一种装配式带钢连接件的预制混凝土柱的应用

王仕琪

（广东省建筑设计研究院有限公司 广州510010）

1 项目概况

某项目生活区主要建筑物有宿舍楼、综合楼等，其建筑用途与常规住宅、办公楼相同，层高为3.0～3.5 m。考虑施工工期要求及当地施工水平，采用预装配式进行设计，整体采用柱-梁式框架结构。框架柱采用全高整体预制，梁采用半预制叠合受力梁，楼板采用标准做法的钢筋桁架混凝土叠合板。

2 带钢连接件的预制混凝土柱的结构形式

目前各地装配式建筑采用的柱主要整体预制混凝土柱、钢管柱等。整体预制混凝土柱自重大，吊装相当困难，上下柱分节连接时，依靠注浆锚固的方式使之连接，其构件承载力性能大打折扣，也使其地震等不可预计灾害下，增加危险因素。而钢管柱造价则较高，其使用过程中，必须定期维护及检修，使得其应用于高层住宅时，其可行性降低，也不符合使用要求［1］。

对此本工程创新性地采用一种装配式带钢连接件的预制混凝土柱，通过相邻节预制混凝土柱之间的装配来实现多节预制混凝土柱之间的快速连接。本装配式带钢连接件的预制混凝土柱，由钢连接件的框架结构和浇筑在连接处中的混凝土组成，钢连接件包括埋在预制混凝土柱中的箱型钢管及焊接在箱型钢管四边的牛腿角钢（见图1）。

图1 带钢连接件的预制混凝土柱的结构形式Fig.1 Structural Form of Prefabricated Concrete Column with Steel Connector （mm）

其中，梁下端箱型钢管竖向穿插预制钢筋混凝土梁，梁下端箱型钢管的上部从预制钢筋混凝土梁伸出，顶端具有上部柱连接环板，梁下端箱型钢管的中部侧面焊接有牛腿，用于连接预制钢筋混凝土梁，梁下端箱型钢管的下部插入钢筋骨架内。梁上端箱型钢管位于预制混凝土柱的下部，梁上端箱型钢管的上部插入钢筋骨架内，底端具有下部柱连接环板，下部柱连接环板用于与下一节的预制混凝土柱的上部柱连接环板相连接，从而实现上下相邻的两节预制混凝土柱之间的装配连接，上下端均设置有梁箱型钢管中心开设的混凝土灌浆孔以及侧面开设的混凝土灌浆槽组成的灌浆通道，连接完成后在灌浆孔注浆以实现混凝土浇筑通道的连通，由此实现多节预制混凝土柱的快速连接。

3 带钢连接件的预制混凝土柱的计算分析

采用大型非线性有限元分析软件ABAQUS 对上述带钢连接件的预制混凝土柱进行计算分析（见图2）［2-8］，模拟该带钢连接件的预制混凝土柱在现场预制构件安装完成后的受力工况（工况1），以及正常使用工况（工况2）下的受力情况［9-10］。其中型钢采用壳单元模拟，混凝土采用损伤模型实体单元模拟；混凝土强度等级、柱截面尺寸（400 mm×400 mm）、等均按结构施工图进行建立。

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

根据有限元软件的分析结果（见图3～图4），在现场预制构件安装完成后的工况下（自重工况），预制混凝土柱中的钢构件，最大MISES 应力为36.9 N/mm2，远低于Q355 型钢的设计应力，柱身混凝土未出现受压损伤，构件处于安全受力阶段。在正常使用阶段（1.3 恒+1.5 活），预制混凝土柱中的钢构件最大MIS⁃ES 应力为182.4 N/mm2，柱钢筋的最大MISES 应力为93.7 N/mm2，仍低于Q355 型钢及三级钢筋的设计应力，预制混凝土柱仍处于合理受力阶段。

图3 工况1下型钢的应力和混凝土受压损伤剖面Fig.3 Stress of Section Steel and Profile of Concrete Compression Damage under Condition 1

图4 工况2下型钢和钢筋的应力Fig.4 Stress of Section Steel and Reinforcement under Condition 2

从分析结果可以看出，带钢连接件的预制混凝土柱受力性能满足要求，通过型钢参与受力，进一步提高框架柱的受力性能；同时通过预制构件时预留钢连接件，实现现场装配施工时的快速连接，提高施工装配速度，进一步推动建筑产业化的发展。

4 带钢连接件的预制混凝土柱的施工方法

上述带钢连接件的预制混凝土柱的施工方法，其特征在于包括以下步骤：

⑴步骤一：预先在工厂制备预制混凝土柱的各拼装件，将需要拼接的预制混凝土柱的柱连接环板焊接到相应的箱型钢管上；主要包括竖直设置的空心筒形的钢筋骨架，将梁下端箱型钢管的下部插入钢筋骨架内，该箱型钢管具有与钢筋骨架相贯通的混凝土灌浆通道；梁上端箱型钢管的上部插入钢筋骨架1内，底端焊接有下部柱连接环板，上下部的环板均为矩形环板，并开设有螺栓孔。

⑵步骤二：将步骤一制备的各预制混凝土柱的拼装件运输到施工现场进行安装定位并拼接固定，形成预制混凝土柱的钢框架结构，完成框架结构的施工。

⑶步骤三：将混凝土浇注到框架结构的内腔中，形成带有钢连接件的预制混凝土柱。

5 带钢连接件的预制混凝土柱的优点

该预制混凝土柱结构简单、稳固，通过相邻节预制混凝土柱之间的装配来实现多节预制混凝土柱之间的快速连接，上下端连接构件的箱型钢管的尺寸可根据设计结果选择，根据也可将其通长布置，参与受力，进一步提高框架柱的性能。采用装配式连接方式能够免支撑施工，施工方便，可以大大减少施工时间，缩短施工周期。

6 结论

二次浇注钢构架混凝土梁在本工程的装配式施工中成功运用，取得了较好的成果，其组合特性使其可根据具体的结构布置方案，进行灵活分段。在装配式中使用可以有效加速建设速度，减低建设成本。可在其他工程项目中作为参考。