一種裝配式帶鋼連接件的預制混凝土柱的應(yīng)用

王仕琪

（廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司 廣州510010）

1 項目概況

某項目生活區(qū)主要建筑物有宿舍樓、綜合樓等，其建筑用途與常規(guī)住宅、辦公樓相同，層高為3.0～3.5 m?？紤]施工工期要求及當?shù)厥┕に?，采用預裝配式進行設(shè)計，整體采用柱-梁式框架結(jié)構(gòu)?？蚣苤捎萌哒w預制，梁采用半預制疊合受力梁，樓板采用標準做法的鋼筋桁架混凝土疊合板。

2 帶鋼連接件的預制混凝土柱的結(jié)構(gòu)形式

目前各地裝配式建筑采用的柱主要整體預制混凝土柱、鋼管柱等。整體預制混凝土柱自重大，吊裝相當困難，上下柱分節(jié)連接時，依靠注漿錨固的方式使之連接，其構(gòu)件承載力性能大打折扣，也使其地震等不可預計災害下，增加危險因素。而鋼管柱造價則較高，其使用過程中，必須定期維護及檢修，使得其應(yīng)用于高層住宅時，其可行性降低，也不符合使用要求［1］。

對此本工程創(chuàng)新性地采用一種裝配式帶鋼連接件的預制混凝土柱，通過相鄰節(jié)預制混凝土柱之間的裝配來實現(xiàn)多節(jié)預制混凝土柱之間的快速連接。本裝配式帶鋼連接件的預制混凝土柱，由鋼連接件的框架結(jié)構(gòu)和澆筑在連接處中的混凝土組成，鋼連接件包括埋在預制混凝土柱中的箱型鋼管及焊接在箱型鋼管四邊的牛腿角鋼（見圖1）。

圖1 帶鋼連接件的預制混凝土柱的結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Structural Form of Prefabricated Concrete Column with Steel Connector （mm）

其中，梁下端箱型鋼管豎向穿插預制鋼筋混凝土梁，梁下端箱型鋼管的上部從預制鋼筋混凝土梁伸出，頂端具有上部柱連接環(huán)板，梁下端箱型鋼管的中部側(cè)面焊接有牛腿，用于連接預制鋼筋混凝土梁，梁下端箱型鋼管的下部插入鋼筋骨架內(nèi)。梁上端箱型鋼管位于預制混凝土柱的下部，梁上端箱型鋼管的上部插入鋼筋骨架內(nèi)，底端具有下部柱連接環(huán)板，下部柱連接環(huán)板用于與下一節(jié)的預制混凝土柱的上部柱連接環(huán)板相連接，從而實現(xiàn)上下相鄰的兩節(jié)預制混凝土柱之間的裝配連接，上下端均設(shè)置有梁箱型鋼管中心開設(shè)的混凝土灌漿孔以及側(cè)面開設(shè)的混凝土灌漿槽組成的灌漿通道，連接完成后在灌漿孔注漿以實現(xiàn)混凝土澆筑通道的連通，由此實現(xiàn)多節(jié)預制混凝土柱的快速連接。

3 帶鋼連接件的預制混凝土柱的計算分析

采用大型非線性有限元分析軟件ABAQUS 對上述帶鋼連接件的預制混凝土柱進行計算分析（見圖2）［2-8］，模擬該帶鋼連接件的預制混凝土柱在現(xiàn)場預制構(gòu)件安裝完成后的受力工況（工況1），以及正常使用工況（工況2）下的受力情況［9-10］。其中型鋼采用殼單元模擬，混凝土采用損傷模型實體單元模擬；混凝土強度等級、柱截面尺寸（400 mm×400 mm）、等均按結(jié)構(gòu)施工圖進行建立。

圖2 ABAQUS有限元模型Fig.2 ABAQUS Finite Element Model

根據(jù)有限元軟件的分析結(jié)果（見圖3～圖4），在現(xiàn)場預制構(gòu)件安裝完成后的工況下（自重工況），預制混凝土柱中的鋼構(gòu)件，最大MISES 應(yīng)力為36.9 N/mm2，遠低于Q355 型鋼的設(shè)計應(yīng)力，柱身混凝土未出現(xiàn)受壓損傷，構(gòu)件處于安全受力階段。在正常使用階段（1.3 恒+1.5 活），預制混凝土柱中的鋼構(gòu)件最大MIS?ES 應(yīng)力為182.4 N/mm2，柱鋼筋的最大MISES 應(yīng)力為93.7 N/mm2，仍低于Q355 型鋼及三級鋼筋的設(shè)計應(yīng)力，預制混凝土柱仍處于合理受力階段。

圖3 工況1下型鋼的應(yīng)力和混凝土受壓損傷剖面Fig.3 Stress of Section Steel and Profile of Concrete Compression Damage under Condition 1

圖4 工況2下型鋼和鋼筋的應(yīng)力Fig.4 Stress of Section Steel and Reinforcement under Condition 2

從分析結(jié)果可以看出，帶鋼連接件的預制混凝土柱受力性能滿足要求，通過型鋼參與受力，進一步提高框架柱的受力性能；同時通過預制構(gòu)件時預留鋼連接件，實現(xiàn)現(xiàn)場裝配施工時的快速連接，提高施工裝配速度，進一步推動建筑產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。

4 帶鋼連接件的預制混凝土柱的施工方法

上述帶鋼連接件的預制混凝土柱的施工方法，其特征在于包括以下步驟：

⑴步驟一：預先在工廠制備預制混凝土柱的各拼裝件，將需要拼接的預制混凝土柱的柱連接環(huán)板焊接到相應(yīng)的箱型鋼管上；主要包括豎直設(shè)置的空心筒形的鋼筋骨架，將梁下端箱型鋼管的下部插入鋼筋骨架內(nèi)，該箱型鋼管具有與鋼筋骨架相貫通的混凝土灌漿通道；梁上端箱型鋼管的上部插入鋼筋骨架1內(nèi)，底端焊接有下部柱連接環(huán)板，上下部的環(huán)板均為矩形環(huán)板，并開設(shè)有螺栓孔。

⑵步驟二：將步驟一制備的各預制混凝土柱的拼裝件運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場進行安裝定位并拼接固定，形成預制混凝土柱的鋼框架結(jié)構(gòu)，完成框架結(jié)構(gòu)的施工。

⑶步驟三：將混凝土澆注到框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔中，形成帶有鋼連接件的預制混凝土柱。

5 帶鋼連接件的預制混凝土柱的優(yōu)點

該預制混凝土柱結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)固，通過相鄰節(jié)預制混凝土柱之間的裝配來實現(xiàn)多節(jié)預制混凝土柱之間的快速連接，上下端連接構(gòu)件的箱型鋼管的尺寸可根據(jù)設(shè)計結(jié)果選擇，根據(jù)也可將其通長布置，參與受力，進一步提高框架柱的性能。采用裝配式連接方式能夠免支撐施工，施工方便，可以大大減少施工時間，縮短施工周期。

6 結(jié)論

二次澆注鋼構(gòu)架混凝土梁在本工程的裝配式施工中成功運用，取得了較好的成果，其組合特性使其可根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)布置方案，進行靈活分段。在裝配式中使用可以有效加速建設(shè)速度，減低建設(shè)成本?？稍谄渌こ添椖恐凶鳛閰⒖?。