一種新型的裝配式框架結構體系研究

陳威鋼 鄭七振 龍莉波 馬躍強 陳 剛 章 誼

1. 上海理工大學環境與建筑學院 上海 200093；2. 上海建工二建集團有限公司 上海 200080；3. 上海建筑工程逆作法工程技術研究中心 上海 200080

1 研究背景

我國預制裝配式混凝土技術較為落后，多種因素制約了裝配式建筑的發展。隨著我國建筑工業化的不斷發展，中央和各級地方政府相繼出臺各項利好政策，裝配式建筑行業迎來了黃金發展期。

框架結構是建筑工程中應用最廣泛的一種結構形式，連接方式是預制混凝土框架結構體系的核心技術[1]。整澆濕式連接是目前工程常用的構件連接方式之一。這種連接方式是通過后澆混凝土將預制構件連接在一起。預制構件鋼筋連接方式有灌漿套筒連接、漿錨搭接和鋼筋搭接連接等，但都或多或少存在一些缺陷。

2 前期試驗研究

超高性能水泥基復合材料（UHPC）是一種高強度、高韌性、低孔隙率的超高強度水泥基材料，具有優越的力學性能，其抗壓強度大于150 MPa，抗拉強度大于7 MPa，極限拉伸應變大于0.2%，是一種類金屬新型材料[2]。同時具有自流平特性、自密實性能、易澆筑、易振搗、常溫常壓養護等超高施工性能。目前UHPC在市政工程、橋梁工程和結構加固維修等領域都有大量應用，國外文獻也將UHPC用于預制構件后澆連接，研究結果表明，可以有效減少鋼筋搭接長度且具有良好的整體性。目前國內關于UHPC用于后澆濕連接的研究較少，沒有確切的試驗結論。

為了改善預制構件在連接上存在的問題，推動預制裝配式建筑的發展，上海理工大學和上海建工二建集團有限公司研究團隊合作，基于UHPC優異的性能，提出一種全新裝配連接方式：鋼筋搭接連接＋UHPC后澆的構件連接方式。團隊采用上海羅洋新材料科技有限公司的Tenacal T180型號UHPC材料先后開展了拉拔試驗、梁受彎性能試驗、柱抗震性能試驗、梁柱節點抗震試驗等基礎研究工作。

試驗結果表明，鋼筋在UHPC的合理錨固長度為4d（d為鋼筋直徑）[3]，以UHPC連接的裝配梁在荷載作用下裂縫發展緩慢，鋼筋未出現滑移，當鋼筋搭接長度為10d時，承載能力和變形能力與整澆試件相當[4]。以UHPC連接的預制柱承載力均好于整澆構件，當鋼筋搭接長度為10d時，試件的耗能能力與整澆試件相當[5]。以UHPC連接的梁柱節點具有良好的整體性，當鋼筋搭接長度為10d時，試件具有等同現澆的抗震耗能能力[6]。

綜上所述，當鋼筋的搭接長度為10d時，以UHPC連接的裝配式試件具備了等同現澆的承載能力和耗能能力，某些性能指標甚至優于整澆試件。不僅有效地縮短了鋼筋搭接長度，方便施工，更有效地保證了試件的力學性能，極大地改善了構件連接存在的問題。

3 新型裝配式框架結構體系

在前期研究的基礎上，研究團隊進一步提出“預制節點＋梁柱構件＋UHPC連接”的裝配框架體系。該體系梁、柱和節點均采用工廠預制，在現場通過鋼筋搭接后澆UHPC進行連接（圖1）。與傳統的裝配模式相比，這種裝配模式具有以下優點：鋼筋采用短連接，施工方便；節點采用工廠預制，整體性能好；接頭部分位于受力較小區域；施工質量檢測方便。如果能夠證明這種裝配結構性能能夠達到或接近整澆框架的水平，則推廣后會極大地提高裝配式建筑的生產效率，有利于推動裝配式建筑的發展。

3.1 預制節點

節點采用預制是該體系的特點之一，預制節點能夠保證節點質量，使結構在地震荷載作用下節點不易被破壞，震后建筑便于修復，實現強節點的設計意圖。預制節點根據柱鋼筋設計位置預留鋼筋孔，以便柱鋼筋穿過與上層柱鋼筋連接（圖2），并在連接面按照規范要求設置相應的鍵槽和粗糙面，增加構件的連接性能和抗剪能力，在節點核心區側端預留一定長度的懸臂梁，方便與預制梁連接。

圖1 新預制裝配框架體系示意

圖2 預制節點示意

3.2 梁連接

預制梁鋼筋通過搭接方式與預制節點連接，搭接長度為10d，通過后澆UHPC實現預制構件間的連接。預制構件連接端均設置鍵槽和粗糙面，增加構件的連接性能和抗剪能力。由于UHPC強度大，具有在受力時不易開裂的特點，將連接段設置在離節點核心區1.5倍梁高處，使結構在地震作用下塑性鉸首先出現在后澆段與節點核心區之間的部位（圖3），這樣能夠有效地增加結構的耗能能力，減小節點核心區的剪切變形，保護節點核心區，實現“強節點，弱構件”的設計指導思路[7-8]。

3.3 柱連接

預制柱連接部位設置在預制節點上方，這樣設置可以使預制節點成為二維構件，方便運輸和施工。預制柱鋼筋穿過預制節點預留鋼筋孔與上層柱鋼筋搭接連接，搭接長度為10d。通過后澆UHPC實現構件連接（圖4）。預留鋼筋孔用灌漿料通過壓力注漿填充密實，實現力的傳遞。預制節點和下層柱之間設置坐漿層，實現下層柱與預制節點之間的連接。預制構件連接面均設置抗剪鍵槽和粗糙面，增加連接的整體性。

4 施工方式

圖3 預制梁連接示意

圖4 預制柱連接示意

下部基礎完成后首先吊裝底層預制柱，預制柱鋼筋與基礎預留鋼筋搭接連接后澆筑UHPC。完成柱安裝后再吊裝預制節點，通過坐漿層將預制節點與預制柱連接，然后吊裝預制梁，將預制梁與預制節點鋼筋搭接連接，在搭接段后澆UHPC，將預制梁與預制節點連接。可以根據構件的特點開發U形活動模板，提高支模效率，并可以重復利用。隨后可按照順序逐層吊裝，由于鋼筋全部實現短連接且UHPC強度增長速度較快，所以極大地提高了施工效率。

5 結語

本文梳理了當前預制裝配式框架結構在構件連接中存在的問題，以及為解決這些問題而基于UHPC進行的前期試驗研究。并在此基礎上進一步提出了一種新形式的裝配框架結構體系設想，根據前期試驗結果將這種結構構件鋼筋搭接長度設定為10d，實現了鋼筋短連接，構件采用二維構件。這種體系具有結構合理、節點強度高、施工簡便、施工質量易檢測等諸多優點，下一步將通過試驗進一步驗證這種結構體系的抗震性能，將此結構體系應用到實際工程中去做進一步論證。