基于快速建造的装配式混凝土框架结构关键技术研究

高 羽（北京万兴建筑集团有限公司，北京 102600）

传统的现浇混凝土建筑需要较长的施工周期，生产管理和技术水平落后，建造过程产生大量的环境污染，成为制约建筑业转型升级的重要障碍。装配式是实现建筑工业化、信息化和智能化的最重要途径，受到政府和建筑企业的大力推广，是高质量和高水平建造的主流模式[1]。尽管如此，现阶段的装配式框架结构设计方法仍基于传统的框架梁柱塑性铰破坏的设计方法，没有体现装配式构件节点的特异性要求。同时，装配式建筑在施工过程中最大的痛点是实现结构的快速施工与结构连接节点之间安全的平衡，并且还需保持建造速度和成本的优势[2]。为此，在建造安全、快速施工和成本可控的高效率拼装目标导向下，研究装配式混凝土框架结构快速建造施工具有十分重要的意义[3-5]。

本文以北京市某高层建筑为研究对象，在研究装配式建筑施工技术工艺的基础上，提出一种在框架柱截面核心设置FRP约束薄壁混凝土芯柱的组合柱新型快速装配施工方法，并运用室内试验方法建立了物理模型对组合柱的特早龄期进行测试。

1 工程概况

北京市某高层建筑小区为政府民生工程，项目占地面积为21760m2，总建筑面积为66868m2。项目设置地下1层，层高为3.4m，现浇混凝土结构；地上18层，建筑高度达到67m。高层建筑共由10栋组成，其中4#～7#为剪力墙结构，1#～3#、8#为框架结构，9#～10#为全预制装配式整体式钢筋混凝土框架结构体系。预制预应力板采用先张法生产工艺，混凝土强度等级为C40，受力主筋为螺旋肋钢筋，分布筋为圆8 二级钢筋；预应力梁采用先张法生产工艺，混凝土强度等级为C40，受力主筋为低松弛标准型钢绞线，箍筋为普通钢筋；预应力柱为钢筋混凝土方形柱，边长为450mm，混凝土强度等级为C40，多层预制柱之间设置斜向钢筋用于保证运输和施工阶段的承载力及刚度要求。

2 装配式混凝土框架结构快速施工技术

目前，大多数的装配式建筑项目装配率和装配范围并不是由于技术驱动下的市场选择，不能反映装配式建造的本质要求，装配效率往往受到政策导向和项目属性的客观条件控制，无法达到高效建造的目标[6]。在技术驱动下的装配式框架结构建筑快速建造，其主要的控制条件是充分挖掘缩短框架柱装配周期的核心影响因素，比如加大施工作业空间和改善作业环境，提高框架柱节点特早龄期的承载力，减少竖向构件支撑辅助设施的数量[7-8]。

在装配式框架结构施工中，施工内容包括预制柱体的安装、预制梁体的安装、预制楼板的安装、预制墙体的安装、预制楼梯、阳台等附件安装。其中，预制柱体和梁板的安装是控制施工建造效率的关键工序，整个施工效率不仅取决于各个工序的组织时间，也取决于柱体和梁体的节点装配特早龄期承载性能，预制柱体的施工效率决定了整体施工效率的上限，而预制梁板的施工效率则决定了整体施工效率的下限。装配式混凝土框架结构的施工流程大致分为步序1：将预制构件运输至现场→步序2：借助竖向起吊装备安装柱体以及梁柱节点预制件→步序3：安装柱体的装配节点模板以及支持系统→步序4：柱体装配节点混凝土的灌注→步序5：安装预制梁板，绑扎暗梁钢筋→步序6：浇筑梁装配节点和楼板暗梁混凝土→步序7：上一层柱体和梁柱节点的安装施工直至完成，如图1所示。

图1 装配式混凝土框架结构施工工艺流程

从图1可以看出，为了加快装配式结构的安装效率，同时保证施工过程中结构状态保持稳定和具有较高的施工承载力，挖掘节点特早龄期强度是最为重要的途径之一。一般通过增强材料的组合来约束柱体结构的节点，达到提高钢筋混凝土预制柱装配节点特早龄期轴压承载力的目的。因此，基于提高装配式混凝土柱早期强度的快速建造思路，本文提出一种新型的柱体快速装配施工方法，即在框架柱截面核心设置FRP约束薄壁混凝土芯柱的组合柱，如图2所示。该新型快速装配式施工方法通过结合FRP纤维布的高抗拉强度、高弹性模量与钢材的高抗压强度、高延性的力学属性，可以在框架柱周围配置纵向钢筋、辅助定型模板等，达到改变芯柱截面尺寸、约束效应和增加混凝土强度的目的。

图2 装配式混凝土框架结构柱快速施工方案

3 装配式混凝土框架结构快速施工技术室内试验研究

3.1 FRP约束薄壁混凝土芯柱的组合柱模型轴压性能试验

为了测试提出的FRP约束薄壁混凝土芯柱的组合柱在早期的力学性能，运用室内的单调加载抗压试验对不同龄期的试件进行抗压强度测试。试验所用的材料与实际工程一致，试验模型尺寸按1:5 的比例缩小，如图3所示。试验选用的材料为Q235 钢，钢管壁厚为2mm，屈服抗拉强度为232MPa，极限抗拉强度为335MPa，弹性模量为208GPa，泊松比为0.2；选用的FRP纤维布规格为ICXS-300g，弹性模量为232GPa，抗拉强度为3425MPa，极限应变为1.63%，名义厚度为0.167 mm。

图3 FRP约束薄壁混凝土芯柱的组合柱物理试验模型

单轴抗压强度试验设备采用500t 三思多功能CMT5305 电液伺服试验机，轴向压力采用300t 压力传感器采集，轴向位移采用50mm 行程应变片进行采集，数据采集系统为DH3815 动态型号测试分析系统。试验模型考虑了龄期对力学性能的影响，分别制作了龄期1d的试件（试件A）、龄期7d的试件（试件B）、龄期28d的试件（试件C），所有试件的FRP碳纤维层数为1层。

3.2 FRP约束薄壁混凝土芯柱的组合柱特早龄期柱轴承载性能分析

图4为不同龄期FRP 约束薄壁混凝土芯柱的组合柱试验模型荷载-位移曲线。从图4可以看出，不同龄期FRP约束薄壁混凝土芯柱的组合柱试验模型荷载随着位移的变化规律存在明显区别。龄期为1d 的试件，试件荷载呈现明显的5 个受力变化阶段，在位移1.18mm之前，荷载和位移呈现等比例变化，该阶段为试件的弹性变形阶段，弹性阶段的承载力为218.48kN；而位移在1.18mm～12.39mm之间时，荷载和位移呈现非线性增加的趋势，荷载在位移为12.39mm时得到峰值，为425.77kN；位移在12.39mm～13.76mm之间，荷载随着位移的增加呈现突然下降的趋势；位移在13.76mm～26.39mm 之间时，位移的增加对荷载的影响不大，荷载维持在一个恒定值，表明试件已经出现滑移；位移大于26.39mm 时，荷载随着位移的增加有所提升，该提升的荷载部分为FRP纤维布对混凝土部分提供的约束力。

图4 不同龄期试验模型荷载-位移曲线

龄期7d 的试件，试件荷载呈现明显的4 个受力变化阶段，位移在2.05mm 以内，荷载和位移呈现等比例变化，该阶段为试件的弹性变形阶段，弹性阶段的承载力为296.68kN；而位移在2.05mm～6.66mm之间时，荷载和位移呈现非线性增加的趋势，荷载在位移为6.66mm时得到极大值，为378.66kN；位移在6.66mm～11.70mm之间，荷载随着位移的增加呈现逐步减小的趋势，在11.70mm 位置处出现荷载极小值，为350.77kN；位移在11.70mm～18.67mm 之间时，荷载随着位移的增加有所逐步提升，该提升的荷载部分为FRP 纤维布对混凝土部分提供的约束力，极限荷载为453.86kN。总体而言，龄期3d试件的极限位移约为龄期7d的60%。

龄期28d的试件，试件的荷载呈现明显的4个受力变化阶段，位移在2.80mm 以内，荷载和位移呈现等比例变化，该阶段为试件的弹性变形阶段，弹性阶段的承载力为540.38kN；而位移在3.05mm～6.22mm之间时，荷载和位移呈现近线性降低的趋势，荷载在位移为6.62mm 时得到极小值，为469.40kN；位移在6.22mm～25.21mm 之间，荷载随着位移的增加呈现波动式变化；位移在25.21mm处，荷载出现陡降，试件破坏失效。

综合比较不同龄期FRP约束薄壁混凝土芯柱的组合柱弹性阶段的荷载最大值可知，3d龄期试件、7d龄期试件的荷载分别为218.48kN、296.68kN，分别占28d 龄期试件荷载（540.38kN）的40.5%、54.9%，试件柱截面的应力分别为29.7MPa、33.5MPa，3d龄期的柱体承载力即可满足上部框架结构继续施作的承载力要求工期，达到了快速化施工和缩短工期的目的。

4 结语

以北京市某高层住宅项目为研究对象，提出一种在框架柱截面核心设置FRP约束薄壁混凝土芯柱的组合柱新型快速装配施工方法，并运用室内试验方法建立了物理模型对组合柱的特早龄期进行测试，得到以下结论：

（1）预制柱体和梁板的安装是控制施工建造效率的关键工序，提高预制柱体装配节点特早龄期承载性能决定了整体施工效率的上限，而预制梁板的施工效率则决定了整体施工效率的下限。

（2）不同龄期FRP 约束薄壁混凝土芯柱的组合柱试验模型荷载随着位移的变化规律存在明显区别，龄期为1d 的试件荷载呈现明显的5 个受力变化阶段，龄期为7d和28d的试件荷载则呈现4个受力变化阶段。

（3）室内试验表明，FRP约束薄壁混凝土芯柱的组合柱弹性阶段3d 龄期试件、7d 龄期试件荷载分别为218.48kN、296.68kN，分 别 占28d 龄 期 试 件 荷 载（540.38kN）的40.5%、54.9%，试件柱截面的应力分别为29.7MPa、33.5MPa，3d龄期的柱体承载力即可满足上部框架结构继续施作的承载力要求工期，达到了快速化施工和缩短工期的目的。