基于快速建造的裝配式混凝土框架結構關鍵技術研究

高 羽（北京萬興建筑集團有限公司，北京 102600）

傳統的現澆混凝土建筑需要較長的施工周期，生產管理和技術水平落后，建造過程產生大量的環境污染，成為制約建筑業轉型升級的重要障礙。裝配式是實現建筑工業化、信息化和智能化的最重要途徑，受到政府和建筑企業的大力推廣，是高質量和高水平建造的主流模式[1]。盡管如此，現階段的裝配式框架結構設計方法仍基于傳統的框架梁柱塑性鉸破壞的設計方法，沒有體現裝配式構件節點的特異性要求。同時，裝配式建筑在施工過程中最大的痛點是實現結構的快速施工與結構連接節點之間安全的平衡，并且還需保持建造速度和成本的優勢[2]。為此，在建造安全、快速施工和成本可控的高效率拼裝目標導向下，研究裝配式混凝土框架結構快速建造施工具有十分重要的意義[3-5]。

本文以北京市某高層建筑為研究對象，在研究裝配式建筑施工技術工藝的基礎上，提出一種在框架柱截面核心設置FRP約束薄壁混凝土芯柱的組合柱新型快速裝配施工方法，并運用室內試驗方法建立了物理模型對組合柱的特早齡期進行測試。

1 工程概況

北京市某高層建筑小區為政府民生工程，項目占地面積為21760m2，總建筑面積為66868m2。項目設置地下1層，層高為3.4m，現澆混凝土結構；地上18層，建筑高度達到67m。高層建筑共由10棟組成，其中4#～7#為剪力墻結構，1#～3#、8#為框架結構，9#～10#為全預制裝配式整體式鋼筋混凝土框架結構體系。預制預應力板采用先張法生產工藝，混凝土強度等級為C40，受力主筋為螺旋肋鋼筋，分布筋為圓8 二級鋼筋；預應力梁采用先張法生產工藝，混凝土強度等級為C40，受力主筋為低松弛標準型鋼絞線，箍筋為普通鋼筋；預應力柱為鋼筋混凝土方形柱，邊長為450mm，混凝土強度等級為C40，多層預制柱之間設置斜向鋼筋用于保證運輸和施工階段的承載力及剛度要求。

2 裝配式混凝土框架結構快速施工技術

目前，大多數的裝配式建筑項目裝配率和裝配范圍并不是由于技術驅動下的市場選擇，不能反映裝配式建造的本質要求，裝配效率往往受到政策導向和項目屬性的客觀條件控制，無法達到高效建造的目標[6]。在技術驅動下的裝配式框架結構建筑快速建造，其主要的控制條件是充分挖掘縮短框架柱裝配周期的核心影響因素，比如加大施工作業空間和改善作業環境，提高框架柱節點特早齡期的承載力，減少豎向構件支撐輔助設施的數量[7-8]。

在裝配式框架結構施工中，施工內容包括預制柱體的安裝、預制梁體的安裝、預制樓板的安裝、預制墻體的安裝、預制樓梯、陽臺等附件安裝。其中，預制柱體和梁板的安裝是控制施工建造效率的關鍵工序，整個施工效率不僅取決于各個工序的組織時間，也取決于柱體和梁體的節點裝配特早齡期承載性能，預制柱體的施工效率決定了整體施工效率的上限，而預制梁板的施工效率則決定了整體施工效率的下限。裝配式混凝土框架結構的施工流程大致分為步序1：將預制構件運輸至現場→步序2：借助豎向起吊裝備安裝柱體以及梁柱節點預制件→步序3：安裝柱體的裝配節點模板以及支持系統→步序4：柱體裝配節點混凝土的灌注→步序5：安裝預制梁板，綁扎暗梁鋼筋→步序6：澆筑梁裝配節點和樓板暗梁混凝土→步序7：上一層柱體和梁柱節點的安裝施工直至完成，如圖1所示。

圖1 裝配式混凝土框架結構施工工藝流程

從圖1可以看出，為了加快裝配式結構的安裝效率，同時保證施工過程中結構狀態保持穩定和具有較高的施工承載力，挖掘節點特早齡期強度是最為重要的途徑之一。一般通過增強材料的組合來約束柱體結構的節點，達到提高鋼筋混凝土預制柱裝配節點特早齡期軸壓承載力的目的。因此，基于提高裝配式混凝土柱早期強度的快速建造思路，本文提出一種新型的柱體快速裝配施工方法，即在框架柱截面核心設置FRP約束薄壁混凝土芯柱的組合柱，如圖2所示。該新型快速裝配式施工方法通過結合FRP纖維布的高抗拉強度、高彈性模量與鋼材的高抗壓強度、高延性的力學屬性，可以在框架柱周圍配置縱向鋼筋、輔助定型模板等，達到改變芯柱截面尺寸、約束效應和增加混凝土強度的目的。

圖2 裝配式混凝土框架結構柱快速施工方案

3 裝配式混凝土框架結構快速施工技術室內試驗研究

3.1 FRP約束薄壁混凝土芯柱的組合柱模型軸壓性能試驗

為了測試提出的FRP約束薄壁混凝土芯柱的組合柱在早期的力學性能，運用室內的單調加載抗壓試驗對不同齡期的試件進行抗壓強度測試。試驗所用的材料與實際工程一致，試驗模型尺寸按1:5 的比例縮小，如圖3所示。試驗選用的材料為Q235 鋼，鋼管壁厚為2mm，屈服抗拉強度為232MPa，極限抗拉強度為335MPa，彈性模量為208GPa，泊松比為0.2；選用的FRP纖維布規格為ICXS-300g，彈性模量為232GPa，抗拉強度為3425MPa，極限應變為1.63%，名義厚度為0.167 mm。

圖3 FRP約束薄壁混凝土芯柱的組合柱物理試驗模型

單軸抗壓強度試驗設備采用500t 三思多功能CMT5305 電液伺服試驗機，軸向壓力采用300t 壓力傳感器采集，軸向位移采用50mm 行程應變片進行采集，數據采集系統為DH3815 動態型號測試分析系統。試驗模型考慮了齡期對力學性能的影響，分別制作了齡期1d的試件（試件A）、齡期7d的試件（試件B）、齡期28d的試件（試件C），所有試件的FRP碳纖維層數為1層。

3.2 FRP約束薄壁混凝土芯柱的組合柱特早齡期柱軸承載性能分析

圖4為不同齡期FRP 約束薄壁混凝土芯柱的組合柱試驗模型荷載-位移曲線。從圖4可以看出，不同齡期FRP約束薄壁混凝土芯柱的組合柱試驗模型荷載隨著位移的變化規律存在明顯區別。齡期為1d 的試件，試件荷載呈現明顯的5 個受力變化階段，在位移1.18mm之前，荷載和位移呈現等比例變化，該階段為試件的彈性變形階段，彈性階段的承載力為218.48kN；而位移在1.18mm～12.39mm之間時，荷載和位移呈現非線性增加的趨勢，荷載在位移為12.39mm時得到峰值，為425.77kN；位移在12.39mm～13.76mm之間，荷載隨著位移的增加呈現突然下降的趨勢；位移在13.76mm～26.39mm 之間時，位移的增加對荷載的影響不大，荷載維持在一個恒定值，表明試件已經出現滑移；位移大于26.39mm 時，荷載隨著位移的增加有所提升，該提升的荷載部分為FRP纖維布對混凝土部分提供的約束力。

圖4 不同齡期試驗模型荷載-位移曲線

齡期7d 的試件，試件荷載呈現明顯的4 個受力變化階段，位移在2.05mm 以內，荷載和位移呈現等比例變化，該階段為試件的彈性變形階段，彈性階段的承載力為296.68kN；而位移在2.05mm～6.66mm之間時，荷載和位移呈現非線性增加的趨勢，荷載在位移為6.66mm時得到極大值，為378.66kN；位移在6.66mm～11.70mm之間，荷載隨著位移的增加呈現逐步減小的趨勢，在11.70mm 位置處出現荷載極小值，為350.77kN；位移在11.70mm～18.67mm 之間時，荷載隨著位移的增加有所逐步提升，該提升的荷載部分為FRP 纖維布對混凝土部分提供的約束力，極限荷載為453.86kN。總體而言，齡期3d試件的極限位移約為齡期7d的60%。

齡期28d的試件，試件的荷載呈現明顯的4個受力變化階段，位移在2.80mm 以內，荷載和位移呈現等比例變化，該階段為試件的彈性變形階段，彈性階段的承載力為540.38kN；而位移在3.05mm～6.22mm之間時，荷載和位移呈現近線性降低的趨勢，荷載在位移為6.62mm 時得到極小值，為469.40kN；位移在6.22mm～25.21mm 之間，荷載隨著位移的增加呈現波動式變化；位移在25.21mm處，荷載出現陡降，試件破壞失效。

綜合比較不同齡期FRP約束薄壁混凝土芯柱的組合柱彈性階段的荷載最大值可知，3d齡期試件、7d齡期試件的荷載分別為218.48kN、296.68kN，分別占28d 齡期試件荷載（540.38kN）的40.5%、54.9%，試件柱截面的應力分別為29.7MPa、33.5MPa，3d齡期的柱體承載力即可滿足上部框架結構繼續施作的承載力要求工期，達到了快速化施工和縮短工期的目的。

4 結語

以北京市某高層住宅項目為研究對象，提出一種在框架柱截面核心設置FRP約束薄壁混凝土芯柱的組合柱新型快速裝配施工方法，并運用室內試驗方法建立了物理模型對組合柱的特早齡期進行測試，得到以下結論：

（1）預制柱體和梁板的安裝是控制施工建造效率的關鍵工序，提高預制柱體裝配節點特早齡期承載性能決定了整體施工效率的上限，而預制梁板的施工效率則決定了整體施工效率的下限。

（2）不同齡期FRP 約束薄壁混凝土芯柱的組合柱試驗模型荷載隨著位移的變化規律存在明顯區別，齡期為1d 的試件荷載呈現明顯的5 個受力變化階段，齡期為7d和28d的試件荷載則呈現4個受力變化階段。

（3）室內試驗表明，FRP約束薄壁混凝土芯柱的組合柱彈性階段3d 齡期試件、7d 齡期試件荷載分別為218.48kN、296.68kN，分 別 占28d 齡 期 試 件 荷 載（540.38kN）的40.5%、54.9%，試件柱截面的應力分別為29.7MPa、33.5MPa，3d齡期的柱體承載力即可滿足上部框架結構繼續施作的承載力要求工期，達到了快速化施工和縮短工期的目的。