鑽石舞台

裝配式建築是建築業實現碳達峰、碳中和目標的重要途徑。2022年1月，住房和城鄉建設部印發的《「十四五」建築業發展規劃》中指出要大力發展裝配式建築，加大高性能混凝土、高強鋼筋等技術集成應用。研發高效組裝的新型裝配式結構體系，加強裝配式建築抗震防災理論研究，提升裝配式建築應對不確定地震風險的響應能力，是建築業實現高質量發展亟需開展的重要工作。

裝配式鋼筋混凝土柱-鋼樑（RCS）混合框架結構體系結合了混凝土和鋼結構體系各自優勢，是一種高效經濟的結構形式，工業化建造特性突出。課題組結合成熟的離心生產工藝和鋼結構節點連接技術，提出預製混凝土管組合柱-鋼樑裝配式混合框架結構體系，如圖1所示。預製混凝土管組合柱由離心工藝生產的預製混凝土管和芯部混凝土組合而成，預製混凝土管採用高強混凝土（或超高性能混凝土）並在管中配置縱筋和高強連續螺旋箍筋。在裝配現場吊裝完預製混凝土管後，通過灌注芯部混凝土（普通混凝土）使之成為整體協同受力的組合柱。預製混凝土管組合柱製作時在樓層處設置鋼套箍，內側設置抗剪鍵，通過外環板或內隔板實現與鋼樑的快速裝配連接。樓板可採用預製疊合板或壓型鋼板-混凝土組合樓板等形式。

裝配式RCS混合框架體系的抗震性能和安全主要取決於節點的連接性能。為此，針對提出的預製混凝土管組合柱-鋼樑裝配式混合框架結構體系，課題組開展了預製混凝土管組合柱、預製混凝土管組合柱-鋼樑連接節點的系列試驗研究。相關研究成果發表在《建築結構學報》2022年第4期和第7期。

試件模型選取多層多跨框架結構中間層梁、柱反彎點的樑柱組合單元，共設計6個1/2縮尺節點試件（CRCS1~CRCS6），試件幾何尺寸及配筋如圖2所示。為研究節點域受剪性能，各試件均為「弱節點」構造，以使節點域率先發生剪切破壞。為避免試驗過程中鋼樑與外環板焊接帶來的不確定因素，製作時鋼樑翼緣與外環板加工成整體，腹板與鋼樑翼緣、外環板和鋼套箍焊接連接。鋼套箍採用Q235鋼，內側設置抗剪栓釘。試驗主要參數為軸壓比n、鋼套箍延伸高度he、芯部混凝土強度fcu,f和鋼套箍厚度tj。預製混凝土管組合柱-鋼樑連接節點的製作流程如圖3所示。試驗加載裝置如圖4所示。

3.1破壞形態與滯回性能

各試件破壞過程和破壞現象基本相似（圖5），破壞模式均為節點區破壞，包括節點域剪切破壞和節點上下柱端混凝土保護層局部剝落破壞，其中節點域剪切破壞導致了節點的最終失效。各試件破壞時，節點域鋼套箍腹板鼓曲明顯，在對角線方向形成明顯的拉壓應力帶；核心區混凝土破壞嚴重，核心區內預製管混凝土壓碎，可觀察到內部混凝土的斜向裂縫（圖6、圖7）；鋼樑和外環板未出現屈曲現象，柱身最大裂縫寬度約0.2 mm，損傷程度較輕。

各試件層剪力-位移角（V-R）滯回曲線如圖8所示。滯回曲線較飽滿，存在一定程度的捏縮，呈現為典型的弓形，耗能能力較好。試驗參數影響規律為：1）軸壓比越大，滯回曲線下降段越陡，峰值後階段變形能力降低；2）鋼套箍延伸高度增加提高了節點區鋼套箍對內部混凝土的約束作用，減輕了節點域內混凝土的損傷，使得變形能力有所提高；3）相比芯部混凝土強度較低的試件，芯部混凝土強度較高試件的滯回曲線相對更飽滿，但兩者滯回曲線卸載剛度基本相同；4）節點區鋼套箍厚度減小，節點初始剛度基本不變，但峰值荷載降低明顯。

3.2節點域鋼套箍應變與節點域剪切變形

圖9給出了節點域鋼套箍腹板的剪應變發展規律。各試件節點域鋼套箍腹板剪應變在節點屈服前發展緩慢，屈服後迅速增大；節點屈服時，各測點剪應變均已超過屈服應變，鋼套箍腹板進入全截面屈服狀態。鋼套箍腹板中部區域剪應變的發展快於角部，率先進入屈服或強化階段。

各試件節點域剪力-剪切變形曲線如圖10所示。各試件節點域剪切變形在屈服前較小，之後增長逐漸加快，至峰值剪力時，剪切變形值介於0.0200 ~ 0.0385 rad之間；峰值剪力後各試件剪切變形呈快速增長趨勢，破壞時各試件剪切變形發展較為充分，其值介於0.0482 ~ 0.100 rad之間；各試件節點域剪切變形的發展趨勢與試驗現象相吻合。

圖10 剪力-剪切變形曲線

試驗參數影響規律為：1）鋼套箍延伸高度增加減輕了節點上下柱端混凝土損傷，使得節點域剪切變形發展更為充分；2）增大軸壓比加快了節點域剪切變形發展，導致節點較早發生破壞，不利於「強節點」的實現；3）提高芯部混凝土強度能有效減少節點域剪切變形，提高節點剛度和承載能力；4）鋼套箍厚度對節點域剪切變形影響較大，增加鋼套箍厚度可有效減小節點域剪切變形，提高節點抗震性能。

3.3 數值模擬分析

建立了節點精細化三維數值模型，研究了節點全過程受力機理和關鍵參數對節點受力性能的影響[1]，模擬結果如圖11所示。柱身以彎曲裂縫為主，加載後期向柱中軸線斜向發展，鋼套箍上下柱端混凝土受壓損傷破壞，芯部混凝土與預製混凝土管協同工作性能良好，最終破壞模式為節點域剪切破壞，與試驗現象吻合；在往復荷載作用下，鋼套箍屈服拉壓應力帶和核心區混凝土斜壓杆機構共同抵抗節點剪力。

3.4節點受剪機理與受剪承載力計算

根據對試驗現象、破壞形態和數值模擬等結果進行分析，可知該類型節點的受力機制為節點域鋼套箍腹板「剪力牆」機構和混凝土斜壓杆機構的綜合作用（圖12）。節點域混凝土應力傳遞機制如圖13所示。

節點域受剪承載力主要由鋼套箍腹板受剪承載力和混凝土斜壓杆受剪承載力兩部分組成，混凝土受剪承載力部分取混凝土斜壓杆極限抗壓強度的水平分量，考慮預製混凝土管和芯部混凝土強度差異，推導得到預製混凝土管組合柱-鋼樑節點受剪承載力計算式：

按式（1）計算所得的節點受剪承載力計算值與試驗值之比的平均值為0.89，變異係數為0.03，計算值與試驗值吻合較好（圖14）。

預製混凝土管組合柱-鋼樑裝配式混合框架結構體系結合現有成熟的離心生產工藝，兼顧結構性能、施工效率和經濟性，符合建築產業化發展要求，具有預製柱構件標準化程度高、節點質量可靠、裝配施工效率高等特點，在停車樓、宿舍、辦公樓、工業廠房等民用和工業建築中具有廣闊的應用前景。目前，該體系已在多個項目中成功應用（圖15），取得了良好的經濟和社會效益。

參考文獻：

[1] 張錫治,李星乾,章少華,等. 預製混凝土管組合柱-鋼樑節點核心區受力性能分析[J].天津大學學報(自然科學與工程技術版)，2022，55(4):428-440.

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微信編輯：郝麗妍