预制柱与口袋基础连接在反向循环荷载下的数值模拟

为何这对地震安全很重要

许多现代建筑像巨大的乐高套装一样组装，使用工厂制造的混凝土部件在现场快速拼装。这节省了时间和成本，但也提出了一个关键问题：当地震来临时，这些构件之间的连接能否经受住考验？本文针对最关键的节点之一——建筑竖向柱与基础相交处——研究了这个问题，通过测试一种预制“口袋”连接并将其与传统的整体现浇连接进行比较。

构件如何连接

在传统施工中，柱和基础通常被一次性浇筑成连续的混凝土块，形成无缝连接。在预制施工中，柱在工厂制造，随后在现场与基础连接。一种有前景的方法是口袋连接：基础在浇筑时留出一个凹槽（口袋），预制柱嵌入其中，空隙用高强度灌浆料填充。该灌浆料连同摩擦力以及柱与粗糙口袋表面的承压作用，使接头在行为上类似于整体的一体化连接。由于地震损伤常集中在这些接头处，改进口袋细部可使预制建筑更安全且更易修复。

为改进接头设计的两种方案

研究者将注意力集中在口袋区域内钢筋的布置上，因为这隐藏的“骨架”决定了震动中力如何传递。他们以符合印度和新加坡规范的一个四层现实建筑为出发点，识别出底部受力较大的某一根柱，并为数值模拟建立了半比例模型。一个模型代表整体式的现浇柱与基础。另两个模型代表不同的口袋细部：PC I 基于现有设计并增加了角部弯钉，PC II 则使口袋每一面更独立地配筋，增加纵向与横向钢筋并在柱底附近设置更多箍筋。三者在数值模型中都承受反复的往复横向位移——类似地震中柱子会经历的运动——同时施加恒定的竖向荷载。

虚拟震动揭示了什么

团队使用先进的有限元软件来捕捉在反复荷载下的开裂、压碎和钢筋屈服。模拟结果与早期的实验室试验吻合约15%，这增强了对虚拟结果的信心。如预期，整体式连接总体最强，但口袋型的 PC II 出乎意料地接近，仅损失约16%的峰值强度，而 PC I 约损失22%。更重要的是，对于地震而言，预制口袋允许柱在破坏前有更大的弯曲变形能力。与整体接头相比，PC I 的变形能力大约增加了三分之二，PC II 则增加了一倍多。应变云图显示整体接头的损伤集中在柱—基础界面处，而口袋连接则使损伤分布更为均匀，表明震后可能更易修复。

接头如何处理震动释放的能量

当建筑在地震中摆动时，良好的接头不仅仅是保持完整——它们还吸收和耗散能量，从而减少向上部结构传递的能量。研究者通过模拟中重复荷载—位移循环形成的回线来测量这种“能量耗散”。两种口袋连接的耗散性能都优于整体接头。PC I 总体耗散能量约高出63%，但代价是口袋区域损伤更集中。PC II 比整体接头多耗散约37%的能量，并且以更可控的方式进行，开裂较轻且核心混凝土受约束较好。其在较大横向位移下的响应仍保持稳定，使其在地震多发区尤其有前景。

这对未来建筑的意义

对非专业读者而言，关键结论是预制并不意味着更弱。通过对口袋基础内部隐蔽钢筋的细致设计，预制柱—基础接头可以匹配，甚至在某些方面优于传统的整体混凝土性能。尤其是 PC II 布局在强度、柔性和能量吸收之间实现了平衡。这意味着建筑可以安全地摆动而不会突然破坏，且震后更易修复。研究还表明，经过与试验仔细比对的现代数值模拟可以在浇筑任何一块混凝土之前，为更安全、更有韧性的设计提供指导。

引用: Hemamathi, A., Jaya, K.P. & Sukumar, B. Numerical simulation of reverse cyclic loading in precast column and pocket foundation connection. Sci Rep 16, 5714 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36686-w

关键词: 预制混凝土, 地震工程, 柱-基础连接, 抗震韧性, 有限元模拟