在地震模拟条件下，对模块化高层混凝土建筑中典型单元进行的全尺寸振动台测试

高层混凝土模块化建筑的抗震性能研究通过全尺三楼模型振动台试验验证，发现结构整体稳定，最大层间位移比0.583g满足规范要求，损伤集中于节点连接处。

　　

常华辉|梁雄伟|黄向云|赵启斌|周慧蒙|方庄成

广州大学地震工程研究与试验中心，中国广州

摘要

模块化建筑是目前集成度和组装效率最高的建筑类型。它充分利用了预制建筑的优势，如高质量和高效率，为新型建筑工业化的发展提供了强劲的动力。为了研究混凝土模块化高层建筑的抗震性能，本研究设计并制作了一个全尺寸的三层预制结构单元模型。该全尺寸模型准确反映了结构的实际应力状态和抗震性能，避免了缩比模型试验可能出现的误差。模块化箱体和地面梁在工厂预制，现场仅使用少量后浇混凝土进行连接。通过振动台试验，系统地研究了在不同地面运动激励下的关键指标，包括破坏模式、动态特性、加速度响应、位移响应、层间剪力以及钢筋和混凝土的应变。结果表明，全尺寸模型总体上满足了初步设计目标的抗震要求。即使经过一系列地震作用后，模型结构仍然完好无损，仅在槽梁、后浇混凝土部分和连接节点处观察到轻微损坏。在0.583 g的激励下，层间位移比最大值符合规范要求。试验数据为优化高层混凝土模块化建筑关键构件的抗震设计提供了重要的技术依据，并为改进模块化结构的抗震设计方法提供了有针对性的参考。

引言

随着环境、能源和资源压力的不断增加，以及劳动力成本的持续上升，建筑业正在加速向绿色、低碳发展、工业化、数字化和智能化方向转型。模块化建筑由于其标准化设计、工业化生产和预制组装等显著优势，在全球范围内得到了广泛应用[1]、[2]、[3]、[4]。作为目前最工业化的建筑方法，模块化建筑可以推动设计、生产和施工阶段的行业转型，有效提升建筑工业化的水平[5]、[6]、[7]。近年来，模块化技术不仅广泛应用于各种低层建筑，其在多层甚至高层建筑中的应用也日益广泛[8]、[9]、[10]。尽管高层模块化建筑在大都市地区具有很大的吸引力，但由于缺乏稳定的结构系统和可靠的连接方法来确保结构完整性、整体稳定性和抗灾能力，其在高层结构中的应用仍然有限[11]、[12]、[13]、[14]。

目前，在多层和高层混凝土建筑中，剪力墙是最常用的承重结构形式。因此，为了促进模块化混凝土建筑在多层和高层建筑中的普及和应用，许多学者专注于模块化混凝土剪力墙结构的研究[15]、[16]、[17]、[18]。白等人[19]提出了一种适用于高层建筑的新型自承重钢筋混凝土模块化复合剪力墙结构系统，可以进一步提高模块化单元的预制程度。王等人[20]介绍了一种新的整体预制混凝土剪力墙结构系统，该系统包含四种类型的连接方式；研究团队对全尺寸的三层模型进行了两个水平方向的准静态试验。陈等人[21]提出了一种新型混凝土模块化结构系统，所有结构构件均采用后浇施工方法建造，模块化单元不仅作为永久性模板，还与后浇混凝土协同工作形成整体结构。魏等人[22]利用高性能纤维增强水泥基复合材料开发了一种适用于新型模块化混凝土建筑的模块间连接方法。赵等人[23]提出了一种新的模块化预制复合剪力墙结构系统，并对模块化预制复合剪力墙模型和后浇剪力墙模型进行了对比振动台试验，以探讨它们的性能差异。王等人[24]开发了一种适用于高层模块化建筑的新型混合耦合墙系统，采用可更换的钢连接梁和模块内的预制混凝土墙作为核心组件，替代了传统的后浇混凝土核心管或钢核心管。陈等人[25]提出了一种适用于钢筋混凝土模块化框架结构的新模块间连接方法。王等人[26]以香港的一栋典型高层公共住宅建筑为案例研究，重新设计了其水平和垂直连接节点，并通过三维有限元建模研究了垂直模块间连接对模块化墙体抗侧力性能的影响。刘等人[27]开发了一种快速简便的连接技术，以解决现有高层模块化建筑结构设计和施工中的挑战。陈等人[28]开发了一种用于堆叠模块垂直连接的新型螺栓连接方式，通过长支撑螺栓、盖板和中间板固定堆叠模块的楼板和屋面板。汗等人[29]开发了一种用于堆叠模块垂直连接的新螺栓连接系统，使用长支撑螺栓、盖板和中间板固定堆叠模块的楼板和屋面板。

目前，许多学者对混凝土接头连接和模块化单元进行了深入研究。赵等人[30]设计了一种1/5比例的预制钢筋混凝土框架，采用简单的螺栓连接和后浇整体钢筋混凝土框架。通过振动台试验发现，预制框架的整体抗震性能与参考框架相当，在强地震下具有可靠的抗倒塌能力。荣等人[31]提出了一种新型钢连接预制混凝土框架结构系统，设计并制作了一个1/5比例的三层两跨钢连接预制混凝土空间框架模型，并在不同地震强度水平下进行了振动台试验。何等人[32]、[33]介绍了一种新的预制混凝土夹芯墙板结构系统，并对全尺寸模型进行了一系列振动台试验。结果表明，该结构具有较高的侧向刚度、较大的安全储备和强度以及出色的抗震性能。王等人[34]、[35]开发了一种新型轻质螺栓连接混凝土夹芯墙板结构，在其抗震设计中采用了非等效的后浇方法来确定水平和垂直螺栓连接的合理配置。对全尺寸模型的振动台试验表明，整体损伤较轻，对承载能力和完整性的影响最小，侧向刚度较高，能够充分抵抗高强度地面运动。张等人[36]研究了考虑边界约束条件下结构的响应和破坏机制，根据中国抗震规范设计并制作了一个缩比模型。多层渐进式振动台试验确认，预制混凝土剪力墙结构满足了预定的抗震加固目标。庞等人[37]、[38]设计了一种创新的预制混凝土建筑结构，包括离散连接的预制混凝土楼板和预制混凝土框架以及干式梁柱连接。对缩比模型的振动台试验显示了出色的抗震性能。陈等人[39]提出了一种新型的全组装预制混凝土剪力墙结构系统，设计并制作了一个1/2比例的全组装预制剪力墙子结构。振动台试验证实了组合齿槽连接和预留孔中垂直钢筋搭接的可靠性，子结构保持了良好的完整性。郭等人[40]、[41]介绍了一种新的低层预制墙板结构，并对1/2比例的三层螺栓连接模型进行了振动台试验。结果表明，即使在最大考虑的地震作用下，大多数组件仍保持弹性。王等人[42]研究了具有改进的组装水平墙连接的预制混凝土剪力墙结构的抗震性能，设计并制作了两个1/4比例的结构模型。试验表明，该结构满足抗震要求。张等人[43]、[44]、[45]研究了一种全预制混凝土框架结构系统，采用可拆卸的干式连接，设计并制作了一个1/2比例的试件进行振动台试验。结果与设计预期一致，显示出可控的损伤并能够进行抗震性能评估。总之，尽管对模块化结构进行了大量研究，但大多数研究集中在低层模块化建筑上。然而，关于混凝土模块化高层建筑及其集成结构系统的抗震性能的研究仍需进一步深入。

为了解决模型试验中的缩放效应，本研究设计并制作了一个全尺寸的三层预制混凝土结构。通过振动台试验分析了结构在地震激励下的动态特性、加速度响应、位移响应、层间剪力以及钢筋和混凝土的应变变化。研究结果为预制混凝土高层建筑的抗震性能提供了见解。这项研究为验证此类结构的抗震设计方法的合理性提供了科学依据。此外，它对于推广和推进模块化集成建筑技术具有重要的理论和实际价值，从而提高其在实际应用中的效率。

部分摘录

原型结构

该原型结构是一栋符合《中国建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）[46]和《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）[47]设计的高层公共租赁住宅建筑。如图1所示，该项目采用了混凝土模块化集成施工系统。建筑总高度为80米，地上有27层。抗震设防强度为7度，基本风压为

振动台

该中心的振动台系统是一个六自由度平台，能够实现三维运动。其详细技术规格列于表4中。通过监测和分析关键指标（包括加速度、位移、地震力、层间剪力和应变），系统评估了结构的抗震性能。

预应力加载

为了补偿高层建筑剪力墙之间的轴向压缩比差异

试验现象

在1.458 g的峰值地面加速度（PGA）下的最后一次试验后，系统性的试验后检查记录了与结构破坏相关的裂缝模式。结果显示，模型结构每个立面的裂缝分布非常局部化，主要集中在三个关键位置：槽梁中新旧混凝土之间的浇筑接头、上下箱体之间的垂直连接接头以及剪力墙中后浇混凝土的角部区域。

结论

基于高层公共租赁住房项目的相关设计图纸和工程地质数据，本研究在7度抗震设防强度区的混凝土模块化集成高层建筑典型单元的全尺寸结构模型上进行了模拟地震振动台试验。试验中使用的地面运动包括一组人工波和两组自然波，地震加速度幅度各不相同

CRediT作者贡献声明

常华辉：写作——审稿与编辑，撰写——初稿，概念构思。方庄成：监督。周慧蒙：监督。赵启斌：软件，概念构思。黄向云：写作——审稿与编辑，监督，形式分析。梁雄伟：项目管理，资金获取

利益冲突声明

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致谢

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