基于超高性能水泥基材料的預制裝配式框架結構體系創新研究

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。

與現澆混凝土結構相比，預制混凝土結構具有提高生產效率、保證施工質量、降低工人勞動強度、縮短工期、節約能源和保護環境等諸多優點，能有效地減少建筑垃圾及施工對環境造成的不良影響。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，傳統的裝配式框架結構體系發展至今仍存在著諸多問題：

1）節點是影響預制混凝土框架結構抗震性能的主要因素[2]，而國內傳統的節點連接方法相較于現澆混凝土框架結構節點受力性能反而有所削弱，與現有的“強節點、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展。所以，安全可靠、易操作且節材環保的預制構件節點連接方式是裝配式混凝土框架的研究重點。

3）梁柱節點處鋼筋較為密集，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材料在建筑行業存在巨大的潛能[3]。

本文提出的把各項性能均優異的UHPC材料用于裝配式建筑結構中，可以解決傳統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據參考。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，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裝配式邊節點與整澆混凝土節點試件具有相當的抗震能力，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點方案的受力能力和抗震性能。這種連接方式實現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

為改進國內現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）框架節點核心區受力較為復雜，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異的力學性能。因此，把UHPC材料用在節點核心區，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真正的“強節點、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，本體系繼續采用鋼筋搭接的連接形式，取搭接長度為10d，實現了鋼筋的短連接。框架UHPC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，還減少了節點處的鋼筋用量，解決了施工難度大、施工質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點，節點處可使用傳統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標準JGJ 1—2014《裝配式混凝土結構技術規程》。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。

預制柱及節點后澆段可根據實際施工條件進行調整。預制柱可以做成“兩層一根”或者“多層一根”，節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，節點處受力鋼筋貫穿即可。

3 結語

本文提出了目前國內傳統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點的新型裝配式框架體系，解決了傳統裝配式結構體系存在的諸多問題。

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

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