預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的受力性能研究

陳燕友

（廣東理工學(xué)院）

1 裝配式建筑概述

近年來裝配式建筑成為新的發(fā)展方向之一，該技術(shù)的施工效率高，對環(huán)境的污染低，近年來發(fā)展十分迅速，也獲得了較為成功的應(yīng)用。比如，今年年初在武漢爆發(fā)疫情的背景下，為了抗擊疫情，在武漢的火神山與雷神山應(yīng)用裝配式施工理念，分別僅用不到十天的時間建成了兩所專業(yè)的傳染病醫(yī)院，極大的體現(xiàn)了裝配式建筑的優(yōu)勢。相比于傳統(tǒng)建筑，裝配式建筑主要有以下的優(yōu)點和特點。

①裝配式建筑相比于傳統(tǒng)的建筑模式更為綠色環(huán)保，成本更低。裝配式建筑的主要過程是在工廠進行集中生產(chǎn)，它對材料的利用率更高，對環(huán)境的污染更小，是一種成本較低的綠色施工模式；

②裝配式建筑相比于傳統(tǒng)建筑施工效率高，建設(shè)周期更短。裝配式建筑的施工現(xiàn)場主要是對模塊化構(gòu)建的搭建，對施工人員的技術(shù)要求低，施工效率高，建設(shè)周期更短，非常適用于緊急情況下的建筑建設(shè)；

③裝配式建筑的施工機械化程度更高，施工標(biāo)準(zhǔn)性與規(guī)范性更強，且更加環(huán)保節(jié)能，裝配式建筑通過模塊化設(shè)計在工廠施工，其標(biāo)準(zhǔn)性與機械化程度更好，且各方面的質(zhì)量控制都更為嚴(yán)格，相比于傳統(tǒng)的現(xiàn)場施工模式，質(zhì)量控制更好。

2 預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)

預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)是指在進行裝配式模板生產(chǎn)的同時預(yù)留預(yù)應(yīng)力筋的孔道，以后張拉預(yù)應(yīng)力筋的施工形式將裝配式框架連接起來，其既有裝配式框架結(jié)構(gòu)的施工優(yōu)點，又利用了現(xiàn)代建筑中預(yù)應(yīng)力施工的原理，極大的提升框架結(jié)構(gòu)的整體性能[1]。后張拉預(yù)應(yīng)力筋可以通過預(yù)留的孔道對框架結(jié)構(gòu)進行連接，進而成為裝配的一種方式，促成框架的整體連接，并通過對梁柱等節(jié)點進行張拉預(yù)壓，使梁柱與框架成為受力的整體，形成連續(xù)性框架結(jié)構(gòu)。在此種施工模式下，梁柱的節(jié)點承受豎向壓力，混凝土框架結(jié)構(gòu)承受橫向壓力，兩者結(jié)合為一個整體，出現(xiàn)地震等地質(zhì)災(zāi)害時，其結(jié)構(gòu)節(jié)點的抗裂能力與抗剪能力更強?？梢哉f預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土結(jié)構(gòu)有效提升了各個連接節(jié)點的強度和剛度，耐久性以及抗震性能。主要的結(jié)構(gòu)類型有以下幾種。

2.1 全粘結(jié)預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)

全粘接指的是將預(yù)應(yīng)力筋埋入預(yù)留孔道后，進行澆筑，然后通過后法張拉的形式使預(yù)應(yīng)力筋與混凝土框架結(jié)構(gòu)實現(xiàn)粘接的施工模式。該類施工模式受到很多國家的研究，可以有效的提升預(yù)應(yīng)力筋的耐久性能，且其節(jié)點結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有相同的性能。但是，全粘接預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力筋會由于在梁柱等連接處相對集中的塑形變形，而導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失，造成預(yù)應(yīng)力不足，節(jié)點位移增大，自復(fù)位能力不足進而影響節(jié)點剛度，導(dǎo)致承載力不足。

2.2 部分粘結(jié)預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)

部分粘結(jié)指的是將預(yù)應(yīng)力筋埋入孔道后，部分位置進行澆筑與混凝土框架進行粘接的施工方式。一般是梁柱等節(jié)點處無粘接，其他位置進行粘接。此類施工方式經(jīng)過建筑結(jié)構(gòu)的反復(fù)荷載作用后，預(yù)應(yīng)力筋的受力與形變較為均勻，即便是在地震過后，預(yù)應(yīng)力筋的延性依然可以較好的保持。預(yù)應(yīng)力筋與梁柱等結(jié)合面因預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的抗剪摩擦力也會得到較好的保持。雖然地震后整體結(jié)構(gòu)的能力有所降低，但是形變較小，剛度退化有限，而節(jié)點部位的預(yù)應(yīng)力筋是非粘接的因此其受力均勻，剪應(yīng)力不會傳遞到節(jié)點上，保持了較好的彈性能力，但是部分粘接的形式會在梁柱等節(jié)點位置造成轉(zhuǎn)動變形集中，導(dǎo)致裂縫擴大的可能性，因此需要設(shè)置約束鋼筋。

2.3 無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)

無粘結(jié)是應(yīng)用最為廣泛的一種預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)模式。特點是將預(yù)應(yīng)力筋穿過孔道不進行澆筑，直接張拉錨固的一種施工模式。該類施工模式最為簡單方便，且由于無粘接也不會對混凝土框架結(jié)構(gòu)梁柱的連接點造成影響。即便經(jīng)歷地震依然可以保持較好的性能。但是，對于錨固的施工質(zhì)量要求較高，對于錨具的質(zhì)量與能力要求較高，在現(xiàn)階段還存在著一定的限制性，是目前主要的研究方向之一，應(yīng)用前景非常廣闊[2]。

3 預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)的受力性能理論分析

3.1 鋼筋混凝土框架的抗展設(shè)計準(zhǔn)則和強度要求

在預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的施工中，最為重要的是節(jié)點的施工質(zhì)量，其直接關(guān)系到框架結(jié)構(gòu)的整體性，是最為主要的集中受力區(qū)域，因此現(xiàn)階段主要的設(shè)計施工原則是強節(jié)點、弱構(gòu)件。節(jié)點結(jié)構(gòu)的強度要求根據(jù)其受力的特點與性能主要分為三中類型，以下分別進行介紹分析：

1）抗壓強度

混凝土框架結(jié)構(gòu)中，梁柱節(jié)點作為梁柱的一部分會承擔(dān)來自于豎向的壓力，豎向壓力的大小與梁柱節(jié)點的延性成反比，因此為了提高梁柱節(jié)點位置的延性，滿足其抗壓強度，需要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計，分擔(dān)來自于上方的豎向壓力。通過在水平方向設(shè)置約束力，約束力的設(shè)置可以是原有的結(jié)構(gòu)，也可以通過鋼筋鋼箍配置約束混凝土實現(xiàn)。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在混凝土強度范圍內(nèi)受到的約束力越大，其承載力也強?；炷两Y(jié)構(gòu)的約束箍筋分為螺旋箍筋與封閉箍筋兩類，螺旋箍筋的效果更為明顯。約束箍筋的配置可以顯著提升節(jié)點的抗壓強度，即便在混凝土結(jié)構(gòu)受損的情況下，其核心區(qū)依然能維持較好的性能和狀態(tài)。

2）抗彎強度

混凝土框架結(jié)構(gòu)中，節(jié)點位置的抗彎強度非常重要，在反復(fù)荷載的情況下，梁柱節(jié)點位置會出現(xiàn)塑性鉸，極大的影響混凝土框架結(jié)構(gòu)的整體性能。混凝土框架結(jié)構(gòu)要遵循強柱弱梁的原則，即任何節(jié)點在最不利軸力的情況下，其周圍柱端的抗彎能力也要高于同平面內(nèi)梁端可承受的抗彎能力，為滿足這一原則，在梁柱節(jié)點的位置要設(shè)置數(shù)量充足的約束與抗剪鋼筋，保證即便在混凝土保護層脫落的情況下依然保持較高的抗彎強度。

3）抗剪強度

剪應(yīng)力破壞是混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點位置最大的破壞因素，節(jié)點核心區(qū)承擔(dān)剪應(yīng)力作用的是混凝土與抗剪鋼筋。節(jié)點核心區(qū)需要滿足足夠的抗剪強度，提升往復(fù)荷載下對于剪應(yīng)力的抵抗力。

3.2 鋼筋混凝土框架節(jié)點的破壞機理

鋼筋混凝土框架節(jié)點的強度主要受預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)本身的強度質(zhì)量、預(yù)應(yīng)力筋的錨固與拉伸質(zhì)量以及箍筋構(gòu)造的合理性與質(zhì)量決定[3]。通過研究分析，節(jié)點位置主要受到的破壞機理有三種。

1）斜壓桿機理

當(dāng)鋼筋混凝土節(jié)點位置的箍筋質(zhì)量不佳時，節(jié)點位置的荷載主要由核心區(qū)的混凝土承擔(dān)，一旦出現(xiàn)兩條斜裂縫，就會形成斜壓桿，斜壓桿會進一步破壞核心區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)，這對于梁柱承載力較低的結(jié)構(gòu)破壞極大。

2）剪摩擦機理

節(jié)點核心區(qū)的混凝土被剪應(yīng)力破壞，但是由于水平箍筋屈服而梁未屈服，造成梁筋出現(xiàn)未粘結(jié)破壞。由于節(jié)點混凝土的核心區(qū)產(chǎn)生的剪應(yīng)力破壞是對角線的臨界裂縫狀態(tài)，因此節(jié)點核心區(qū)分為了兩部分，這兩部分之間出現(xiàn)滑動摩擦，由此需了解剪摩擦機理。

3）桁架機理

在節(jié)點核心區(qū)由于水平箍筋與垂直鋼筋的密集分布形成了網(wǎng)籠，而在反復(fù)荷載的剪應(yīng)力作用下，在節(jié)點混凝土核心區(qū)會出現(xiàn)多條剪切裂縫，這種受力機制為桁架機理。

3.3 預(yù)應(yīng)力對框架結(jié)構(gòu)受力性能的影響

混凝土框架結(jié)構(gòu)的受力情況較為復(fù)雜，加上鋼筋預(yù)應(yīng)力后更為復(fù)雜，預(yù)應(yīng)力對混凝土框架架構(gòu)的受力性能影響非常大，是提升框架混凝土結(jié)構(gòu)強度與性能的主要原理，主要有如下的影響。

①科學(xué)合理的箍筋布置產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力可以從側(cè)面加強對節(jié)點的約束，有效增加混凝土框架結(jié)構(gòu)節(jié)點的抗剪強度和抗彎強度，提高其初裂荷載和極限抗剪能力。

②混凝土框架結(jié)構(gòu)在不同的受力階段，其受力狀態(tài)與受力反應(yīng)均有所差別，通過模型分析可以發(fā)現(xiàn)如果超出其最大的承受能力會出現(xiàn)突然遭受破壞的結(jié)果，這個現(xiàn)象體現(xiàn)的是混凝土框架結(jié)構(gòu)的脆性，如果在最大承載力接近時依然可以保持較好的受力狀態(tài)，性能可以得到較好的保持，這被稱作混凝土框架結(jié)構(gòu)的延性。預(yù)應(yīng)力筋科學(xué)合理的布置可以有效增加框架結(jié)構(gòu)節(jié)點的延性。

4 結(jié)語

裝配式建筑是未來的建筑工程的主要發(fā)展趨勢之一，隨著裝配式建筑的施工越來越成熟，預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)也將越來越豐富。預(yù)制裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)是高層建筑進行裝配式施工中較常用到的結(jié)構(gòu)之一，施工質(zhì)量直接關(guān)系到建筑的施工質(zhì)量與整體受力情況，因此對預(yù)應(yīng)力裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的受力情況進行研究，可以極大的促進裝配式建筑的發(fā)展，提高建筑企業(yè)的競爭力。