基于超高性能水泥基材料的預制裝配式框架結構體系創(chuàng)新研究

劉陽陽 鄭七振 龍莉波 馬躍強 陳 剛 章 誼

1. 上海理工大學土木工程系 上海 200093；2. 上海建工二建集團有限公司 上海 200080

裝配式混凝土框架結構是指由部分或全部預制混凝土梁、柱通過可靠的連接方式裝配而成的混凝土框架結構[1]。構件的裝配方法一般有現(xiàn)場后澆疊合層混凝土、鋼筋錨固后澆混凝土連接等，鋼筋的連接形式采用最多的有灌漿套筒連接、漿錨搭接和直接搭接等做法。

與現(xiàn)澆混凝土結構相比，預制混凝土結構具有提高生產(chǎn)效率、保證施工質(zhì)量、降低工人勞動強度、縮短工期、節(jié)約能源和保護環(huán)境等諸多優(yōu)點，能有效地減少建筑垃圾及施工對環(huán)境造成的不良影響。因此，裝配式建筑結構是我國建筑結構發(fā)展的重要方向之一。

裝配式混凝土框架結構在裝配式建筑中占有很大的比重。但是，傳統(tǒng)的裝配式框架結構體系發(fā)展至今仍存在著諸多問題：

1）節(jié)點是影響預制混凝土框架結構抗震性能的主要因素[2]，而國內(nèi)傳統(tǒng)的節(jié)點連接方法相較于現(xiàn)澆混凝土框架結構節(jié)點受力性能反而有所削弱，與現(xiàn)有的“強節(jié)點、弱構件”設計理念相悖。

2）套筒灌漿連接和漿錨搭接連接（圖1）存在施工難度大、施工質(zhì)量要求較高及沒有有效的檢測方法等一系列的問題，嚴重制約著裝配式混凝土建筑的推廣和發(fā)展。所以，安全可靠、易操作且節(jié)材環(huán)保的預制構件節(jié)點連接方式是裝配式混凝土框架的研究重點。

3）梁柱節(jié)點處鋼筋較為密集，由于普通混凝土自身流動性較小，且粗集料的直徑較大，節(jié)點后澆段施工技術要求高，在澆筑過程中密實性難以得到保證。

圖1 預制構件鋼筋連接形式

超高性能混凝土（UHPC）材料是一種活性粉末混凝土（RPC）和小體積短鋼纖維材料的混合物材料，不僅繼承了RPC的優(yōu)異性能，而且還具備改進纖維的特性，具有超高強度、超高韌性、超高抗開裂能力和超高耐久性等一系列優(yōu)點，使其成為了橋梁、存儲大廳、薄壁殼體結構和其他抗震基礎設施的理想建筑材料，因此UHPC材料在建筑行業(yè)存在巨大的潛能[3]。

本文提出的把各項性能均優(yōu)異的UHPC材料用于裝配式建筑結構中，可以解決傳統(tǒng)裝配式建筑存在的各項問題。

1 前期試驗

鄭七振等[4-7]對裝配式建筑結構做了一系列的前期研究：鋼筋埋長對超高性能混凝土與鋼筋黏結性能的影響、以UHPC材料連接的預制裝配梁受彎性能試驗研究、以UHPC材料連接的預制柱抗震性能試驗研究及以UHPC材料連接的裝配式框架邊節(jié)點抗震性能試驗研究，為UHPC材料在預制裝配式建筑中的廣泛應用提供了有價值的數(shù)據(jù)參考。試驗使用的UHPC材料為上海羅洋新材料科技有限公司的Tenacal T180型號材料。

研究表明：UHPC材料與高強鋼筋黏結強度的中心拉拔試件的合理錨固長度取4d（d為構件橫截面最大受力鋼筋直徑）；當搭接長度為10d時，UHPC裝配梁在承載能力、變形能力上與混凝土整澆梁在同一水平范圍內(nèi)，性能基本相當；UHPC裝配柱在搭接長度為10d時的耗能能力已經(jīng)與混凝土整澆試件基本一致，可代替整澆及灌漿套筒等施工工藝；搭接長度為10d的UHPC裝配式邊節(jié)點與整澆混凝土節(jié)點試件具有相當?shù)目拐鹉芰?，且UHPC材料對鋼筋具有良好的黏結能力；在上述的試驗研究過程中，構件在UHPC材料后澆段均未出現(xiàn)裂縫。

綜上所述可知，當受力鋼筋的搭接長度為10d時，已能夠滿足工程要求。

本試驗基于前期一系列的研究做進一步的探究，通過擬靜力試驗來評價基于UHPC在裝配式框架結構中連接節(jié)點方案的受力能力和抗震性能。這種連接方式實現(xiàn)鋼筋的短連接及搭接形式，為裝配式工程帶來巨大的施工便利和經(jīng)濟效益。

2 新型預制裝配式框架結構體系研究

2.1 新型裝配式結構框架體系的提出

為改進國內(nèi)現(xiàn)有裝配式建筑結構體系存在的問題，基于前期的試驗研究提出了一種新型的預制裝配式框架結構體系。

此方案主要基于以下幾方面考慮：

1）框架節(jié)點核心區(qū)受力較為復雜，而UHPC材料具有超高強度、超高韌性、超高抗開裂能力等一系列的優(yōu)異的力學性能。因此，把UHPC材料用在節(jié)點核心區(qū)，利用UHPC材料承受剪力、彎矩等復雜應力，能有效地提高裝配式框架的承載力和抗震能力，使裝配式框架結構實現(xiàn)真正的“強節(jié)點、弱構件”設計理念。

2）UHPC材料和鋼筋之間具有較好的黏結性能，本體系繼續(xù)采用鋼筋搭接的連接形式，取搭接長度為10d，實現(xiàn)了鋼筋的短連接?？蚣躑HPC材料用量少、構造簡單，不僅取消了施工難度較大的灌漿套筒及漿錨搭接等鋼筋連接方法，還減少了節(jié)點處的鋼筋用量，解決了施工難度大、施工質(zhì)量不易檢測等一系列的連接問題。

3）UHPC自身具有自流平、自密實、易澆筑、易振搗等性能，能更好地解決節(jié)點處鋼筋密集、混凝土澆筑不易密實的問題，也為把UHPC材料用于連接裝配式框架結構節(jié)點提供新的思路。

新型預制裝配式框架結構體系由預制柱、梁通過UHPC材料在節(jié)點處后澆連接形成整體框架（圖2）。預制構件全部為一維構件，便于預制及運輸；鋼筋連接為短連接搭接形式；節(jié)點強度高，易施工且安全可靠。

圖2 新型裝配式框架示意

2.2 施工方式

梁柱節(jié)點鋼筋采用搭接的連接形式，搭接長度為10d，采用UHPC材料澆筑來應對各種復雜應力（圖3）。

圖3 裝配式框架節(jié)點后澆段示意

地下室部分施工結束后開始組裝上部裝配式結構。首先吊裝底層預制柱，用UHPC材料澆筑柱底后澆段；然后吊裝底層預制梁，用UHPC材料澆筑底層梁柱節(jié)點，節(jié)點處可使用傳統(tǒng)的搭設支架和模板的方式進行施工[8]。其中預制部分與后澆段接觸面應設置鍵槽及粗糙面，節(jié)點后澆段第1次澆筑和第2次澆筑結合面應設粗糙面，鍵槽和粗糙面的尺寸及做法應符合行業(yè)標準JGJ 1—2014《裝配式混凝土結構技術規(guī)程》。按照此順序逐次吊裝預制構件并澆筑后澆段，最后完成封頂及其他部分施工。

預制柱及節(jié)點后澆段可根據(jù)實際施工條件進行調(diào)整。預制柱可以做成“兩層一根”或者“多層一根”，節(jié)點后澆段施工即可一次澆筑完成，既減少了后澆段長度和UHPC材料用量，提高了預制裝配率，又有效地提高了施工效率。同樣，預制梁也可做成連跨梁，節(jié)點處受力鋼筋貫穿即可。

3 結語

本文提出了目前國內(nèi)傳統(tǒng)裝配式建筑結構連接方式存在的一些問題，基于前期試驗研究，提出了以UHPC材料連接預制裝配式框架節(jié)點的新型裝配式框架體系，解決了傳統(tǒng)裝配式結構體系存在的諸多問題。

1）UHPC材料搭接連接的優(yōu)勢：實現(xiàn)了鋼筋短連接（搭接長度為10d）、應用范圍廣、施工簡單、施工質(zhì)量檢測方便和節(jié)點混凝土易振搗。

2）本結構體系的優(yōu)勢：預制構件全部為一維構件，節(jié)點強度高，節(jié)點處鋼筋直錨，鋼筋短連接，混凝土易澆搗、易密實，施工質(zhì)量易檢測。