约束混凝土柱装配整体式框架结构技术发展与研究

1、约束混凝土柱装配整体式框架结构技术发展与研究天津大学 于庆荣随着我国经济快速发展，建筑业和其他行业一样都在进行工业化技术改造。从抗震安全、经济合理等方面考虑，装配整体式混凝土建筑是目前建筑工业化重要表现形式，它具有整体性好、适应性强、施工方便、缩短工期、降低造价、节约能源、减少消耗、清洁生产、提高工程质量等许多优点。装配整体式结构是在现浇结构和装配式结构的基础上发展的一种结构形式，它是把主要承重构件的一部分交工厂预制生产，另一部分在现场浇注而形成整体结构。目前装配式建筑结构的种类繁多，如装配整体式混凝土框架结构、剪力墙结构等。 约束混凝土柱装配整体式框架结构：由预制高强箍筋约束混凝土柱、组合梁

2、、预制楼板组成的装配整体式框架。如图1，图2所示： 图1 预制约束混凝土柱(带节点) 图2约束混凝土柱装配整体式框架结构1 约束混凝土柱装配整体式框架结构特点（1）使用高强度材料，例如采用强度超过1000N/mm2以上的高强箍筋；（2）改革施工工艺，变现浇整体式为装配整体式结构；（3）合理改革结构构造，充分发挥各建筑材料的长处；（4）改革结构构件或组合，减轻结构自重；（5）提高结构的抗震性能，实现节能、减排目标。2高强箍筋约束混凝土柱传统的钢筋混凝土柱中混凝土、钢筋及箍筋的强度都偏低，建筑工程中多出现胖柱、自重大，地震作用大，占用空间大，耗费材料多，施工工作量大，施工效率低等问题。解决胖柱的首

3、选措施是发展使用高强度材料（高强度混凝土和高强度钢）。普通混凝土的压剪都是脆性破坏，高强度混凝土脆性破坏性质更加严重。解决混凝土脆性破坏的有效方法是采用高强复合螺旋箍筋约束混凝土，使混凝土的单轴受力变为多轴受力。如高强箍筋约束高强混凝土试验，当箍筋强度为1300MPa且40时，混凝土的压应变在时承载力仍无下降（图3）。同时，箍筋强度高，大变形时强度不下降或少许下降，提高延性。 2.1约束混凝土的峰值应力、峰值应变及极限应变约束混凝土的轴压性能是建立约束混凝土本构关系的基础，通过大量高强箍筋约束高强混凝土的大量试验分析，高强箍筋约束混凝土的应力比与应变和配箍特征值有关。依据试验数据描绘出图4、图

4、5、图6配箍特征值与应力、峰值应变、极限应变之间的关系。试验证明高强箍筋约束混凝土的受压峰值应变为普通箍筋非约束混凝土受压峰值应变的22倍，而其极限压应变高达60倍。图4 配箍特征值v与fcc/fc的关系 图5 配箍特征值v与 图6 配箍特征值v与 峰值应变m的关系 极限应变u的关系回归分析可得约束混凝土峰值应力、峰值应变及极限应变的计算关系如表1所示。表1 约束混凝土应力应变表达式峰值应力峰值应变极限应变2.2高强箍筋约束混凝土柱的弹塑性转角数十年来，人们进行钢筋混凝土结构设计偏重于承载力的分析与计算，当然是必要的，但是在抗震安全方面，急需解决的问题是塑性变形能力问题。唯有将混凝土的脆性破坏

5、转变为塑性变形，耗散地震能量是减少地震灾害的有效措施。为此，对混凝土构件要有满足变形能力的计算与分析。混凝土柱变形能力的大小与轴压比和剪跨比有关，至今认识到它和配箍约束应力有关，特别是在高轴压比时，它的影响是关键性的。在大变形阶段，箍筋对混凝土的约束效果才明显体现，从而使约束混凝土柱变形能力比普通混凝土柱的变形能力大幅度提高，能实现坏而不倒的目标。高强连续螺旋箍筋约束高强混凝土柱试验如图7所示，轴向变形很大，承压力仍在增加， 转角达到1/20，纵向承压力不变。2.3高强螺旋箍筋的直径与间距 高强箍筋约束混凝土的核心是，提高混凝土的塑性变形能力。箍筋间距、配箍率和箍筋强度是三个主要因素。依据试验

6、，箍筋间距与承载力和变形能力关系如图8所示。 (a) (b)图8箍筋间距与承载力、延性系数关系图8（a）表明在箍筋间距小于80mm才能使混凝土承载力有所增加，箍筋间距越小，约束效果越好，混凝土承载力增大速度越快，但考虑施工、纵向钢筋跟混凝土保护层粘结因素，箍筋最小间距不宜小于40mm。图8(b)表示箍筋间距小于70mm时延性系数的增加。基于如上规律，为使弹塑性转角满足1/50的要求，建议梁端塑性铰区箍筋的构造要求如表2所示。表2 箍筋加密区的构造要求抗震等级箍筋最大间距(mm)箍筋最小直径(mm)一级607二级606三、四级7052.4 最小配箍特征值试验表明，约束混凝土柱在抗震方面最大的优越

7、性在于变形能力的提高。采用约束混凝土的关键在于能几十倍地增加其应变能力，能大量耗散地震能量。减少箍筋间距，提高箍筋强度，使极限弹塑性转角达1/401/20，确保实现强震下坏而不倒，保证抗震安全，是抓住关键问题。为确保罕遇地震时结构坏而不倒，重要的问题之一是约束混凝土裂而不碎、不剥落。采用密配高强箍筋约束混凝土是有效的办法。抗震规范要求弹塑性转角，是防止坏而不倒的必要条件，而与配箍特征值主要相关的因素如下： (2)Ag为柱总截面面积；Acor为核心混凝土截面面积；为配箍特征值； 为轴压比。分析试验资料及国内外规范对的规定认识高强箍筋约束混凝土的配箍特征值的规律和数量满足时，数值要提高，我们建议对

8、进行提高，如表3所示。抗震等级轴 压 比0.30.40.50.60.70.80.91.01.1一级0.100.120.150.180.240.310.370.450.55二级0.080.110.130.160.210.260.320.400.45三、四级0.060.100.120.150.180.210.270.350.40表3 约束混凝土柱箍筋加密区的箍筋最小配箍特征值3.柱接头的安全性发展装配式建筑，节点是关键。通过充分调研和试验研究，建议装配整体式约束混凝土柱连接宜采用钢筋套筒灌浆连接（如图9所示），外包钢管连接（如图10所示）。 图9 钢筋套筒灌浆连接示意 图10 外包钢管连接示意 注

9、：1灌浆料；2套筒；3接缝 1钢管；2栓杆；3接缝；4灌浆料 通过33个足尺试件试验，研究柱接头的可靠性和抗震性能 ，弹塑性转角达1/25时，承压力均不降低。试验破坏如图11所示 ，滞回曲线如图12所示。 图 11预制约束混凝土柱节点试验破坏图图12预制约束混凝土柱节点滞回曲线4外包钢筋钢管传力性能通过13个试件试验，验证局部外包钢管接头的钢筋、钢管传力性能，试验内容如图13所示，实验结论如图14所示：现浇对比试件（PRCB-00）外包钢管试件（钢筋弯钩锚固、钢筋墩头锚固）图13 试件内容 图 14预制约束混凝土柱节点与现浇构件荷载-位移曲线对比试验表明纵筋屈服条件下，柱接头传力良好。钢筋弯钩

10、锚固、钢筋墩头接头构件的性能与现浇构件大体相同，而且稍微优于现浇钢筋混凝土构件。因此，可以取代现浇整体混凝土构件。5约束混凝土柱组合梁节点梁、柱节点的试验研究，在日本进行过将近50种不同构造的节点试验，取得大量的成果。对约束混凝土装配整体式框架结构，建议采用以下三种构造节点的试验：端板螺拴连接节点（图15）、钢筋连接节点（图16）、角钢桁架节点（图17）。试验结果表明，端板螺栓连接节点与角钢桁架节点的抗震性能较好。实尺寸模型试验的滞回曲线如图18。滞回曲线在大变形时由于钢板箍或角钢桁架的约束承载力很少下降，而且滞回环饱满。它和相同尺寸的方形钢管混凝土柱钢梁节点的滞回曲线相比，是比较优越的。钢筋

11、连接节点实尺寸模型试验的滞回曲线如图19，承载力在峰值后很少下降，只是有钢筋粘接破坏的滑移现象。角钢桁架节点试验的滞回曲线如图20，滞回环十分饱满。梁I字型钢可以直通或切断翼缘。对于边节点I型钢伸入节点混凝土内部应设计为机械锚固。角钢伸出节点外宜取1.5hc，hc为柱截面高度，是加强柱端承载力。节点核心区内部配箍筋施工困难，前两种节点用宽钢板箍代替箍筋，施工方便。图15端板螺栓连接节点 图16钢筋连接节点 图17角钢桁架连接节点 图18端板螺栓连接节点滞回曲线 图19钢筋连接节点滞回曲线 图20角钢桁架连接节点滞回曲线6 混凝土柱钢梁框架的抗震性能试验图21、22分别为约束混凝土柱装配整体式框

12、架结构的破坏图以及相应拟静力与拟动力的试验曲线，由图可知，该框架的破坏为梁铰破坏，其破坏过程满足强柱弱梁和节点更强的抗震原则，具有良好的变形能力和延性。 (a)塑性铰分布 (b)破坏图21结构模型塑性铰分布与破坏 (a) 顶层拟静力曲线 (b)顶层拟动力反应时程曲线（520gal）图22拟静力和拟动力试验结果7 约束混凝土柱装配整体式框架结构的效益以50万m2工程白沟箱包交易中心工程为例说明，如图23所示。 图23 白沟箱包交易中心工程工程概况：该工程位于河北省保定市白沟经济开发区，地下一层，层高5.2米；地上四层，首层层高5.7米，二四层层高5.2米，室内外高差0.45米，主体高度21.75

13、米。结构东西长772米，南北长134米，通过变形缝将结构分为16个结构单元区。经过多次分析比较，以满足建筑使用功能的要求为主，同时考虑到平面布局、立面形式、建筑物高度、层高等多方面因素，最终选择符合各方面要求的结构型式：约束混凝土柱装配整体式框架结构。采用约束混凝土柱装配整体式框架结构后的效益：节能减排效果：采用约束混凝土柱装配整体式框架结构比传统的钢筋混凝土现浇结构建筑每可节约竹胶板约0.2473，节约混凝土约0.23m³，节约木材约0.0197m³，节约钢材约20kg，综合计算每平方米减少CO2排放量为193.75kg（生产1吨水泥排放1吨CO2，生产1吨钢材排放2.2

14、吨CO2）以此类推，按全国每年框架结构建筑总面积4亿计算，则全国将减少木材用量为1.068亿m³（相当于少砍伐14亿棵树），减少混凝土用量2.3亿吨，减少钢材用量800万吨，减少CO2排放7750万吨。这样减少了对森林的砍伐，减少了砂、石等天然资源的用量，为当代人类和国家节约大量能源和资源。提高抗震等级：由于约束混凝土柱装配整体式框架结构的梁采用钢梁，楼板采用预制空心楼板，大大降低了结构的自重（经测算可降低自重50%），大家都了解地震力是由质量和地震加速度决定的，结构重量的降低就可提高结构的抗震安全，装配整体式混合框架结构可比传统的现浇钢筋混凝土结构抗震等级提高一级，建筑结构的抗震安全性大大提高。节约劳动成本：约束混凝土柱装配整体式框架结构的梁板柱是在工厂预制加工后在现场装配施工，因此现场除板缝、楼梯位置，基本取消湿作业，不再采用传统的支模板的施工工艺，这样节约了大量的劳动力，在目前面临劳动力资源短缺，劳动成本大幅提升的情况下，装配式建筑的优势更加明显。提高建筑质量：构件在工厂预制生产比传统的建造工艺更易于控制施工质量，大部分构件实现了工厂化制作，减少了因手工现场操作而产生的质量通病。缩短施工周期：由于约束混凝土柱装配整体式框架结构是梁板柱在工厂进行标准化规模化预制生产，然后在现场吊装完成，减少了施工工序，