部分预制装配型钢混凝土结构

第1章 绪论 1.1 研究背景 近二十年来，我国高层建筑的建设规模位居世界前列，在建筑高度不断增加的同时，建筑体型也越加复杂，且多向大跨及重载方向发展，从而使构件承受的荷载越来越大[1]。为了减小传统钢筋混凝土(reinforced concrete，RC)构件的截面面积以扩大建筑的实际使用面积，钢-混凝土组合结构逐渐成为高层及超高层建筑结构较多选用的承重及抗侧力结构形式[2-11]。 如图1.1所示，作为钢-混凝土组合结构中一种重要的结构形式，由于在传统RC结构中配置了型钢，型钢混凝土(steel reinforced concrete，SRC)结构具有承载力高、轴向和抗侧刚度大与变形性能好等优点。同时SRC构件中型钢包裹在混凝土中，有效解决了传统钢结构建筑中的防火、防锈蚀及局部稳定性等问题。 图1.1 SRC框架结构 综上所述，与RC结构相比，SRC结构优势如下[2-11]： (1)承载力高。由于在截面内部配置了型钢，在相同截面尺寸条件下，SRC构件的承载力相比RC构件显著提高，可以有效减小构件的截面面积。在高层及超高层建筑中，梁、柱构件截面面积的减小可以有效增加建筑使用面积和层高，产生良好的建筑使用效果和经济效益。 (2)施工速度快。如图1.2所示，在混凝土未浇筑成型之前，SRC构件中的型钢已连接形成型钢骨架，型钢骨架可以在施工时作为承重构件，承受模板与其他施工荷载。同时，相比采用RC结构的高层建筑，采用SRC结构的高层建筑不必等待混凝土达到预定强度即可继续进行上层结构施工，使工期进一步缩短。 图1.2 SRC结构施工现场 (3)抗震性能好。SRC结构中的型钢可增强地震作用下构件的变形能力与耗能性能，尤其适用于地震设防区域的高层及超高层建筑。 与钢结构相比，SRC结构优势如下[2-11]： (1)防火、防锈蚀能力好。SRC构件中型钢被外部混凝土包裹，其防火、防锈蚀性能显著提高。*早采用SRC结构的主要目的就是利用其良好防火能力。 (2)刚度大。SRC构件中的型钢外包混凝土可显著提升构件的刚度。配钢率相等时，SRC构件的刚度明显大于钢构件。因此，将SRC结构应用于高层及超高层建筑，可有效克服钢结构变形过大的缺点。 (3)稳定性好。SRC构件中型钢包裹于混凝土中，混凝土可有效约束其内部型钢，防止型钢发生局部屈曲，因此SRC构件中的型钢一般不需加设加劲肋。同时，型钢和混凝土组合后有更大的轴向刚度，构件的整体稳定性也显著提高。 (4)经济性好。与钢结构相比，经合理设计的SRC结构可节省钢材约50%甚至更多，可有效降低建造成本。 因为SRC结构的受力性能优越，许多超高层建筑，如上海环球金融中心、上海金茂大厦、中央电视台总部大楼、北京国贸三期主楼等工程均采用SRC结构。但SRC结构也存在一些不足。传统现浇SRC结构的施工方法为首先进行构件中梁、柱型钢的整体拼装，其次进行钢筋的绑筋与模板的支设，*后浇筑混凝土。由于SRC构件中同时存在型钢与钢筋，含有粗骨料的普通混凝土的浇筑及振捣质量不易保证；同时梁柱节点处构造复杂，钢筋密布且施工工序繁杂，使现浇SRC结构的施工难度进一步增加(图1.3)。因此，SRC结构在推广应用中受到了极大的限制，没有得到量大面广的使用。 图1.3 SRC结构梁柱节点 如图1.4所示，经有效抗震设计的预制混凝土(precast concrete，PC)结构可以有效简化RC结构现场施工工序，因而在国内外得到广泛应用[12-17]。PC结构与现浇RC结构相比主要有以下优点： 图1.4 PC预制构件 (1)构件质量好。PC构件主要在预制工厂制作，相比施工现场制作，生产条件更好，质量更可控。预制工厂制作的PC构件在强度、耐久性、密实性、防水性等方面比施工现场制作的RC构件更有保证；同时预制工厂制作时可使用更精细的模板以及蒸汽养护，从而使构件表面质量更佳。 (2)生产效率高。在预制工厂制作PC构件时大多使用自动化、机械化的方式，其生产效率高于施工现场制作的构件。同时，PC构件运输至施工现场后的安装也多采用机械化施工方式，不需要(干式连接)或仅需少量(湿式连接)的混凝土作业，减少了现浇混凝土的养护时间，且受天气及季节的影响较小，施工较为便捷。 (3)有利于高性能土木工程材料的使用。随着高性能水泥基材料的不断涌现，将其用于RC结构中以增强结构性能的需求不断提升。以工程水泥基复合材料(engineered cementitious composite，ECC)及活性粉末混凝土(reactive powder concrete，RPC)等超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)为代表的高性能水泥基材料的水灰比均较小且掺有不同种类的纤维，因此其流动性降低且多需要蒸汽养护以达到目标性能，现场施工时的使用难度进一步增加。预制工厂制作的PC构件有利于上述高性能水泥基材料的推广。 综上所述，SRC结构受力性能优越但现场施工工序繁杂，PC构件质量好且现场施工效率高。因此将二者的优势结合，不但可以解决传统SRC结构现场施工困难的问题，还能结合PC结构的特点形成受力与施工性能更好的新型结构体系。 1.2 型钢混凝土结构 SRC结构的应用始于20世纪初，欧美国家主要用来改善钢结构的耐火性能[9]。苏联在第二次世界大战后将SRC结构大量应用于工业厂房的建造中，并发布了相关标准[18]。由于SRC结构的抗震性能优越，地震频发的日本于20世纪50年代开始对SRC构件及结构进行了较为系统的研究，并发布了相关标准[19]。20世纪50年代我国借鉴苏联的相关设计方法将SRC结构首先应用于工业厂房的建设中，并随着SRC结构在地震设防区域应用的不断增多，先后发布了《钢骨混凝土结构技术规程》(YB 9082—2006)[20]、《型钢混凝土组合结构技术规程》(JGJ 138—2001)[21]及《组合结构设计规范》(JGJ 138—2016)[22]以指导SRC结构的设计与应用。 从20世纪80年代中期至今，西安建筑科技大学相关研究人员对SRC梁、柱、节点及框架结构的黏结性能、基本力学性能与抗震性能进行了系统的研究[23-30]。随着建筑材料技术的不断发展及高层结构对构件承载力要求的逐渐提高，西安建筑科技大学[31-32]、大连理工大学[33-38]与重庆大学[39]也系统地开展了型钢高强混凝土(steel reinforced high-strength concrete，SRHSC)结构的研究。 目前，对传统SRC结构与SRHSC结构的基本力学性能与抗震性能的研究较多[40-44]。随着高强钢材及其连接技术的不断发展，近年来国外学者开始研究使用高强钢材与高强混凝土的SRC构件。Lai等[45-50]进行了C100级以上的混凝土与S500级以上钢材SRC柱的轴压性能试验研究，并提出了相应的承载力计算方法，但其黏结性能、偏压性能及抗震性能仍需进一步研究。 综上所述，现阶段关于SRC构件与结构的研究多处于材料创新应用阶段，即对SRC构件截面内的混凝土与钢材进行材料替换，较少对制约SRC结构应用的关键因素，即繁杂的现场施工流程进行有效的研究。与此同时，高强钢材与UHPC组合而成的SRC构件主要处于试验研究阶段。如何更好地保证高强钢材现场施工连接质量以及保证UHPC的施工现场浇筑养护与质量的问题仍未得到有效解决。此外，现阶段UHPC的造价昂贵且对生产与养护要求较高，如何结合湿式连接PC构件的叠合施工特点，并在满足承载力的前提下适当减少UHPC用量也是亟待研究的问题。基于此，开展传统SRC结构、PC结构与高性能土木工程材料的优化组合研究势在必行。 1.3 装配式型钢混凝土结构 为了充分结合SRC结构受力性能与PC结构施工性能的优势，国内外工程技术人员进行了许多尝试，提出了装配式SRC结构。 图1.5 SR-PC工法示意图日本是地震频发的国家，在20世纪70年代，日本住宅公团(现在的都市基础配备公团)开始使用将SRC结构预制化的H-PC工法来建设住宅，并迅速普及。当时的H-PC工法是指将使用H型钢的SRC柱或梁构件预制化，但由于钢筋连接方法有限，预制SRC构件间的连接主要以型钢焊接为主，结构主要依靠型钢承受荷载。随着钢材价格的不断提高以及钢筋连接方式的不断完善，工程设计人员为使H-PC工法中的RC部分也能承受部分荷载，提出了SR-PC工法。如图1.5所示，在SR-PC工法中，SRC梁采用预制方法制作，SRC柱依然采用现场现浇的方式施工，使得PC结构施工便捷的优势未能*大程度地发挥[16，51-53]。 为使预制钢-混凝土组合(混合)结构的发展更加多样化，日本藤田(Fujita)公司提出了可供多高层建筑使用的藤田预制型钢混凝土(Fujita steel reinforced precast concrete， FSRPC)工法，其中又分为使用预制RC柱与钢梁的FSRPC-B工法与使用预制SRC柱与钢梁的FSRPC-T工法[54]。如图1.6(a)、(b)所示，在初期的FSRPC-B工法中，预制RC柱为一个预制单元，而节点核心区与钢梁拼接为另一个预制单元，在施工现场定位RC柱并使用灌浆套筒连接上、下柱的钢筋后，将包含节点核心区与钢梁的预制单元放置于RC柱顶即完成一个跨度的施工。此外，FSRPC-B工法通过在节点核心区设置直交钢梁及钢板箍与钢板筒以进一步提升抗震性能。 因初期的FSRPC-B工法中节点核心区与钢梁组成的预制单元与预制RC柱间的对接工艺较为复杂，为了进一步提升施工速度，藤田公司提出了改进的FSRPC-B工法，如图1.6(c)、(d)所示。在改进的FSRPC-B工法中，带节点核心区的预制RC柱为一个预制单元，钢梁为另一个预制单元，为了方便两个预制单元间的连接，节点核心区外设型钢牛腿。因此，现场施工中，仅需在定位上、下RC柱并使用灌浆套筒连接后，使用钢结构连接工艺连接两个柱间的钢梁即可完成一个跨度的施工。相比于前述FSRPC-B工法在节点核心区与钢梁放置于RC柱顶时需要使柱中预留钢筋准确穿过节点核心区的施工工艺，改进的FSRPC-B工法中的钢梁与型钢牛腿的连接速度更快，施工难度更低。 图1.6 FSRPC-B工法与改进的FSRPC-B工法示意图及现场施工图 为了进一步提升结构的承载能力与抗侧刚度，藤田公司在改进的FSRPC-B工法基础上提出了使用预制SRC柱的FSRPC-T工法。如图1.7所示，除将预制RC柱更换为预制SRC柱外，FSRPC-T工法的现场施工工艺与改进的FSRPC-B工法的现场施工工艺基本相同，而预制SRC柱间型钢的连接创新地使用了型钢灌浆套筒连接工艺。虽然FSRPC-T工法在日本得到了众多应用，但型钢灌浆套筒连接工艺较为复杂，且连接质量不易控制；另外，为了连接方便，FSRPC-T工法中预制SRC柱中的型钢均采用了圆形钢管，同时在连接部位刻槽便于灌浆锚固，使钢管加工工艺变得复杂。 图1.7 FSRPC-T工法示意图及现场施工图 韩国同为地震易发的国家，为了推进预制SRC结构的应用，Hong等[55-62]提出了使用部分预制SRC梁与现浇或预制SRC柱的模块化混合体系(modularized