部分預(yù)制裝配型鋼混凝土柱的承載性能綜述

程冬冬 沈新昊

摘 要：從目前建筑業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)展望，當(dāng)代社會(huì)的需求決定了技術(shù)的發(fā)展方向。在一些橋梁建筑和大型高層建筑中，傳統(tǒng)鋼筋混凝土柱耗費(fèi)大量的資源，工程工期長(zhǎng)、造價(jià)高，而且本身性能不能夠滿(mǎn)足建筑的承載要求。全預(yù)制鋼筋混凝土柱已經(jīng)進(jìn)入建筑行業(yè)的視野，裝配式型鋼混凝土柱結(jié)構(gòu)逐漸應(yīng)用于實(shí)際建筑和工程實(shí)踐中。但是，由于有些構(gòu)件太大，不能完全預(yù)制和運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，所以采用局部預(yù)制的方式進(jìn)行裝配，這種構(gòu)件形式可以有效減少現(xiàn)場(chǎng)施工工序，解決全預(yù)制型鋼混凝土柱整體性差、抗震性能不足的關(guān)鍵問(wèn)題，促進(jìn)型鋼混凝土柱的工業(yè)化預(yù)制工藝的發(fā)展。然而這種部分預(yù)制裝配式鋼混凝土柱的承載性能還有待提高。因此，文章對(duì)部分預(yù)制裝配型鋼混凝土柱的承載力研究進(jìn)行了綜述，通過(guò)全面分析，展望了部分裝配式鋼骨混凝土柱的發(fā)展前景和未來(lái)趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：型鋼混凝土柱;試驗(yàn)研究;有限元分析;火災(zāi)后偏壓試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU741.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-1064（2021）08-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.08.010

由于建筑空間大，現(xiàn)有的預(yù)制混凝土柱連接性能差，施工工藝復(fù)雜，傳統(tǒng)的混凝土柱結(jié)構(gòu)對(duì)鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)有著嚴(yán)格的要求，現(xiàn)有的技術(shù)已不能滿(mǎn)足當(dāng)前建筑業(yè)的需要。PPSRC柱不僅作為一種新型的預(yù)制混凝土柱結(jié)構(gòu)，可以提前預(yù)制并運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)吊裝。但該構(gòu)件的施工工藝復(fù)雜、結(jié)構(gòu)連接復(fù)雜、造價(jià)高昂等原因，制約了部分預(yù)制裝配型鋼混凝土柱的推廣應(yīng)用。處于學(xué)術(shù)前沿的學(xué)者不斷研究其承載力，其理論依據(jù)用于工程應(yīng)用，從而推動(dòng)建筑產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。目前，PPSRC柱是建筑技術(shù)行業(yè)的前沿技術(shù)，在市場(chǎng)上還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，相關(guān)研究也沒(méi)有一個(gè)完整的理論體系。

1 綜述

進(jìn)入21世紀(jì)，世界各國(guó)加強(qiáng)了對(duì)預(yù)制構(gòu)件發(fā)展的聯(lián)系與交流。2012年，模型規(guī)范（MC 2010）建立了預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的完整生命周期設(shè)計(jì)方法。目前，預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)在許多國(guó)家得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家。近年來(lái)，許多國(guó)內(nèi)高校和研究機(jī)構(gòu)致力于預(yù)制新型結(jié)構(gòu)的研究，對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件進(jìn)行了大量的理論試驗(yàn)研究，并取得了相關(guān)的研究成果和研究數(shù)據(jù)。

2015年，楊勇研究出一種新型預(yù)制裝配型鋼混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件。主要施工方法是將型鋼混凝土構(gòu)件的主要部位（梁、柱、剪力墻等）事先預(yù)制好，運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)安裝后再澆筑部分混凝土，形成部分預(yù)制的型鋼混凝土構(gòu)件。

2016年，安徽建筑大學(xué)的姜效亭提出了一種新裝配式型鋼混凝土柱連接方式，更合理地連接柱的受力位置，便于施工。建立有限元模型，對(duì)螺栓連接進(jìn)行了分析，研究了螺栓連接的破壞變形、滯回曲線(xiàn)、應(yīng)力應(yīng)變等，證明該連接方式使得裝配式型鋼混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能有所提高[1]。

2017年，張錦濤等人通過(guò)9個(gè)部分預(yù)制型鋼混凝土構(gòu)件的靜載剪切試驗(yàn)，分析了部分預(yù)制型鋼混凝土構(gòu)件的破壞形式、荷載—撓度曲線(xiàn)、材料荷載—應(yīng)變曲線(xiàn)和延性系數(shù)。不僅證明了試件的延性良好，還分析了預(yù)制殼強(qiáng)度和剪跨比對(duì)實(shí)心和空心PPSRC構(gòu)件抗剪承載力的影響規(guī)律，提出了適合該構(gòu)件的抗剪承載力計(jì)算公式，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)部分預(yù)制型鋼混凝土構(gòu)件的抗剪承載力[2]。

2018年，張林對(duì)9根PPSRC短柱標(biāo)準(zhǔn)火后軸心受壓承載力和1根PPSRC柱室溫軸心受壓承載力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，觀察了試驗(yàn)現(xiàn)象，分析了荷載—變形曲線(xiàn)，試驗(yàn)宏觀現(xiàn)象和特征，采用有限元方法研究了標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)后PPSRC軸心受壓短柱的破壞機(jī)理和破壞模式，研究了混凝土內(nèi)部強(qiáng)度和箍筋間距對(duì)實(shí)心和空心PPSRC柱溫度場(chǎng)分布和破壞現(xiàn)象的影響，并對(duì)其殘余承載性能進(jìn)行了分析，得到了火災(zāi)后試件的延性系數(shù)和剛度退化規(guī)律[3]。

2018年，龔志超及其同事通過(guò)對(duì)6根PPSRC柱火災(zāi)后的偏心受壓靜載試驗(yàn)和1根PPSRC柱的室溫偏心受壓試驗(yàn)，研究了加熱時(shí)間、偏心率和核心混凝土類(lèi)型對(duì)PPSRC柱火災(zāi)破壞模式的影響。結(jié)果表明，火災(zāi)后PPSRC柱表面混凝土不發(fā)生破裂，活性粉末混凝土保護(hù)型鋼，但PPSRC柱的剩余承載力會(huì)隨著偏心距和加熱時(shí)間的增加而降低，所以該構(gòu)件火災(zāi)后偏心抗壓性能優(yōu)越，有較好的整體穩(wěn)定性[4]。

2019年，林夏如對(duì)8根PPSRC實(shí)心柱和2根PPSRC空心柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，根據(jù)其破壞、應(yīng)變和軸變的曲線(xiàn)規(guī)律，研究對(duì)混凝土內(nèi)部強(qiáng)度、PPSRC柱軸壓性能的影響因素[5]。

2019年，陳陽(yáng)博士對(duì)18根PPSRC柱進(jìn)行了軸壓性能試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了現(xiàn)澆混凝土內(nèi)強(qiáng)度、箍筋間距、鋼筋混凝土強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)軸心受壓性能的影響，通過(guò)ABAQUS有限元分析軟件研究了軸壓性能的影響因素。結(jié)合現(xiàn)有規(guī)范，基于疊加法，建立了PPSRC柱軸壓承載力計(jì)算公式。同時(shí)，通過(guò)軸壓比試驗(yàn)驗(yàn)證了軸壓比限值的準(zhǔn)確性，最后給出了PPSRC柱軸壓比的推薦限值;通過(guò)對(duì)PPSRC柱壓剪性能的試驗(yàn)研究，得出了PPSRC柱斜截面抗剪承載力計(jì)算方法[6]。

2019年，楊勇、陳陽(yáng)等人對(duì)7個(gè)試件進(jìn)行靜載試驗(yàn)，收集PPSRC構(gòu)件的破壞過(guò)程、剪位移曲線(xiàn)和剪應(yīng)變曲線(xiàn)的數(shù)據(jù)，了解該構(gòu)件的破壞機(jī)理和受剪性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，部分型鋼混凝土預(yù)制構(gòu)件受到斜壓破壞和剪壓破壞，預(yù)制構(gòu)件與現(xiàn)澆混凝土可以較好連接。在PPSRC柱的抗剪承載力計(jì)算公式中，應(yīng)考慮剪跨比的影響。部分預(yù)制裝配型鋼混凝土柱構(gòu)件抗剪承載力計(jì)算公式可為構(gòu)件的設(shè)計(jì)提供一定依據(jù)[7]。

到目前為止，楊勇團(tuán)隊(duì)對(duì)部分預(yù)制裝配型鋼混凝土柱的承載性能深入研究，并取得了突破性結(jié)論，為該新型柱構(gòu)件在工程中應(yīng)用的可行性提供理論支持[8-12]。

目前，國(guó)內(nèi)還有許多研究團(tuán)隊(duì)正熱衷于對(duì)部分預(yù)制裝配型鋼混凝土柱的承載性能研究，不斷涌現(xiàn)出當(dāng)代建筑行業(yè)的拼搏熱情。

2 鋼混凝土柱結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及裝配式型鋼混凝土柱部分預(yù)制的原因

2.1 全現(xiàn)澆型鋼混凝土柱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

施工工序復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)需綁扎鋼筋、支模板、拆模板、潮濕作業(yè)等作業(yè)，施工難度大，工程進(jìn)度較慢、成本和能耗較高，不符合綠色施工理念。該構(gòu)件的變形能力、抗震性能、承載能力、軸向剛度、抗裂性能、耐久性能和耐火性能有待提高。構(gòu)件選材為鋼筋、混凝土，較為單一，整體造價(jià)較高，設(shè)計(jì)方案固定。構(gòu)件全預(yù)制混性能存在振搗不實(shí)、混凝土強(qiáng)度不足、鋼筋錯(cuò)位、型鋼移位、節(jié)點(diǎn)核心區(qū)箍筋配置不足等施工質(zhì)量問(wèn)題，施工質(zhì)量不易控制。傳統(tǒng)施工中，鋼筋混凝土柱全部為現(xiàn)場(chǎng)澆筑，混凝土外觀質(zhì)量和效果很難保證且不易控制。

2.2 全預(yù)制型鋼混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

全預(yù)制裝配SRC柱整體澆筑工藝比較復(fù)雜，現(xiàn)有技術(shù)尚存在不足，故存在整體不連續(xù)性、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性、抗震性能和抗連續(xù)倒塌性能不足等問(wèn)題。

全預(yù)制裝配SRC柱的自重大、大型運(yùn)輸和吊裝設(shè)備需求大，整體裝配現(xiàn)場(chǎng)安全不能確保，且全預(yù)制成本高、安裝成本高、運(yùn)輸成本高。

全預(yù)制裝配SRC柱施工過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)連接工序較多、連接構(gòu)造復(fù)雜、連接質(zhì)量要求高且不易保證。

2.3 部分預(yù)制裝配型鋼混凝土柱結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：承載性能高;抗震效果好;抗火、抗腐蝕能力強(qiáng);經(jīng)濟(jì)性好，在同截面尺寸情況下，可以經(jīng)濟(jì)合理地配置更多的材料，減少鋼的用量;柱構(gòu)件抗彎、變形性能好;自重輕，承載力高，不需內(nèi)部支模，提升施工速度，減小施工現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)裝配難度。

缺點(diǎn)：自重大，運(yùn)輸?shù)跹b困難，造價(jià)高;連接復(fù)雜，結(jié)構(gòu)完整性難以保證;易開(kāi)裂;鋼筋與混凝土界面粘結(jié)能力不足，易滑移;施工時(shí)要求混凝土骨料粒徑，現(xiàn)澆質(zhì)量不易控制;若構(gòu)件同時(shí)存在型鋼和鋼筋，澆筑施工較困難。

2.4 裝配式型鋼混凝土柱局部預(yù)制原因分析

原先預(yù)制型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的受力構(gòu)件在工廠內(nèi)整體預(yù)制，然后運(yùn)輸?shù)跹b，但是存在明顯的缺點(diǎn)，導(dǎo)致其推廣應(yīng)用受到限制。型鋼混凝土柱主要用于高層建筑和大跨度建筑，該構(gòu)件截面尺寸往往較大，構(gòu)件重量較重，對(duì)吊裝設(shè)備的噸位要求高，構(gòu)件吊裝難度大，施工綜合成本高。預(yù)制型鋼混凝土構(gòu)件之間雖然可以很好地連接鋼筋和型鋼，但連接完整性較差。然而，預(yù)制型鋼混凝土構(gòu)件間傳力機(jī)理復(fù)雜，連接質(zhì)量不易保證。目前，國(guó)內(nèi)外僅多層建筑采用預(yù)制型鋼混凝土結(jié)構(gòu)，但在高層建筑和超高層建筑中應(yīng)用并不廣泛，對(duì)于超高層建筑或強(qiáng)震強(qiáng)風(fēng)地區(qū)的高層建筑，預(yù)制型鋼混凝土柱的完整性要求很難滿(mǎn)足。所以，在全預(yù)制型鋼混凝土柱的基礎(chǔ)上，提出了部分預(yù)制型鋼混凝土柱的設(shè)計(jì)思想。部分預(yù)制裝配型鋼混凝土柱（partially prefabricated steel reinforced concrete column，PPSRC柱）是指在工廠預(yù)制型鋼混凝土柱外殼，施工現(xiàn)場(chǎng)吊裝、裝配并完成現(xiàn)澆部分混凝土澆筑的型鋼混凝土柱構(gòu)件。這些復(fù)雜構(gòu)件由工廠預(yù)制、澆筑、養(yǎng)護(hù)，大部分采用機(jī)械施工，提高了施工安全性，縮短了工期，解決了施工難度大、工期長(zhǎng)、構(gòu)件過(guò)大、過(guò)重、不利于運(yùn)輸和吊裝等問(wèn)題，符合綠色環(huán)保和產(chǎn)業(yè)化的要求。新構(gòu)件采用預(yù)制連接技術(shù)，改善了結(jié)構(gòu)整體性差的問(wèn)題，保證了預(yù)制型鋼混凝土柱的連通性，增加了建筑物的使用空間。部分預(yù)制結(jié)構(gòu)已成為一種不可缺少的科學(xué)生產(chǎn)力，節(jié)省了大量資源，建筑業(yè)也迎來(lái)了一次創(chuàng)新和超越。

3 PPSRC柱承載性能總結(jié)及工程應(yīng)用可行性

近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)部分預(yù)制裝配型鋼混凝土柱的承載性能進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，提出了各種特征承載力計(jì)算方法，一些計(jì)算方法已列入各國(guó)規(guī)范并沿用至今。文章提出用部分預(yù)制裝配鋼骨混凝土柱代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋混凝土柱，解決了預(yù)制型鋼混凝土柱構(gòu)件的缺點(diǎn)，型鋼混凝土結(jié)構(gòu)有優(yōu)越的力學(xué)性能和預(yù)制施工方便的優(yōu)點(diǎn)，人們可以通過(guò)操作機(jī)器來(lái)高效地工作。部分企業(yè)已開(kāi)始采用工廠預(yù)制拼裝的具體方式和方案，但尚未推廣。筆者通過(guò)對(duì)目前預(yù)制構(gòu)件的制作和數(shù)據(jù)分析以及現(xiàn)有理論專(zhuān)利技術(shù)，對(duì)PPSRC柱的承載性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，證明了PPSRC柱的合理性和經(jīng)濟(jì)性。研究了PPSRC柱的火災(zāi)后偏心、軸心受壓性能、斜截面承載性能、抗震性能、偏壓及壓剪作用下的受力性能，通過(guò)諸多研究數(shù)據(jù)的分析，性能的比較，該新型柱構(gòu)件具有良好的承載性能。研究結(jié)果表明：在軸壓作用下，PPSRC柱與SRC現(xiàn)澆柱的破壞模式相當(dāng)，可以認(rèn)為PPSRC柱的力學(xué)性能與現(xiàn)澆混凝土柱性能相當(dāng)，故PPSRC柱在工程中的應(yīng)用具有可行性。綜上所述，與全現(xiàn)澆型鋼混凝土結(jié)構(gòu)和全預(yù)制型鋼混凝土結(jié)構(gòu)相比，PPSRC柱在施工性能、力學(xué)性能、材料應(yīng)用等方面都有顯著提高，符合國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ1-2014）等強(qiáng)調(diào)預(yù)制與現(xiàn)澆結(jié)合的規(guī)定，可廣泛應(yīng)用于各類(lèi)建筑結(jié)構(gòu)中，是一種具有良好推廣應(yīng)用前景的新型綠色建筑結(jié)構(gòu)體系。

4 PPSRC柱的未來(lái)展望

這種新型結(jié)構(gòu)能很好地保留型鋼混凝土結(jié)構(gòu)顯著的性能優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)施工難度大、工期長(zhǎng)的缺陷，滿(mǎn)足綠色環(huán)保和產(chǎn)業(yè)化的要求;還可以解決預(yù)制型鋼混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件過(guò)大、過(guò)重，不利于運(yùn)輸和吊裝的問(wèn)題，改善結(jié)構(gòu)整體性差的問(wèn)題。

國(guó)家近幾年大力推動(dòng)BIM技術(shù)在建筑中的應(yīng)用，也注重裝配式建筑視角下BIM協(xié)同型人才培養(yǎng)[13]。BIM技術(shù)的應(yīng)用為裝配式建筑設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，有效解決了預(yù)制構(gòu)件與專(zhuān)業(yè)沖突的問(wèn)題。國(guó)家可以規(guī)定部分預(yù)制裝配型鋼骨混凝土柱構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)廠家可以在施工前提前批量生產(chǎn)、養(yǎng)護(hù)好型鋼混凝土柱，高效優(yōu)質(zhì)地建設(shè)好工程。對(duì)部分預(yù)制裝配型鋼混凝土柱，該裝配式建筑要做到信息集成，使得該新型構(gòu)件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、構(gòu)件工廠化、施工裝配化、裝修一體化。這就為部分預(yù)制裝配型鋼混凝土柱提供了成熟的技術(shù)支持，國(guó)家也鼓勵(lì)建筑行業(yè)發(fā)展，國(guó)內(nèi)相關(guān)的技術(shù)和專(zhuān)利也不斷涌現(xiàn)。PPSRC柱有利于提高工程效率，節(jié)約資源，提高建筑質(zhì)量，符合我國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展要求，說(shuō)明PPSRC柱有著良性的發(fā)展趨勢(shì)和未來(lái)前景。

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