其对应的装配整体式施工方法。钢筋混凝土空腹网架结构，由钢筋混凝土空腹桁架(图8)交叉组成，桁架一般采用双向正交的交叉形式。钢筋混凝土空腹桁架的上、下弦杆一般选用矩形截面，竖杆一般选用方形截面。将新型空间网架结构运用于两个实际工程中，发现新结构可以节约混凝土用量25%～30%，自重减轻40%，同时挠度等技术指标均满足相关规范要求，且简化计算方法及施工方案切实可行，证明新型空间网架结构具有极高的实用性及经济效益。

图8 空腹桁架构造

3.1.2 装配式空腹夹层板结构

研究人员对装配式空腹网架结构进行更深入的研究之后，提出了一种新型结构——装配式空腹夹层板结构(图9)。与装配式空腹网架结构相比，空腹夹层板结构在网格划分上的基本要求基本相同，即每个柱网内的网格数量不应少于5×5，网格尺寸a=1500～2000 mm，保证其力学特性符合空间“网格板”的要求。图10为空腹夹层板的剖面构造，预制板与上肋通过预留钢筋连接共同工作。空腹夹层板厚度h在(1/30～1/35)L(L为跨度)之间，一般与实心平板的厚度相等，其上、下肋截面b1×h1中要求b1>h1，竖杆截面一般仍为b1×b1且h2/b1≤1，力学特性改变为“块体单元”。通过对空腹夹层板进行受力性能和经济性能的分析，在同等结构响应下，空腹夹层板结构可比传统梁板结构节省20%左右的材料用量，且可降低0.3 m左右的层高，经济效益显著。

图10 空腹夹层板剖面构造

3.1.3 装配式盒式结构

空间网格盒式结构是在空腹夹层板的基础上，将传统的大尺寸框架柱改为小柱距(2～4 m)的密柱，同时在层间添加层间梁(图11，12)。由于结构的抗侧刚度与柱子的线刚度、计算长度紧密关联，盒式结构通过密梁密柱的布置，增大了梁柱的线刚度，减小了各自的计算长度，使得结构的抗侧刚度有了明显提高，构件尺寸得以大幅度缩减，同时由于使用了空腹夹层板，结构自重大幅度下降，且可以节省层高，具有很好的实用价值及经济效益。

图11 钢空间网格盒式结构

图12 钢空间网格盒式结构构图/mm

3.2 研究现状

韦明辉等[43]对空腹网架结构进行了缩尺模型试验，重点研究其可靠性及理论计算方法的准确性。通过模型试验证明，新型空腹网架结构的性能可靠度高、空间刚度大、内力重分布性能好，且理论计算方法可靠。

马克俭等[44]对空腹夹层板的稳定性及平面内刚度进行了理论推导，表明其具有很大的平面刚度及整体稳定性能，可以沿用刚性楼板假定进行设计和分析。

张华刚等[45]对空腹夹层板的力学性能进行了理论推导。通过连续化分析，引入了拟夹层板的分析方法，使用了三个广义位移解出了空腹夹层板的高阶偏微分基本方程，对空腹夹层板的受力性能和特点有了进一步的认识。

段渝忠等[46]对空腹夹层板进行试验研究，研究其节点的破坏形态。试验记录了从结构开始加载到结构发生破坏的全过程的数据，获得了结构的荷载-变形曲线。试验研究表明，结构破坏形态为弯曲破坏，具有良好的延性以及较大的安全冗余度。

孙涛[47]较为完整地研究了空间钢网格盒式结构的构造、力学特性、受力特征、计算及设计方法。

彭登等[48]针对空间网格盒式筒中筒结构进行试验，研究此类结构在特定建筑——超高层建筑中的应用。通过对盒式筒中筒结构进行弹性时程分析，发现新结构体系抗侧刚度大，地震下效应均匀且较小，同时结构自重轻，在超高层结构中的应用较为理想。

张震等[49]针对多层大跨度结构中的空间网格盒式结构和传统框架结构进行了对比试验，研究他们的受力性能。基于有限元软件分析对比了两栋分别采用盒式结构和框架结构的3层大跨度(21.6 m)结构的各项性能，发现盒式结构在抗侧刚度、地震响应、材料用量、受力分布等方面均优于传统框架结构。

3.3 发展方向

随着空间网格结构体系性能的研究深入及大量工程实践，其刚度大、抗震性能好、跨越能力强、节省材料的优势将得以展现，以后多层大跨度结构及高层结构将成为一种很有优势的结构形式，但盒式结构由于节点及构件数量较多，现场浇筑工序较多，降低了其实用性和经济性。基于以上问题空间网格结构体系的发展方向可从以下几个方面着手：

(1)将其与建筑工业化技术相结合，解决空间网格盒式结构体系由于节点、构件多带来的模板需求量大及现浇工序繁琐的问题。同时开发适用于盒式结构的特有装配式施工方法，进一步弥补盒式结构现浇复杂的弱点，提高其实用性和经济性，使其具有更好的工程实际应用价值。

(2)将新结构体系运用到高层结构中去，利用其刚度大、抗震能力强、跨越能力好的优势，改善现有结构性能，达到结构大空间灵活划分居室的目的，并大幅度提高结构的经济性能。

4 装配式模块化结构体系

4.1 体系简介及特点

模块建筑是一种高度集成的预制装配体系[50,51]，其特点是在三维的预制模块单元(类似于集装箱)中，集成建筑外墙、装修、管线设备等。生产完毕后，运往现场进行吊装拼接，如图13所示。其预制装配体现在结构与使用功能两方面：不仅结构部分施工便捷，还免去了后期的装修等工作，这是它相对于其他装配技术的最大不同。

图13 模块建筑体系

模块的生产从单纯模仿集装箱结构逐步趋向于多元化，包括大开间但较柔的角柱模块，以及较封闭但较刚的钢板剪力墙模块等，如图14所示。

图14 模块内部结构的部分类型示例

堆放式的模块本身应足以承受累积性的竖向荷载。然而，更重要的是承受水平荷载的结构方案：当设计侧向力较小时，模块自身结构足以抗侧；在高层结构中，或者高烈度地震区，需要外加抗侧力体系或减隔震措施。现分述如下：

(1)纯模块体系：通过模块自身结构进行抗侧，因不需附加其他抗侧结构，具有较快的建造速度。多用于非抗震区且层数在八层及八层以下的建筑。

(2)模块-外加抗侧力结构体系：在高层建筑中或高烈度地区，需要外加抗侧力结构抵抗风荷载和地震作用。包括：外加混凝土核心筒[52]、外加框架[53,54]、外加框架-支撑体系等[54]。

(3)减隔震模块结构体系：在对抗震有更高要求的地区，采用减震隔震的措施进一步消耗地震能量。包括：底部隔震模块结构、悬挂式模块结构(次结构模块化的悬挂结构)[55]等。

以上第二种体系较为常见，其中层内传递水平力的方案是结构抗侧的重点。传统结构可以假设楼板在平面内刚度无限大，然而在模块建筑中，上述假设不一定成立。现有的层内传力组织方案可分为以下三类：(1)通过叠合楼板的等效连接以及整体装配式连接等方式，利用整块楼板进行层内传力；(2)通过人为设定传力路径，如通过特殊的走廊模块将力传递给抗侧力体系；(3)各模块均与抗侧力体系直接相连。

模块建筑还具有“簇梁簇柱”的特征，即各模块拼接后，相邻模块的框架梁柱形成更大的但是松散的梁柱组合体，具有与传统框架不同的结构特性。

4.2 研究现状

各国高校与研究机构提出多种适用于不同场合的模块结构体系，并进行了相应的试验研究。

加拿大西安大略大学的Annan等[56]提出了一种带支撑的纯模块结构体系，结构的某些外周模块的一侧带有对心钢支撑，平面内若干关键点采用在模块框架梁上加焊连接角钢，通过角钢上的螺栓进行连接的方式使层内模块形成整体，如图15所示。其层间连接采用模块柱端板焊接的方式。这样的体系能够应用于抗震区的低层建筑。

图15 带支撑纯模块结构体系

为研究模块柱端板焊接对上述体系性能的影响，Annan等[56]对“双顶梁”带支撑框架进行了低周往复试验，如图16所示。其破坏形式是焊接处柱端发生受弯破坏。与普通钢框架相比，刚度退化明显，但滞回曲线更加饱满，承受20个循环并达到3.5%的层间位移角。此结构形式的抗震性能得到了初步证明。

图16 带支撑纯模块结构低周往复试验

Honga等[57]提出了带有高细长比夹心钢板的模块，旨在为多层纯模块结构增加首道防线，如图17所示。双层钢板与内芯波纹板采用焊接连接，模块层间连接分别在夹心板端部和模块柱端部的位置。试验包括夹心板本身、纯模块与两层带夹心钢板模块的滞回性能。结果显示：(1)面板与内芯脱开后发生局部屈曲，此时，夹心板失效；(2)模块柱端产生塑性铰，纯模块的失效；(3)夹心钢板端部出铰早于模块柱端出铰，实现了首道防线的作用，滞回曲线饱满，耗能与延性良好。

图17 带有高细长比夹心钢板模块低周往复试验

天津大学陈志华提出新型的模块连接方式[58]，由中部的销轴体保证层内传力，由模块梁端的螺栓保证层间传力，在墙体角部预留操作空间，方便现场拼接，如图18所示。针对此连接的十字节点，进行单调及低周往复试验：(1)滞回曲线饱满，耗能能力良好；(2)破坏模式是综合性的，包括销轴体裂缝、梁裂缝、腋撑端部的撕裂或断裂，以及柱端的局部屈曲等；(3)连接的冗余度较高，体系始终有良好的整体性。此项技术适用于多层纯模块结构体系。

图18 带有销轴体的模块结构示意

此外，Park等[59]针对模块建筑的“簇柱”特点，提出了将底层簇柱焊接于同一块底板上，放置于带有波纹管内壁的基础杯口中进行后浇的基础形式，并对底层柱顶端加载进行低周往复试验证明其良好性能。

4.3 发展方向

随着模块结构体系性能研究的深入、设计方法通用化，以及模块生产效率提高，其高速高集成的优势将得以更好发挥，广泛地应用于多高层住宅、酒店和办公楼。但现阶段模块结构也存在施工困难、模块质量难以保证及标准化进展缓慢等问题。为了解决模块结构的现存问题，其未来发展方向一般认为有以下几个方面：

(1)与减隔震技术结合：利用每个模块自成结构的特点，经过优化得出减隔震装置的新型布设方式，提升模块结构的性能。

(2)超高品质模块：利用工厂环境进行精细化生产，使模块本身具有超高品质，同时以实际建筑要求制定其标准化预制构件生产流程。例如：高集成度智能设备、高耐火性能、自带减振措施降低人致振动与设备振动以保证舒适度等。

(3)专门化的施工系统：针对模块的吊装与就位，开发出专门化的施工系统，实现类似于轨道化的自动提升与就位功能，将进一步发挥其高速的优势。

4 结 论

本文从体系形式、优缺点、试验研究、分析与设计方法、工程案例等方面论述了装配式混凝土框架结构、装配式混凝土剪力墙结构、空间盒式结构与模块建筑结构等几类适用于多高层工业与民用建筑的装配式建筑结构体系。以上体系能充分发挥预制装配的核心优势，而且具有较强的适用性，以及预制结构特有的一些体系性能特点。较广泛的工程应用与学术界的持续关注证明了以上体系的综合效益；此外，得益于其较广的涵盖面，以上体系仍具有充分的创新空间。

综合现有成果，预制装配结构的体系性能研究大致有以下三个焦点：(1)对适合装配化的结构形式形成成套技术体系，以框架结构为例，除了框架梁柱节点，还关注梁与板的连接、柱与基础的连接、预制板的面内面外性能、楼梯性能、预制非结构构件及其对主体结构的性能影响等；(2)针对常见结构体系中的关键结构，采用预制的手段达到等同或不同于现浇结构的体系性能，甚至向超过现浇结构体系性能的方向发展，例如采用高性能材料、各类消能减振装置、预应力、节段化等技术，达到更好的塑性铰分布、梯度耗能、自复位、低残余位移等效果；(3)利用预制技术克服一些现实考虑的固有限制，拓宽结构方案的可行域，对常见结构体系进一步优化，形成新型结构体系。

随着上述研究焦点带来体系层面的性能提高和创新，相应的分析与设计方法将面临不断革新。尽管国内外学者们从构件、连接到体系等不同层面作出了大量的假设—验证—简化、归并等方面的贡献，针对具体的预制体系提供了一系列的设计方法并颁布了若干标准，但是体系创新与装配式结构设计方法的标准化仍然持续存在矛盾与挑战。