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专家解读中建科技集团有限公司郭海山总工程师为您解读后张预应力压接装配混凝土框架结构足尺试验

发布于:2021-05-06 09:03:15 来自:建筑结构/混凝土结构 0 61

专家解读

为进一步推广刊登在《建筑结构学报》的优秀科研成果,反映相关研究发展动态和趋势,推动学术交流,《建筑结构学报》微信公众平台开设“专家解读”专栏。在新刊中遴选部分研究方向具有前瞻性和引领性,研究成果具有创新性和实用性,研究方法具有可借鉴意义的优秀成果,由作者介绍研究背景,深入解读其创新成果及研究过程。 本期特邀 中建科技集团有限公司 郭海山总工程师,为您解读 后张预应力压接装配混凝土框架结构足尺试验。



后张预应力压接装配混凝土框架结构足尺 试验研究



1.

研究背景


2016—2020年五年间,装配式建筑保持了50%以上的年增长率,2020年新开工面积超过了6亿平方米,已成为建筑业一个重要的新兴增量市场,发展装配式建筑也成为建筑业转型升级的国家战略。然而,目前国内装配式工程的建造方式普遍采用“等同现浇”理论,由此带来了连接材料消耗量大、成本增加、工艺复杂、安全可靠度不高和环保效果不显著等问题,制约了工业化建造方式的进一步发展。亟需建立能够充分发挥工业化高效建造优势、且符合韧性防灾城市建设需求的新型装配体系。


作者团队在国家十三五重点研发计划项目(装配式混凝土工业化建筑高效施工关键技术研究与示范,2016YFC0701700)的支持下,提出了基于“干式装配”的 新型预制预应力高效装配混凝土框架(precast prestressed efficiently fabricated frame,PPEFF)体系 。对该体系的承载机理、抗震性能和抗连续倒塌性能进行了系统的理论研究和试验研究,相继完成了国内最大的装配式框架抗震试验、预应力失效情况下的抗连续倒塌试验和世界上最大的五层足尺抽柱抗连续倒塌试验,验证了PPEFF体系良好的抗灾性能和韧性;并在以上研究的基础上提出了适合中国规范体系的设计方法和高效制造和安装成套工艺。目前,该体系已在湖北、江苏、浙江等地的多个实际工程中应用,不但实现了“五天两层”的高效建造,而且具有高抗灾性能、节材环保和成本经济等多项优势,实现了建造高效、性能优异和成本经济的统一。被国家重点研发计划验收专家组评价为整体达到国际领先水平,并获得华夏科技进步一等奖等多项奖励。


PPEFF体系介绍


2.

研究过程


为验证PPEFF体系的抗灾性能,进行了系统、全面的试验研究(图1)。先后完成了4组梁柱节点拟静力试验、11组柱脚节点拟静力试验、国内最大的足尺单榀框架拟静力试验和世界最大的五层足尺抗连续倒塌试验。


图1  PPEFF体系相关试验研究


本团队发表在《建筑结构学报》2018年第10期的论文《后张无黏结预应力干式连接梁柱节点抗震性能试验研究》,对4个梁柱节点(包括边节点和中节点)试验结果进行了详细介绍。结果表明,PPEFF体系梁柱节点试件在初始刚度、承载能力、变形能力以及损伤控制等方面较传统现浇节点的更优。


本团队还提出了一种用于PPEFF体系的新型装配式低损伤柱与基础连接方式,通过设置无黏结段削弱的钢筋耗能段,提高了柱脚的耗能能力。试验结果(图2)表明该柱脚具有较好的耗能能力并显著降低了残余变形。


图2  新型装配式低损伤柱脚试验


发表在《建筑结构学报》2021年第7期的论文《后张预应力压接装配混凝土框架结构足尺试验研究》详细介绍了本团队在前述工作基础上设计的两层三跨足尺单榀平面框架拟静力试验和预应力失效下的抗剪试验。研究结果可为PPEFF体系的工程应用提供参考。


试验体系整体变形过程


3.

PPEFF体系特点


3.1  PPEEF体系构造


PPEFF体系由后张无黏结预应力装配梁柱节点、局部有黏结后张预应力混凝土叠合梁、新型装配式柱脚节点和大跨度预制楼板共同组成(图3),预制率可达到80%以上,梁、柱和板的标准化程度高,易于制造和安装。


图3  PPEFF体系基本组成示意


PPEFF体系在抗灾性能、建造成本和效率方面的优势基于以下关键技术原理:


1)使用干式装配体系,以减少现场湿作业量,提高施工效率。


2)使用无黏结预应力技术使PPEFF体系获得了良好的震后自复位、低损伤和抗连续倒塌的特性;采用局部无黏结且削弱的耗能钢筋设置,限定中大震作用下节点耗能位置,降低结构损伤,提高结构易修复性;现浇叠合层的应用提高结构的整体性。以上技术使PPEFF体系较美国同类干式连接的Hybrid Frame体系和国内常用的现浇装配体系具有更好的结构可靠性和防灾性能。


3)利用多种技术手段降低结构用钢量,如用直螺纹连接代替搭接接头、用高强度预应力筋代替一定量的受力钢筋、用多层预制柱方案减少柱间钢筋接头和套筒用量等;使用规则、大型的预制构件,以提高生产效率和装配效率。使用大跨度带预应力的水平构件解决方案,以减少现场支撑用量。以上技术使PPEFF体系实现了五天两层的高效、高品质建造,且较传统装配式结构降低了建造成本。


3.2  简便易行的设计方法


建立了4种仿真模型(图4)并进行了理论分析,提出了基于性能的PPEFF体系设计计算方法和按需配筋构造(图5),能够满足工程设计需要且能够兼容现有规范体系,方便了新体系的推广。


图4  PPEFF体系节点仿真模型


图5  PPEFF体系设计流程与配筋构造


3.3  高效率的预制构件生产


根据PPEFF体系特点,并结合实践经验,提出了模块化梁柱模具生产方法,通过模具的模块化组装提高模具的周转率,降低生产成本,总结形成了系统的高效生产工艺与方法(图6)。


图6  PPEFF体系梁柱生产工艺


3.4  高效率的施工安装


通过合理安排施工流水,可达到五天2层的高效安装,安装过程见图7;与现浇施工方式相比,现场用工量可减少60%,现场建筑垃圾可减少67%,现场非实体性材料(主要为脚手架、模板等辅助材料)投入可减少70%。


图7  PPEFF体系安装过程


4.

应用前景


PPEFF体系具备施工高效、绿色节能、安全抗震三大特点,可广泛应用于高地震烈度区的多高层办公、商业、学校、酒店、公寓、多层仓库及工业厂房等建筑中。目前已完成了多项示范工程的设计与建造,在工程实践中验证和改进工艺方法,取得了良好的效果(图8)。


8  PPEFF体系工程应用


PPEFF体系结构的平面布置较为灵活,不仅可以与常规的现浇框架、现浇剪力墙混合使用,还可以与钢结构支撑体系混合使用。PPEFF体系结构的竖向布置也可以根据需要对群房以下部分采用现浇混凝土结构(图9)。


9  PPEFF体系竖向布置示意


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