部分預制裝配型鋼混凝土柱的承載性能綜述

程冬冬 沈新昊

摘 要：從目前建筑業的發展趨勢展望，當代社會的需求決定了技術的發展方向。在一些橋梁建筑和大型高層建筑中，傳統鋼筋混凝土柱耗費大量的資源，工程工期長、造價高，而且本身性能不能夠滿足建筑的承載要求。全預制鋼筋混凝土柱已經進入建筑行業的視野，裝配式型鋼混凝土柱結構逐漸應用于實際建筑和工程實踐中。但是，由于有些構件太大，不能完全預制和運輸至施工現場，所以采用局部預制的方式進行裝配，這種構件形式可以有效減少現場施工工序，解決全預制型鋼混凝土柱整體性差、抗震性能不足的關鍵問題，促進型鋼混凝土柱的工業化預制工藝的發展。然而這種部分預制裝配式鋼混凝土柱的承載性能還有待提高。因此，文章對部分預制裝配型鋼混凝土柱的承載力研究進行了綜述，通過全面分析，展望了部分裝配式鋼骨混凝土柱的發展前景和未來趨勢。

關鍵詞：型鋼混凝土柱;試驗研究;有限元分析;火災后偏壓試驗

中圖分類號：TU741.2文獻標識碼：A文章編號：1674-1064（2021）08-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.08.010

由于建筑空間大，現有的預制混凝土柱連接性能差，施工工藝復雜，傳統的混凝土柱結構對鋼筋和混凝土結構有著嚴格的要求，現有的技術已不能滿足當前建筑業的需要。PPSRC柱不僅作為一種新型的預制混凝土柱結構，可以提前預制并運至施工現場吊裝。但該構件的施工工藝復雜、結構連接復雜、造價高昂等原因，制約了部分預制裝配型鋼混凝土柱的推廣應用。處于學術前沿的學者不斷研究其承載力，其理論依據用于工程應用，從而推動建筑產業化發展。目前，PPSRC柱是建筑技術行業的前沿技術，在市場上還沒有得到廣泛應用，相關研究也沒有一個完整的理論體系。

1 綜述

進入21世紀，世界各國加強了對預制構件發展的聯系與交流。2012年，模型規范（MC 2010）建立了預制混凝土結構的完整生命周期設計方法。目前，預制混凝土結構在許多國家得到了廣泛的應用，特別是在歐美等發達國家。近年來，許多國內高校和研究機構致力于預制新型結構的研究，對結構和構件進行了大量的理論試驗研究，并取得了相關的研究成果和研究數據。

2015年，楊勇研究出一種新型預制裝配型鋼混凝土結構構件。主要施工方法是將型鋼混凝土構件的主要部位（梁、柱、剪力墻等）事先預制好，運至施工現場安裝后再澆筑部分混凝土，形成部分預制的型鋼混凝土構件。

2016年，安徽建筑大學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，對螺栓連接進行了分析，研究了螺栓連接的破壞變形、滯回曲線、應力應變等，證明該連接方式使得裝配式型鋼混凝土結構抗震性能有所提高[1]。

2017年，張錦濤等人通過9個部分預制型鋼混凝土構件的靜載剪切試驗，分析了部分預制型鋼混凝土構件的破壞形式、荷載—撓度曲線、材料荷載—應變曲線和延性系數。不僅證明了試件的延性良好，還分析了預制殼強度和剪跨比對實心和空心PPSRC構件抗剪承載力的影響規律，提出了適合該構件的抗剪承載力計算公式，可以更準確地預測部分預制型鋼混凝土構件的抗剪承載力[2]。

2018年，張林對9根PPSRC短柱標準火后軸心受壓承載力和1根PPSRC柱室溫軸心受壓承載力進行了試驗研究，觀察了試驗現象，分析了荷載—變形曲線，試驗宏觀現象和特征，采用有限元方法研究了標準火災后PPSRC軸心受壓短柱的破壞機理和破壞模式，研究了混凝土內部強度和箍筋間距對實心和空心PPSRC柱溫度場分布和破壞現象的影響，并對其殘余承載性能進行了分析，得到了火災后試件的延性系數和剛度退化規律[3]。

2018年，龔志超及其同事通過對6根PPSRC柱火災后的偏心受壓靜載試驗和1根PPSRC柱的室溫偏心受壓試驗，研究了加熱時間、偏心率和核心混凝土類型對PPSRC柱火災破壞模式的影響。結果表明，火災后PPSRC柱表面混凝土不發生破裂，活性粉末混凝土保護型鋼，但PPSRC柱的剩余承載力會隨著偏心距和加熱時間的增加而降低，所以該構件火災后偏心抗壓性能優越，有較好的整體穩定性[4]。

2019年，林夏如對8根PPSRC實心柱和2根PPSRC空心柱進行軸壓試驗，根據其破壞、應變和軸變的曲線規律，研究對混凝土內部強度、PPSRC柱軸壓性能的影響因素[5]。

2019年，陳陽博士對18根PPSRC柱進行了軸壓性能試驗，重點研究了現澆混凝土內強度、箍筋間距、鋼筋混凝土強度等關鍵參數對軸心受壓性能的影響，通過ABAQUS有限元分析軟件研究了軸壓性能的影響因素。結合現有規范，基于疊加法，建立了PPSRC柱軸壓承載力計算公式。同時，通過軸壓比試驗驗證了軸壓比限值的準確性，最后給出了PPSRC柱軸壓比的推薦限值;通過對PPSRC柱壓剪性能的試驗研究，得出了PPSRC柱斜截面抗剪承載力計算方法[6]。

2019年，楊勇、陳陽等人對7個試件進行靜載試驗，收集PPSRC構件的破壞過程、剪位移曲線和剪應變曲線的數據，了解該構件的破壞機理和受剪性能。試驗結果表明，部分型鋼混凝土預制構件受到斜壓破壞和剪壓破壞，預制構件與現澆混凝土可以較好連接。在PPSRC柱的抗剪承載力計算公式中，應考慮剪跨比的影響。部分預制裝配型鋼混凝土柱構件抗剪承載力計算公式可為構件的設計提供一定依據[7]。

到目前為止，楊勇團隊對部分預制裝配型鋼混凝土柱的承載性能深入研究，并取得了突破性結論，為該新型柱構件在工程中應用的可行性提供理論支持[8-12]。

目前，國內還有許多研究團隊正熱衷于對部分預制裝配型鋼混凝土柱的承載性能研究，不斷涌現出當代建筑行業的拼搏熱情。

2 鋼混凝土柱結構的特點及裝配式型鋼混凝土柱部分預制的原因

2.1 全現澆型鋼混凝土柱結構特點

施工工序復雜，現場需綁扎鋼筋、支模板、拆模板、潮濕作業等作業，施工難度大，工程進度較慢、成本和能耗較高，不符合綠色施工理念。該構件的變形能力、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。構件選材為鋼筋、混凝土，較為單一，整體造價較高，設計方案固定。構件全預制混性能存在振搗不實、混凝土強度不足、鋼筋錯位、型鋼移位、節點核心區箍筋配置不足等施工質量問題，施工質量不易控制。傳統施工中，鋼筋混凝土柱全部為現場澆筑，混凝土外觀質量和效果很難保證且不易控制。

2.2 全預制型鋼混凝土結構特點

全預制裝配SRC柱整體澆筑工藝比較復雜，現有技術尚存在不足，故存在整體不連續性、結構不穩定性、抗震性能和抗連續倒塌性能不足等問題。

全預制裝配SRC柱的自重大、大型運輸和吊裝設備需求大，整體裝配現場安全不能確保，且全預制成本高、安裝成本高、運輸成本高。

全預制裝配SRC柱施工過程中，現場連接工序較多、連接構造復雜、連接質量要求高且不易保證。

2.3 部分預制裝配型鋼混凝土柱結構的特點

優點：承載性能高;抗震效果好;抗火、抗腐蝕能力強;經濟性好，在同截面尺寸情況下，可以經濟合理地配置更多的材料，減少鋼的用量;柱構件抗彎、變形性能好;自重輕，承載力高，不需內部支模，提升施工速度，減小施工現場結構裝配難度。

缺點：自重大，運輸吊裝困難，造價高;連接復雜，結構完整性難以保證;易開裂;鋼筋與混凝土界面粘結能力不足，易滑移;施工時要求混凝土骨料粒徑，現澆質量不易控制;若構件同時存在型鋼和鋼筋，澆筑施工較困難。

2.4 裝配式型鋼混凝土柱局部預制原因分析

原先預制型鋼混凝土結構的受力構件在工廠內整體預制，然后運輸吊裝，但是存在明顯的缺點，導致其推廣應用受到限制。型鋼混凝土柱主要用于高層建筑和大跨度建筑，該構件截面尺寸往往較大，構件重量較重，對吊裝設備的噸位要求高，構件吊裝難度大，施工綜合成本高。預制型鋼混凝土構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，預制型鋼混凝土構件間傳力機理復雜，連接質量不易保證。目前，國內外僅多層建筑采用預制型鋼混凝土結構，但在高層建筑和超高層建筑中應用并不廣泛，對于超高層建筑或強震強風地區的高層建筑，預制型鋼混凝土柱的完整性要求很難滿足。所以，在全預制型鋼混凝土柱的基礎上，提出了部分預制型鋼混凝土柱的設計思想。部分預制裝配型鋼混凝土柱（partially prefabricated steel reinforced concrete column，PPSRC柱）是指在工廠預制型鋼混凝土柱外殼，施工現場吊裝、裝配并完成現澆部分混凝土澆筑的型鋼混凝土柱構件。這些復雜構件由工廠預制、澆筑、養護，大部分采用機械施工，提高了施工安全性，縮短了工期，解決了施工難度大、工期長、構件過大、過重、不利于運輸和吊裝等問題，符合綠色環保和產業化的要求。新構件采用預制連接技術，改善了結構整體性差的問題，保證了預制型鋼混凝土柱的連通性，增加了建筑物的使用空間。部分預制結構已成為一種不可缺少的科學生產力，節省了大量資源，建筑業也迎來了一次創新和超越。

3 PPSRC柱承載性能總結及工程應用可行性

近十年來，國內外許多專家學者對部分預制裝配型鋼混凝土柱的承載性能進行了大量的試驗研究，提出了各種特征承載力計算方法，一些計算方法已列入各國規范并沿用至今。文章提出用部分預制裝配鋼骨混凝土柱代替傳統的鋼筋混凝土柱，解決了預制型鋼混凝土柱構件的缺點，型鋼混凝土結構有優越的力學性能和預制施工方便的優點，人們可以通過操作機器來高效地工作。部分企業已開始采用工廠預制拼裝的具體方式和方案，但尚未推廣。筆者通過對目前預制構件的制作和數據分析以及現有理論專利技術，對PPSRC柱的承載性能進行了試驗研究，證明了PPSRC柱的合理性和經濟性。研究了PPSRC柱的火災后偏心、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，通過諸多研究數據的分析，性能的比較，該新型柱構件具有良好的承載性能。研究結果表明：在軸壓作用下，PPSRC柱與SRC現澆柱的破壞模式相當，可以認為PPSRC柱的力學性能與現澆混凝土柱性能相當，故PPSRC柱在工程中的應用具有可行性。綜上所述，與全現澆型鋼混凝土結構和全預制型鋼混凝土結構相比，PPSRC柱在施工性能、力學性能、材料應用等方面都有顯著提高，符合國家行業標準《裝配式混凝土結構技術規程》（JGJ1-2014）等強調預制與現澆結合的規定，可廣泛應用于各類建筑結構中，是一種具有良好推廣應用前景的新型綠色建筑結構體系。

4 PPSRC柱的未來展望

這種新型結構能很好地保留型鋼混凝土結構顯著的性能優勢，彌補施工難度大、工期長的缺陷，滿足綠色環保和產業化的要求;還可以解決預制型鋼混凝土結構構件過大、過重，不利于運輸和吊裝的問題，改善結構整體性差的問題。

國家近幾年大力推動BIM技術在建筑中的應用，也注重裝配式建筑視角下BIM協同型人才培養[13]。BIM技術的應用為裝配式建筑設計提供了強有力的技術支持，有效解決了預制構件與專業沖突的問題。國家可以規定部分預制裝配型鋼骨混凝土柱構件的標準，生產廠家可以在施工前提前批量生產、養護好型鋼混凝土柱，高效優質地建設好工程。對部分預制裝配型鋼混凝土柱，該裝配式建筑要做到信息集成，使得該新型構件設計標準化、構件工廠化、施工裝配化、裝修一體化。這就為部分預制裝配型鋼混凝土柱提供了成熟的技術支持，國家也鼓勵建筑行業發展，國內相關的技術和專利也不斷涌現。PPSRC柱有利于提高工程效率，節約資源，提高建筑質量，符合我國建筑產業化的發展要求，說明PPSRC柱有著良性的發展趨勢和未來前景。

參考文獻

[1] 姜效亭.裝配式型鋼混凝土柱連接處抗震性能研究與應用[D].合肥：安徽建筑大學，2016.

[2] 張錦濤.部分預制裝配型鋼混凝土構件斜截面受剪承載能力試驗與理論研究[D].西安：西安建筑科技大學，2017.

[3] 張林.部分預制裝配型鋼混凝土柱火災后軸壓性能試驗研究[D].西安：西安建筑科技大學，2018.

[4] 龔志超.部分預制裝配型鋼混凝土柱火災后偏壓性能試驗研究[D].西安：西安建筑科技大學，2018.

[5] 林夏如.部分預制裝配型鋼混凝土柱軸壓性能試驗研究[D].西安：西安建筑科技大學，2019.

[6] 陳陽.部分預制裝配型鋼混凝土柱基本受力行為與設計理論研究[D].西安：西安建筑科技大學，2019.

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[8] 張文松.部分預制裝配型鋼混凝土柱偏心受壓性能及承載力試驗研究[D].西安：西安建筑科技大學，2019.

[9] 薛亦聰.部分預制裝配型鋼混凝土柱抗震性能與設計方法研究[D].西安：西安建筑科技大學，2020.

[10] 楊勇，謝蕓陽，于云龍，等.部分預制裝配型鋼混凝土柱受火后軸壓性能試驗研究[J].建筑結構學報，2021，42（9）：91-100.

[11] 楊勇，魏博，薛亦聰，等.部分預制裝配型鋼混凝土柱火災后偏壓試驗研究[J].工程力學，2020，37（3）：108-119.

[12] 張樹琛，楊勇，薛亦聰，等.部分預制裝配型鋼混凝土短柱抗震性能試驗研究[J].工程力學，2020，37（10）：179-191.

[13] 李恒.裝配式建筑視角下BIM協同型人才培養研究[J].中國房地產業，2019（1）：253.