預制裝配式混凝土建筑框架結構的施工力學研究

肖松濤 云南工商學院

1 引言

預制裝配式的混凝土建筑結構憑借其自身的施工便捷性優(yōu)勢，在建筑領域當中全面推廣開來，通過對其結構施工力學進行系統(tǒng)研究，能夠進一步掌握和了解其在不同施工狀態(tài)下的承受能力，提高施工安全性。

2 研究背景

結合施工建造方式的差異，混凝土建筑結構主要可以分成現澆式和裝配式兩種施工方式。其中現澆式混凝土施工主要是實施混凝土澆筑、綁筋、養(yǎng)護，在其達到標準的強度要求后，針對混凝土結構進行拆模工作。其主要優(yōu)勢為整體性較好、抗震性良好，其主要缺陷是施工工序較為復雜、施工時間相對較長，現場需要開展大量的濕作業(yè)。而選擇裝配式混凝土施工能夠有效克服相關難題。其主要操作原理便是合理劃分混凝土結構，將其分成數個單元，并在預制構件廠以及預制現場開展?jié)仓鳂I(yè)，促進構件初步成型，隨后將其轉運至施工現場，開展吊裝作業(yè)，把不同配件連接到一起形成裝配結構。

在建筑工業(yè)化發(fā)展背景下，對于預制裝配式混凝土建筑結構來說，相關節(jié)點技術主要發(fā)展方向為良好抗震性能、較高的裝配度、簡單快速的施工操作。選擇裝配式混凝土結構，還可以降低施工中的各種資源材料消耗浪費，縮減建筑垃圾。裝配式結構中，混凝土結構框架擁有良好的整體性和結構性，是建筑領域中應用較為頻繁的一種結構形式。在工業(yè)化生產以及模塊化生產過程中，結合混凝土預制結構，能夠對工程建設質量進行合理控制。本文將混凝土建筑框架結構作為研究目標，對于相關施工力學進行了系統(tǒng)研究。

3 試驗分析

試驗中針對預制裝配式的混凝土建筑結構受力狀況實施系統(tǒng)分析，并在低周反復荷載條件下針對混凝土框架的整理受力特征、恢復特點以及滯回性能、耗能能力等特征實施全面分析。和整澆形式的混凝土結構實施對比分析，全面掌握預制裝配式框架的結構受力狀況。

3.1 試驗設計

為了開展對比試驗，此次試驗中需要制作預制裝配式結構框架和整澆的框架結構。試驗中所選擇的模型上1:3 比例的單跨平面框架，所有的模型全部都是兩層形式，整體跨度是2.46m，首層高度是1.03m，二層高度是0.93m。兩個試驗模型中沒有結合樓板貢獻進行綜合考慮。針對兩個框架試件開展編號操作，分別是A1、A2，其中的A1是整澆的混凝土結構，而A2 為預制裝配式結構框架。試驗臺中，為了促進試件的正常嵌固。試件設計工作中，應該適當增加地梁，地梁整體高度是405mm，寬度是305mm。此外還應該于地梁中預留吊環(huán)，如此才能方便吊裝工作的順利展開。針對試件開展設計工作中，針對二層梁的端部增加水平荷載，設置柱面突出梁頭，此外還需要增設承壓埋件，避免加載操作中破壞局部試件。于兩個框架柱子試件頂端設置承壓鋼板，并施加相應的豎向荷載，避免壓壞局部試件。

按照計算結果分析，應該在反彎點附近，針對A2預制裝配式結構試件開展拆分拼接，保證連接板的均勻受力。針對二層柱子相關拼接位置，可以參考第二層柱凈高中間實施合理選擇。一層柱子在選擇拼接位置時，可以按照柱子凈高度的百分之三位置選擇。同樣的工程背景下，同步制作試件，兩個試件所應用的混凝土和養(yǎng)護條件相同。

3.2 試件設計

為了開展試驗對比，現澆節(jié)點以及預制節(jié)點尺寸相關梁柱尺寸需要維持相同標準，相關縱筋鋼筋和受力箍筋也應該維持相同長度。其中柱的高度是1805mm，梁截面尺寸是455mm×255mm，梁的長度是4050mm，柱截面尺寸是405mm×305mm。梁柱都是對稱配筋，梁內上下，分別配置2Φ16 的縱筋，配置12Φ22的柱，其中梁柱混凝土是C45的強度等級，梁柱中的縱向受力鋼筋全部都設置為HRB335級的鋼筋，而將鋼板設置為Q235等級，將箍筋設置為HPB235等級。

3.3 材料力學性能

結合材料性能試驗可以得到鋼材與混凝土強度，材料性能試驗中的鋼筋與試件都屬于相同批次的鋼材，針對試件進行澆筑工作的過程中，應該同時針對混凝土立方實施澆搗處理。連接鋼板主要是選擇Q235 鋼材，縱筋和箍筋主要選擇HRB400 級鋼筋。鋼板和鋼材相關材料性能試驗主要是利用電腦萬能拉力機實施相關操作。

試驗中的混凝土材料全部選擇C35 型號混凝土，結束28天的養(yǎng)護工作后，繼續(xù)開展試驗操作，試驗中，需要針對立方體試件開展材料性能測試。

針對框架施加水平荷載的條件下，框架整體變?yōu)閺澕羰芰π问?。為了能夠更為真實地模擬框架底部結構，應該施加相應的軸壓力，并于軸壓比之下開展框架試驗，同時在水平荷載下模擬試件邊界條件。低周反復加載中試驗裝置如圖1所示。

圖1 加載裝置

在反力墻中，主要是由500kN級別的液壓固定伺服助動器施加水平荷載，通過鋼板以及預埋拉桿和頂層框架梁進行有效連接，并向結構施加低周反復水平荷載。通過反力架中支撐的兩個液壓千斤頂，通過人工操縱方式施加縱向壓力，并設置橫向水平滑車，如此能夠有效減少框架側移中所產生的摩擦力，模擬構件的邊界條件。模型底部位置，應該在試驗室內預埋槽道中通過螺栓實施固定錨固處理，并在反力墻和地梁端增加設置支撐鋼墊塊，如此能夠有效預防反力墻出現滑移問題。試件另一端和框架平面鋼梁之間呈現出垂直狀態(tài)，結合錨固反長拉桿能夠有效避免試件出現滑移問題。該種加載操作較為簡單，但卻忽略了柱頂側移過程中所形成的彎曲效應。此次研究對象為相關軸壓比下兩層底部框架，受力狀態(tài)和結構狀態(tài)相同，是彎剪型受力形式，適合加載要求。試驗中，結合梁柱上層液壓千斤頂，為試件施加軸向壓力，將軸壓力比值控制在0.21左右，并設置穩(wěn)壓設備。試驗操作中，使豎向荷載維持不變狀態(tài)，施加水平荷載時，需要等待水平變形問題徹底恢復后再次實施。

彈性環(huán)節(jié)，結合荷載實施有效控制，其對于發(fā)現、確定結構屈服荷載具有積極作用，提取10.5kN 并對荷載進行有效的分級處理，逐級增加，各級需要進行一次反復。在梁端力以及位移關系出現明顯的非線性點條件下，可以將其定義成屈服荷載。首次達到屈服條件下，可以聯系位移針對結構循環(huán)實施加載控制，梁端屈服的條件下，可以按照位移倍數開展逐級加載操作，基于各級位移量條件下，應該開展2 到3 次的循環(huán)操作，并在試件承載力降低導致結構被破壞的條件下，應該立刻停止試驗。

3.4 測量設備和測量對象

此次試驗中，除了可以直接讀取千分表，以及針對柱頂施加軸壓力千斤頂按照油表顯示讀取數據之外，剩下的測試內容都結合電子儀表開展測量工作。按照千斤頂相關油表顯示讀書，柱頂軸力把主軸壓比控制在0.21 左右，開始試驗操作前，需要按照相應的時間間隔，實施系統(tǒng)觀測，假如產生油壓降低的問題，則應該立刻補充，維持恒定的軸力狀態(tài)。

針對側移測量工作，可以利用頂層框架中的梁軸線位移傳感裝置開展測量工作，接入MTS記錄儀，針對水平荷載下相關滯回曲線實施準確繪制。首層邊節(jié)點外側，設置位移計，針對地梁外側設置位移計，測試地梁水平位移狀況，從而有效校正頂點滯回曲線。

開展測試工作中，針對試件進行澆筑工作前，應該于試件鋼筋中，粘貼鋼筋應變片，在臨界界面和塑性鉸區(qū)域設置應變片，加載中，結合梁柱縱筋內應變片，觀測主筋應力發(fā)展變化。應變片設置如圖2所示，結合TDS303靜態(tài)數據采集裝置，全面收集測試數據[1]。

圖2 應變片設置

4 試驗結果分析

4.1 不同階段下的承載力

當豎向荷載統(tǒng)一為232kN條件下，基于一定軸壓比，開展模擬試驗。A1、A2 兩個構件的極限荷載、破壞荷載、開裂荷載、屈服荷載如表1所示。

表1 試件A1、A2在不同階段的荷載值

通過分析上表能夠了解到A2和A1相比，其開裂荷載多出了20kN，預制拼裝構件中，連接鋼板自身彈性變形特質以及拼接縫能夠有效延遲混凝土構件裂縫。和A1 相比A2 屈服荷載多出10kN，由此能夠看出預制裝配式相關框架彈性階段擁有較好的承載力。對于極限荷載而言，A2 相對較大，和A1 相比會多出39kN，主要是因為預制裝配式結構的連接構造能夠有效延長極限荷載的誕生。而A1柱腳相關混凝土產生損壞剝落的時間也要早于A2，導致A2破壞荷載更高。所從承載力角度分析，在不同發(fā)展階段中，預制裝配式建筑結構自身的承載能力更為突出。

4.2 滯回曲線

滯回曲線主要是基于某種反復荷載影響下，某個方向中的結構荷載位移變化曲線。這也是反復受力中結構出現能量消耗、變形特征以及水平荷載變化的直接反應。A1和A2的位移滯回曲線如圖3、4 所示。這一曲線能夠體現出受力性能在循環(huán)中的變化反應，主要包含局部混凝土剝落、壓碎，混凝土黏結、裂縫閉合、鋼筋屈服強化等[2]。

圖3 A1試件

圖4 A2試件的滯回曲線

結合上面兩個圖形能夠初步了解到A1 和A2 相關滯回曲線全部都是梭形形狀，整體相似，滯回曲線較為飽滿，由此能夠進一步體現出兩個不同構件塑性變形效果。相同位移量級下，A1和A2相比，其荷載值要小一些，而A2會受到滑移影響，A2的滯回曲線于位移歸零位置呈現出小幅度聚攏狀態(tài)。開裂先，A2 和A1 兩個試件的受力與位移屬于線性關系，存在細微的殘余變形，構件呈現出一種彈性運行狀態(tài)。在A2和A1產生開裂問題后，基于荷載反復作用下，殘余變形相繼擴大。該種條件下，試件是非線性運行階段，而在荷載逐漸提升條件下，A2和A1兩個試件的滯回曲線開始朝著位移軸方向傾斜，滯回曲線越加飽滿，其覆蓋范圍也相繼擴大，提高了實踐耗能效果。基于相同位移量級之下，A2 和A1 在損傷積累的條件下，相關滯回覆蓋面積產生小幅度降低問題，框架耗能產生退化現象。

4.3 剛度退化

圖5是A2和A1兩個試件的剛度退化曲線，通過分析圖中數據能夠發(fā)現，當柱頂位移量低于10.05mm條件下，相對剛度都超出了1.05，A2和A1試件相對剛度比較，A2相對剛度要低一些。當柱頂位移達到10.05mm條件下，A2和A1兩個試件的相對高度呈現出近似現象。而在柱頂位移量超出10.05mm的條件下，A2相對高度遠遠大于A1相對高度。

圖5 A2和A1兩個試件的剛度退化曲線

通過分析發(fā)現，沒有明顯出現開裂點拐點之前，構件的開裂現象不會對試件剛度產生太大影響。試件產生屈服后，抗側剛度開始降低，荷載提高幅度也相繼縮減。由此證明隨著位移量增加，荷載進入穩(wěn)定發(fā)展狀態(tài)，隨后開始緩慢下降，是延性的直接體現。

4.4 黏滯阻尼系數

通過試驗分析能夠發(fā)現，當位移距離較小的條件下，等效黏滯阻尼系數也相繼變小。而隨著位移距離的持續(xù)擴大，相關等效黏滯阻尼系數也逐漸擴大。位移加載低于30mm 的條件下，A2 和A1 兩個試件的黏滯阻尼系數更為接近，而在位移量持續(xù)擴大的條件下，A2 試件相關等效黏滯阻尼系數便成為A1試件的0.74倍。

4.5 延性比較

通過試驗分析能夠發(fā)現，A2 和A1 相關位移延伸系數為3.9～4.2 的條件下，證明A2 和A1 位移延性系數能夠滿足抗震設計的延性要求，當延性系數是5 的條件下，相關承載力沒有產生明顯的下降問題，證明預制裝配式構建應用性能較高。

5 討論

此次研究主要是將預制裝配式結構框架當成研究目標，系統(tǒng)分析了其施工力學性能，并獲得下面幾種結論：第一是預制拼裝元件的過程中，連接鋼板相關彈性變形以及拼接縫能夠有效延緩混凝土構件裂縫延展。A2和A1相比，在屈服荷載方面遠遠高出10kN，證明預制裝配式框架在彈性階段擁有較高的承載力。

開裂前，A2和A1兩者受力與位移基本呈現出一種線性關系，而在產生開裂問題后，基于反復荷載作用下，參與變形會相繼擴大，在荷載逐級增加的條件下，A2 和A1 兩個試件相關滯回曲線呈現出飽滿趨勢，提高了試件耗能性。當柱頂位移距離低于10.05mm 的條件下，A2 和A1 試件相關相對剛度比較，A2 相對剛度會更低一些。在柱頂位移達到10.05mm 條件下，A2和A1兩個試件的相對剛度更加接近。在柱頂位移距離超出10.05mm的條件下，A2和A1相比，擁有更大的相對剛度。隨著位移擴大，等效黏滯阻尼系數相繼擴大，并始終處于一種增長趨勢，維持在3.9～4.2左右，證明A2和A1相關位移延性系數能夠滿足抗震設計中的延性要求。

6 結語

綜上所述，隨著建筑領域中裝配式混凝土建筑結構應用范圍的持續(xù)變廣，對于其施工質量控制的重視程度也逐漸提升，通過充分了解建筑結構力學性能變化，能夠對其相關施工過程提供有效指導。文章針對預制裝配混凝土建筑結構施工中的力學問題進行了系統(tǒng)研究，通過具體的試驗操作，初步了解建筑結構力學特征，從而為建筑領域中的裝配式混凝土結構施工提供有效參考。